Как на самом деле происходит процесс литья под давлением от расплавленного металла до готовой детали?

В процессе литья под давлением расплавленный металл проходит через семь различных этапов, чтобы получить готовую металлическую деталь с точными размерами.

Литье под давлением — это не одно действие, а четко последовательный производственный цикл, в котором расплавленный металл превращается в прецизионный компонент всего за несколько минут. от 15 до 90 секунд . С момента плавления металла до момента, когда готовая деталь выходит из обрезного пресса, каждый этап контролируется температурой, давлением, временем и геометрией инструмента. Процесс начинается в печи и заканчивается проверкой, причем каждый промежуточный этап напрямую определяет, соответствует ли конечная отливка требованиям к размерам, конструкции и качеству поверхности.

Этап 1 — Плавка и выдержка металла: создание подходящего состояния расплава

Процесс начинается в плавильно-выдержочной печи, где слитки или переработанные отходы доводятся до точной рабочей температуры. Каждый сплав имеет определенное окно обработки:

• Алюминий (А380): 620–700 ° C (1148–1292 ° F)
• Цинк (Замак 3): 400–425 °С (752–797 °F)
• Магний (AZ91D): 640–680 ° C (1184–1256 ° F)

Постоянство температуры имеет решающее значение. А Отклонение ±10°C Температура расплава меняет вязкость, характеристики заполнения и скорость усадки, что напрямую влияет на повторяемость размеров. На этом этапе применяются обработка флюсом и дегазация (с использованием продувки азотом или аргоном) для уменьшения водородной пористости, которая является основным внутренним дефектом в алюминиевых отливках.

Этап 2. Подготовка штампа: закрытие, зажим и смазка

Прежде чем какой-либо металл попадет в машину, необходимо подготовить матрицу. Две половины матрицы — матрица с фиксированной крышкой и подвижная матрица выталкивателя — сводятся вместе и фиксируются силой гидравлического зажима. Сила зажима рассчитана так, чтобы превышать разделяющую силу, создаваемую давлением впрыска, действующим на выступающую область полости. , обычно следующее:

Усилие зажима (тонны) = Площадь проекции полости (дюйм²) × Давление впрыска (фунты на квадратный дюйм) ÷ 2000

Для типичной алюминиевой детали с проекционной площадью 50 кв. дюймов при давлении впрыска 10 000 фунтов на квадратный дюйм это дает минимальное усилие зажима 250 тонн . Машины меньшего размера прошивают линию разъема; Негабаритные машины увеличивают ненужные затраты на электроэнергию.

Распыление штампа и смазка

После каждого выстрела автоматизированные системы распыления наносят на все поверхности полости смазку для снятия матрицы на водной основе. Он выполняет три функции: предотвращает пайку (прилипание металла к стали штампа), контролирует температуру поверхности штампа и способствует извлечению детали. Время распыления обычно увеличивается на 3–8 секунд за цикл. и должен быть оптимизирован — чрезмерное распыление приводит к пористости пара и дефектам поверхности; недостаточное распыление ускоряет пайку и износ матрицы.

Этап 3 — Перенос металла: инъекция в горячей камере или в холодной камере

То, как расплавленный металл достигает полости матрицы, зависит от того, какой из двух типов процесса литья под давлением используется. Это наиболее фундаментальное деление процесса литья под давлением.

В машинах с холодной камерой отмеренный объем расплавленного алюминия заливается в дробовую гильзу — горизонтальный стальной цилиндр, соединенный с матрицей. Затем инъекционный плунжер продвигается вперед, проталкивая металл в полость. Фаза медленного впрыска (скорость плунжера 0,1–0,5 м/с) плавно заполняет гильзу для минимизации воздухововлечения перед переключением на быстрый впрыск (2–5 м/с) для быстрого заполнения полости. .

Этап 4. Закачка и заполнение полостей: самый ответственный этап

Качество детали во многом определяется заполнением полости. Плунжер ускоряется до высокой скорости, прогоняя расплавленный металл через систему направляющих, мимо литника и в полость. Все это событие заполнения обычно занимает от 10 до 80 миллисекунд — быстрее, чем затвор фотоаппарата.

Трехфазный профиль впрыска

• Фаза 1 — Медленный выстрел: Плунжер медленно продвигается (0,1–0,5 м/с), чтобы протолкнуть металл к затвору, не задерживая воздух в дробовой втулке.
• Фаза 2 — Быстрый выстрел: Плунжер ускоряется до 2–5 м/с; металл поступает в полость со скоростью ворот 30–60 м/с, заполняясь за миллисекунды и предотвращая преждевременное затвердевание.
• Этап 3 — Интенсификация: После заполнения полости вторичный гидроусилитель увеличивает давление до 10 000–25 000 фунтов на квадратный дюйм для сжатия остаточной пористости и усадки сырья по мере затвердевания металла

Скорость литника является одним из наиболее строго контролируемых параметров при литье под давлением. Алюминиевые ворота обычно имеют размер, обеспечивающий скорость ворот 30–50 м/с. ; скорость ниже 25 м/с грозит холодным закрытием и сбоями в работе; Скорость выше 60 м/с вызывает эрозионный износ матрицы и дефекты турбулентности поверхности.

Этап 5 — Затвердевание и охлаждение: скорость и однородность имеют значение

После заполнения полости и приложения усиливающего давления металл начинает затвердевать на стенках матрицы с водяным охлаждением. Сталь кокиля отводит тепло от отливки со скоростью, которая определяет как время цикла, так и микроструктуру.

Время охлаждения обычно составляет 40–60% от общего времени цикла. . Алюминиевой отливке со стенкой 2 мм может потребоваться всего 3–5 секунд охлаждения; для сечения толщиной 6 мм может потребоваться 15–25 секунд. Инженеры по литью под давлением используют внутренние линии водяного охлаждения (перегородки, барботеры и фонтаны), расположенные на расстоянии 8–12 мм от поверхности полости, чтобы максимизировать отвод тепла.

Тепловой баланс и его влияние на качество деталей

Термически несбалансированная матрица, в которой одна секция нагревается сильнее другой, приводит к деформации деталей, нестабильной усадке и повышенной пористости в горячих зонах. Идеальная температура поверхности матрицы для литья алюминия под давлением составляет 180–250°C. , поддерживается равномерно по всей поверхности полости. Термопары, встроенные в матрицу, и инфракрасные тепловизионные камеры используются в производстве для контроля и коррекции теплового дрейфа.

Этап 6 — Извлечение: извлечение детали без повреждений

Когда отливка достаточно затвердела, чтобы сохранять свою форму под действием сил выталкивания, подвижная половина матрицы втягивается, а выталкивающая пластина выдвигается вперед, вталкивая выталкивающие штифты из закаленной стали в поверхность отливки, чтобы освободить ее от матрицы. Размещение выталкивающего штифта является важным проектным решением:

• Пины должны контактировать прочные, некосметические поверхности — выступы, ребра или система направляющих — чтобы не оставлять следов на видимых поверхностях
• Сила выброса распределяется через несколько штифтов, чтобы предотвратить локализованную деформацию тонких срезов, температура которых все еще немного превышает температуру солидуса.
• Углы уклона 1–3° по алюминию, 0,5–1° по цинку встроены в вертикальные стенки, что позволяет отливке аккуратно отделяться, не истирая и не разрывая

Выброшенная отливка, называемая «дропом», по-прежнему включает в себя литниковую систему, бисквит (затвердевший металлический диск из дробовой втулки) и переливные колодцы. Этот полный снимок может весить на 20–40% больше готовой детали один.

Этап 7. Обрезка, обработка и проверка: преобразование кадра в готовую деталь.

Выброшенная дробь переходит к операциям постобработки, которые превращают необработанную отливку в пригодный для использования компонент.

Обрезка

Специальная обрезная матрица — стальной пресс-инструмент, соответствующий геометрии отливки — срезает бегун, бисквит, переливы и любые заусенцы за один ход пресса. Обрезка typically takes 2–5 seconds и часто встроен в литейную камеру. Обрезные отходы транспортируются непосредственно обратно в плавильную печь для переработки.

Вторичная обработка

При литье под давлением часто требуется сверление, нарезание резьбы, расточка или фрезерование на станках с ЧПУ сопрягаемых поверхностей и отверстий. Поскольку отливка имеет форму, близкую к чистой, Удаление припуска обычно составляет 0,3–0,8 мм на поверхность. — намного меньше, чем отливки из песка, для которых может потребоваться 2–4 мм очистительной массы.

Обработка поверхности

В зависимости от применения отливки подвергаются одной или нескольким поверхностным обработкам:

• Дробеструйная обработка: Очищает поверхность от накипи и улучшает адгезию покрытия.
• Анодирование (алюминий): Образует твердый оксидный слой толщиной 5–25 мкм, обеспечивающий устойчивость к коррозии и износу.
• Порошковая покраска или жидкая краска: Наносится поверх конверсионных покрытий из хромата или фосфата цинка для защиты цвета и наружной защиты.
• Гальваника (цинковые отливки): Хромирование или никелирование для декоративной фурнитуры.

Инспекция и проверка качества

Окончательная проверка перед отправкой подтверждает, что отливка соответствует всем требованиям к чертежам:

• КИМ (координатно-измерительная машина): Проверяет критические размеры с точностью ±0,01 мм на первых изделиях и образцах периодического производства.
• Рентгеновское/КТ сканирование: Обнаруживает внутреннюю пористость, усадочные пустоты и холодные затворы, невидимые при поверхностном осмотре — обязательно для герметичных или конструкционных отливок
• Испытание давлением: Гидравлические или пневматические испытания на герметичность при давлении 2–10 бар для отливок, используемых в жидкостных системах.
• Визуальный и тактильный осмотр: Обработка поверхности, наличие заусенцев, отметки на выталкивателе и приемка внешнего вида в соответствии с согласованными стандартами.

Полная разбивка времени цикла для типичного литья алюминия под давлением

Время охлаждения доминирует в цикле, поэтому конструкция контура охлаждения штампа является основным рычагом сокращения времени цикла и увеличения производительности машины. Сокращение времени охлаждения всего на 5 секунд при 45-секундном цикле увеличивает производительность более чем на 12 % — без дополнительных капиталовложений.