Что такое литая форма? Типы, материалы и применение

Литейная форма представляет собой прецизионно спроектированную полость инструмента, в которую под давлением впрыскивают или заливают расплавленный металл для получения детали, имеющей форму, близкую к заданной. A литая форма — также называемый матрицей или матрицей для литья под давлением — это особый тип, используемый при литье под высоким давлением (HPDC), когда расплавленный металл нагнетается в полость из закаленной стали при давлении от 10 МПа до более 150 МПа. В результате получается металлическая деталь с точными размерами и большими объемами, производимая за секунды за цикл. Алюминиевые литые формы В отрасли доминируют сплавы магния, цинка и меди, за ними следуют сплавы магния, цинка и меди. В этом руководстве объясняется, что представляет собой каждый тип пресс-форм, чем они отличаются по материалу и применению, а также от чего зависит качество и срок службы пресс-формы.

Что такое литейная форма: основные понятия и терминология

Литейная форма — это любой инструмент или контейнер, определяющий внешнюю геометрию отлитой детали. Этот термин охватывает широкий спектр производственных процессов: литье в песчаные формы, литье по выплавляемым моделям, гравитационное литье и литье под давлением, в каждом из которых используются разные категории форм. В промышленном производстве наиболее точным и производительным из них является пресс-форма для литья под давлением.

Ключевые компоненты формы для литья под давлением

Каждая форма для литья под давлением состоит из одних и тех же основных структурных элементов, независимо от отливаемого сплава:

• Фиксированная половина (матрица покрытия): Крепится к неподвижной плите машины для литья под давлением; содержит литник, через который поступает расплавленный металл
• Половина эжектора (подвижная матрица): Прикреплен к движущейся плите; содержит выталкивающие штифты, которые выталкивают затвердевшую деталь из полости после каждого цикла
• Полости и стержневые вставки: Прецизионные секции, определяющие точную внутреннюю и внешнюю геометрию детали.
• Система направляющих и ворота: Каналы, контролирующие скорость и направление потока металла в полость.
• Переливные колодцы и вентиляционные отверстия: Соберите переднюю кромку металлической дроби (которая может содержать воздух и оксиды) и дайте газам выйти.
• Каналы охлаждения: Водяные или масляные контуры, проходящие через корпус формы, позволяют контролировать температуру матрицы и время цикла.
• Скользящие сердечники и подъемники: Подвижные секции пресс-формы, которые создают подрезы, отверстия или элементы, которые невозможно получить одним только прямым вытягиванием.

Литейная форма по сравнению с другими типами литейных форм

Преимущество формы для литья под давлением очевидно при больших объемах: время цикла 15–90 секунд на выстрел , жесткие допуски на размеры (обычно ± 0,1 мм по критическим элементам) и способность создавать сложные тонкостенные геометрические формы, которые были бы невозможны при литье в песок или гравитационном литье.

Литая алюминиевая форма: отраслевой стандарт для легких деталей

На литье алюминия под давлением приходится около 80% всего производства литья под давлением цветных металлов в мире . Форма для литья под давлением алюминия специально разработана для удовлетворения термических и механических требований при литье алюминиевых сплавов — в первую очередь A380, A360, ADC12 и A383 — при температурах плавления 620–700°С .

Выбор стали для алюминиевых штампов

Стандартная сталь формы для литья алюминия под давлением: H13 (AISI H13 / DIN 1.2344) сталь инструментальная горячей обработки, термообработанная до твердости 44–48 HRC. H13 выбран из-за сочетания:

• Высокая термостойкость — критично, поскольку поверхность матрицы подвергается циклическому воздействию от ~200°C (во время охлаждения) до ~600°C (во время впрыска) тысячи раз в день.
• Хорошая вязкость, позволяющая противостоять растрескиванию от гидравлического удара при впрыске металла при давлении 30–80 МПа.
• Адекватная стойкость к пайке (склеивание алюминия с поверхностью матрицы), хотя это остается основным механизмом износа.

Ожидаемый срок службы алюминиевых форм для литья под давлением

Ухоженная алюминиевая форма для литья под давлением из стали H13, правильно азотированная и эксплуатируемая в пределах проектных параметров, может обеспечить:

• 80 000–120 000 выстрелов для сложных конструктивных деталей с тонкими стенками (менее 2 мм)
• 150 000–300 000 выстрелов для более простых деталей с более толстыми стенками и меньшей интенсивностью термоциклирования
• Премиум-класс H13, обработанный методом вакуумно-дугового переплава (VAR), может продлить срок службы 500 000 выстрелов в выгодных условиях

Обработка поверхности, применяемая к литым алюминиевым формам

• Газовое азотирование: Создает твердый поверхностный слой (900–1100 HV) глубиной 0,1–0,3 мм; наиболее распространенная обработка, улучшающая стойкость к износу и пайке
• PVD-покрытия (TiAlN, CrN): Наносится толщиной 2–5 мкм; уменьшить пайку и термическое растрескивание в зонах затвора и зонах высокой эрозии
• Термический спрей HVOF: Применяется для ремонта изношенных поверхностей полостей без полной переобработки.

Распространенные области применения пресс-форм для литья под давлением алюминия

• Блоки автомобильных двигателей, корпуса трансмиссии, масляные поддоны и кронштейны.
• Корпуса аккумуляторов электромобилей и торцевые крышки двигателей (все чаще используются большие цельные штампы «мега-литья»)
• Корпуса бытовой электроники (корпуса для ноутбуков, рамки для смартфонов)
• Корпуса промышленных насосов и клапанов

Литая форма из магния: более легкий сплав, другие проблемы с литьем под давлением

Магниевые сплавы (прежде всего АЗ91Д, АМ60 и АМ50) — самые легкие конструкционные металлы для литья под давлением. примерно на 35 % легче алюминия и на 75 % легче стали по объему. Литые формы из магния должны учитывать уникальные физические и химические свойства магния, который отличается от алюминия по нескольким технически важным признакам.

Чем литье под давлением магния отличается от алюминия

Рекомендации по проектированию пресс-форм для магния

• Более высокие скорости ворот (40–80 м/с против 20–50 м/с для алюминия) ускоряют эрозию вставок литников; использование сменных закаленных вставок ворот (часто H13 или H11 при твердости 48–52 HRC) является стандартной практикой.
• Углы уклона обычно 1–2° на сторону — аналогично алюминию, но требования к чистоте поверхности сердечников более строгие из-за склонности магния приобретать текстуру поверхности.
• Вентиляция более важна: магний очень быстро заполняет полость, и любой захваченный газ создает пористость; вентиляционные каналы Глубина 0,08–0,12 мм типичны (меньше, чем алюминиевые вентиляционные отверстия, чтобы предотвратить вспышку, но при этом обеспечить выход газа)
• Контроль температуры матрицы более жесткий: оптимальная температура матрицы для AZ91D составляет 160–220°С ; слишком холодно приводит к холодному закрытию; слишком горячий вызывает чрезмерную блику и изменение размеров

Литые формы из магния широко используются в автомобильных рулевых колесах, каркасах приборных панелей, каркасах сидений и корпусах портативных электронных устройств, где экономия веса по сравнению с алюминием оправдывает более сложное управление процессом.

Литая форма для мотоцикла: высокая сложность, смешанные материалы

Мотоциклетная промышленность является одной из самых требовательных областей применения форм для литья под давлением, поскольку один мотоцикл содержит От 30 до 80 отдельных литых компонентов — охватывающих структурные, эстетические и функциональные детали — часто производимые как из алюминиевых, так и из магниевых сплавов на одном и том же производственном предприятии.

Типичные литые детали мотоцикла по материалам

Сложность проектирования форм для литья под давлением мотоциклов

Литые формы для мотоциклов часто требуют От 4 до 8 скользящих ядер на каждую половину формы для создания отверстий, резьбовых выступов и подрезов, характерных для компонентов двигателя и рамы. Пресс-форма картера 4-цилиндрового двигателя может содержать 12 или более отдельных слайдов а на проектирование, изготовление и проверку уходит 6–9 месяцев. Затраты на оснастку для полного набора штампов для картера обычно варьируются от От 80 000 до 250 000 долларов США , в зависимости от сложности детали и количества полостей.

Герметичность является непреложным требованием к компонентам двигателя мотоцикла. Уровень пористости должен контролироваться ниже 0,5% по объему для маслоемких деталей; это приводит к использованию вакуумного литья под давлением (VADC) для критических компонентов двигателя, что требует герметизации и вакуумирования формы перед каждым выстрелом.

Пресс-форма для литья под давлением алюминия для машиностроения: промышленное применение в тяжелых условиях

Машинные алюминиевые литые формы производит конструктивные и функциональные детали промышленного оборудования — корпуса гидронасосов, корпуса редукторов, крышки компрессоров, корпуса электродвигателей, пневмоклапанные коллекторы. Эти формы отличаются от форм для потребительских товаров по трем важным признакам: больший размер детали, более высокие требования к структурной целостности и более длительные производственные циклы.

Размер и тоннаж машины

Детали промышленного оборудования часто имеют большие размеры: коллекторы гидравлических клапанов могут весить 2–8 кг в литом виде, а корпуса электродвигателей для промышленных приводов могут весить более 15 кг. Для литья этих деталей требуются машины для литья под давлением с усилием смыкания От 1600 до 4400 тонн , по сравнению с 400–800 тоннами, типичными для мелких потребительских деталей. Сама форма может весить 5000–25000 кг и требуют использования мостового крана для установки и снятия.

Требования структурной целостности

Детали машинного оборудования, отлитые под давлением из алюминия, часто подвергаются динамическим нагрузкам, циклам давления и повышенным температурам при эксплуатации. Это предъявляет строгие требования к самой отливке и, соответственно, к форме, в которой ее производят:

• Системы ворот и направляющих разработаны с учетом компьютерный анализ потока (с использованием программного обеспечения, такого как MAGMASOFT или Flow-3D), чтобы минимизировать пористость, вызванную турбулентностью, в несущих секциях.
• Контуры охлаждения пресс-формы спроектированы с использованием конформные каналы охлаждения — следование контуру полости — для достижения равномерного затвердевания и снижения термических напряжений в отливке
• Критические поверхности (уплотняющие поверхности, отверстия подшипников, зоны резьбы) отливаются 0,5–1,5 мм намеренного припуска для обработки после литья до конечного размера
• Рентгеновский и компьютерный контроль образцов отливок является стандартной практикой при аттестации пресс-форм; Критерии приемлемости пористости обычно определяются согласно спецификации заказчика (например, ISO 10049 или ASTM E505).

Характеристики производственного цикла

В отличие от автомобильных кузовных панелей, которые производятся миллионами единиц в год, компоненты машин часто требуют 5 000–100 000 деталей в год — сделать инвестиции в пресс-формы значимым фактором на единицу продукции. Одногнездная алюминиевая литая форма с полными направляющими и вакуумным усилителем обычно стоит 50 000–180 000 долларов США . При меньших годовых объемах это амортизируется в течение более длительного периода, что делает долговечность и ремонтопригодность пресс-форм особенно важными. Поэтому проектировщики пресс-форм для машиностроения отдают предпочтение более тяжелым секциям стенок, более консервативным конструкциям охлаждения и легко заменяемым изнашиваемым компонентам в зонах ворот и направляющих.

Процесс производства литейных форм: от проектирования до первого выстрела

Понимание того, как изготавливается форма для литья под давлением, помогает покупателям и инженерам установить реалистичные ожидания в отношении времени выполнения заказа, стоимости и квалификации. Этот процесс одинаков для алюминия, магния и мотоциклов, хотя сложность и продолжительность различаются.

1. Обзор конструкции детали и DFM (Проектирование для технологичности): Проектировщик пресс-формы просматривает чертеж детали и рекомендует внести изменения в углы уклона, переходы толщины стенок и размещение линий разъема, прежде чем приступить к работе с оснасткой.
2. Моделирование течения пресс-формы: Программное моделирование прогнозирует структуру заполнения, захват воздуха, последовательность затвердевания и потенциальную усадочную пористость; система ворот и направляющих оптимизируется еще до резки стали
3. 3D-проектирование пресс-форм (САПР): Моделируется полная сборка пресс-формы, включая все направляющие, подъемники, контуры охлаждения и систему эжектора; типичное время проектирования сложных форм составляет 3–8 недель.
4. Заготовка стали и черновая механическая обработка: Основание формы и блоки вставок приобретаются в виде предварительно закаленных или отожженных заготовок; грубая обработка удаляет сыпучий материал с точностью до 0,5–1 мм от окончательных размеров.
5. Термическая обработка: Пластины закалены до требуемого значения (обычно 44–48 HRC для H13); отпуск для снятия напряжений при температуре 560–600°С проводят после черновой обработки и повторно после чистовой обработки.
6. Чистовая обработка (фрезерная обработка с ЧПУ и электроэрозионная обработка): Детали полости и сердечника обрабатываются с использованием 5-осевых фрезерных станков с ЧПУ для доступных поверхностей и электроэрозионной обработки с проволокой/торобом для глубоких полостей, тонких ребер и острых внутренних углов; чистота поверхности Ra 0,4–0,8 мкм достигается на видимых поверхностях класса А.
7. Обработка поверхности: Азотирование, PVD-покрытие или полировка в соответствии с указаниями.
8. Сборка и пробные снимки (Т1): Пресс-форма собрана и установлена для первого испытания; первоначальные снимки оценивают заполнение, вспышку, высвобождение и соответствие размеров; Перед утверждением производства обычно проводят 2–4 пробных раунда.

Общее время выполнения заказа от заказа пресс-формы до утверждения производства варьируется от 8 недель (простой однокаретный) чтобы 6 месяцев (сложная многозадвижная конструктивная часть) . Спешка с соблюдением сроков — особенно термообработка и пробные испытания — является основной причиной преждевременного выхода из строя пресс-формы и несоответствия размеров на производстве.

Факторы, определяющие стоимость и срок службы литой формы

Инвестиции в пресс-формы для литья под давлением — одна из крупнейших первоначальных затрат в любом проекте крупносерийного литья. Понимание того, что влияет на стоимость и что продлевает или сокращает срок службы пресс-формы, позволяет покупателям принимать более обоснованные решения о выборе поставщиков и проектировании.

Основные факторы затрат

• Сложность детали: Количество направляющих, подъемников и подрезов является крупнейшим фактором, определяющим время обработки и стоимость пресс-формы.
• Количество полостей: Пресс-форма с 4 полостями, производящая четыре детали за один прием, стоит примерно в 2,5–3 раза дороже, чем пресс-форма с одной полостью для той же детали, но значительно снижает стоимость цикла изготовления детали при больших объемах.
• Марка стали: Премиум VAR H13 стоит на 40–60 % дороже, чем стандартный H13, но обычно обеспечивает вдвое больший срок службы.
• Класс отделки поверхности: Оптические поверхности класса А требуют полировки до Ra 0,05–0,1 мкм, что значительно увеличивает время ручной полировки.
• Интеграция вакуумного помощника: Герметизация формы для VADC увеличивает стоимость оснастки на 10–20 %, но часто является обязательной для конструкционных или герметичных деталей.

Основные причины преждевременного выхода из строя пресс-формы

• Термическое усталостное растрескивание (термическая проверка): Самый распространенный вид отказа; мелкие поверхностные трещины, перпендикулярные грани штампа, появляются после многократного термоциклирования; ускорение из-за неправильного предварительного нагрева матрицы или чрезмерной закалки водой между выстрелами
• Пайка: Химическое соединение алюминия со сталью штампа, особенно в местах литников и в зонах с высокой скоростью металла; вызывает повреждение поверхности и прилипание деталей
• Эрозия: Механический износ поверхностей полостей высокоскоростным расплавленным металлом; концентрация у ворот и резкие изменения направления бегуна
• Сильное растрескивание или поломка: Вызвано недостаточной ударной вязкостью стали литейной формы, переупрочнением или механическим воздействием во время обращения.
• Ненадлежащее обслуживание: Пропуск плановой очистки, смазки направляющих и повторного азотирования в середине срока службы сокращает срок службы на 30–50% по сравнению с эквивалентной формой, обслуживаемой должным образом