SHRNUTÍ

Navrhování obrábění u tlakově litých dílů je klíčová inženýrská disciplína, která aplikuje principy návrhu pro výrobnost (DFM) za účelem optimalizace součásti jak pro počáteční proces lití, tak pro případné sekundární obrábění. Úspěch závisí na vyvážení prvků zajišťujících hladký tok kovu a snadné vyhazování dílu – jako jsou vyjímky, rovnoměrná tloušťka stěn a široké zaoblení – a zároveň na zohlednění následného obrábění, například přidáním dostatečného materiálového přídavku pro přesné tolerance. Tento integrovaný přístup je nezbytný pro snížení nákladů, minimalizaci vad a vytvoření kvalitního a ekonomického finálního produktu.

Základy návrhu pro výrobnost (DFM) u tlakově litých dílů

Základem vytváření úspěšných tlakově litých komponent je metodika návrhu pro výrobnost (DFM). Jak je vysvětleno v úvodním průvodci od Dynacast , DFM je postup navrhování dílů tak, aby byly vyráběny co nejefektivněji a nejekonomičtěji. Hlavním cílem je snížit objem materiálu, minimalizovat hmotnost a zejména omezit potřebu sekundárních operací, jako je obrábění, které může představovat významnou část celkových nákladů na díl. Řešením potenciálních výrobních problémů již v počáteční fázi návrhu mohou inženýři zabránit nákladným opravám později.

Klíčovým strategickým rozhodnutím při návrhu pro výrobu je volba mezi obrábkou a litím, zejména pokud vezmeme v úvahu celý životní cyklus produktu od prototypu až po hromadnou výrobu. Obrábění dominuje při tvorbě prototypů, protože nabízí rychlost a flexibilitu. Soubor CAD lze během několika dní převést na fyzickou součástku, což umožňuje rychlé iterace bez nutnosti významných počátečních investic do nástrojů. Obrábění je však nákladné na základě jednotlivých dílů. Naopak lití je silnou stránkou při výrobě sériové. Ačkoli vyžaduje výraznou počáteční investici do nástrojů – často s dodacími lhůtami 20–25 týdnů – cena za kus prudce klesá při vysokých objemech, jak zdůraznil strategickou analýzu společnosti Modus Advanced .

Tento ekonomický kompromis často vede ke „dvoufázovému přístupu návrhu“. Návrh prototypu je optimalizován pro CNC obrábění, umožňuje ostré rohy a proměnné tloušťky stěn, které usnadňují rychlé testování. Samostatný výrobní návrh je poté vytvořen s vlastnostmi vhodnými pro odlévání, jako jsou vyjímací úhly a rovnoměrné stěny. Porozumění tomuto rozdílu je životně důležité pro efektivní řízení časových plánů a rozpočtů.

Následující tabulka ilustruje typické náklady na díl při různých objemech výroby pro obrábění a odlévání, které ukazují jasnou ekonomickou výhodu odlévání ve velkém měřítku.

Základní principy konstrukce jádrových tlakově litých dílů pro obrobitelnost

Úspěšný tlakem litý díl, který je také připraven k obrábění, závisí na sadě základních konstrukčních principů. Tato pravidla řídí, jak se tavená kovová hmota dostává do formy, chladí a vystřikuje, a to při zohlednění jakýchkoli potřebných dokončovacích úprav. Zvládnutí těchto pojmů je nezbytné pro efektivní výrobu odolných a vysoce kvalitních komponentů.

Rozdělovací roviny a úkosy

The rozdělovací linka je místo, kde se obě poloviny formy setkávají. Umístění rozdělovací roviny je jedním z prvních a nejdůležitějších rozhodnutí, protože ovlivňuje umístění odlitku (přebytečného materiálu, který je nutno odstranit) a složitost nástroje. Jako osvědčený postup by měly být rozdělovací roviny umisťovány na hrany, které jsou snadno přístupné pro odřezávání. Důležitou související vlastností je vytažení pod úhlem , což je mírný sklon všech ploch rovnoběžných se směrem pohybu formy. Tento sklon, obvykle 1–2 stupně u hliníku, je nezbytný pro umožnění vyjmutí dílu bez poškození nebo nadměrného opotřebení nástroje, jak je uvedeno v úvodním průvodci od Dynacast . Vnitřní stěny vyžadují větší sklon než stěny vnější, protože kov při chladnutí smrští a tím se přitlačuje na ně.

Rovnoměrná tloušťka stěny

Zachování konstantní tloušťky stěn po celém dílu je patrně nejdůležitějším pravidlem při návrhu lití do forem. Nerovnoměrné stěny způsobují nerovnoměrné chladnutí, které vede k vadám, jako je pórovitost, smrštění a deformace. Silné části potřebují déle tuhnout, což prodlužuje cyklovací časy a vytváří vnitřní napětí. Pokud nelze změny tloušťky vyhnout, měly by být provedeny s postupnými přechody. Pro zachování jednotnosti u prvků, jako jsou sloupy, by měli navrhovatelé tyto prvky vykotvit a přidat žebra pro zvýšení pevnosti namísto toho, aby je ponechali jako plné bloky materiálu.

Zaoblení, poloměry a žebra

Ostré hrany jsou škodlivé jak pro proces lití, tak pro celistvost finální součásti. Zaoblení (zaoblené vnitřní rohy) a poloměry (zaoblené vnější rohy) jsou klíčové pro hladký tok taveného kovu a snížení koncentrace napětí v matrixu i odlitku. Štědře dimenzovaná kruhová oblouková zakončení zabraňují turbulenci během vstřikování a eliminují potřebu následných operací odstraňování otřepů. Pruhy jsou to tuhostní prvky, které zpevňují tenké stěny, aniž by výrazně zvyšovaly objem materiálu nebo hmotnost. Zároveň slouží jako kanály, které pomáhají kovu proniknout do vzdálenějších částí matrixu. Pro optimální rozložení napětí se často doporučuje použít lichý počet žeber.

Následující tabulka shrnuje osvědčené postupy pro tyto základní konstrukční prvky.

Strategické požadavky na následné obráběcí operace

I když cílem DFM je vytvořit díl přesně odpovídající konečnému tvaru přímo z lisu, často jsou následné obráběcí operace nezbytné pro dosažení prvků, které odlévání neumí vyrobit, jako jsou závitové díry, extrémně rovinné plochy nebo tolerance užší, než jaké odlévání umožňuje. Úspěšný návrh tyto sekundární operace předvídat od začátku. Klíčové je vnímat odlévání a obrábění jako doplňkové procesy, nikoli izolované kroky.

Jedním z nejdůležitějších aspektů je přidání dostatečného množství obráběcího přídavku - Ne, ne. To znamená, že se má vyrobit díl s použitím dodatečného materiálu v oblastech, které budou později obráběny. Nicméně, je tu delikátní rovnováha. Pokud se odstraní příliš mnoho materiálu, může se projevit podpovrchová porositost, která je charakteristická pro mnoho lisovaných dílů. V současné době se v Evropě používá General Die Casters , je ponechat jen dostatek zásob k vyčištění povrchu a dosažení konečného rozměru bez příliš hlubokého řezu jádra dílu. Tyto zásoby jsou obvykle v rozmezí od 0,015 do 0,030". Aby se zabránilo zmatku, některé konstruktory poskytují dva samostatné výkresy: jeden pro "vztyčenou" část a druhý pro "konečně dokončenou" část po obrábění.

Geometrie dílu musí být navržena také s ohledem na fyzickou přístupnost. To zahrnuje poskytnutí stabilních, rovných ploch pro pevné upnutí dílu do CNC stroje. Navíc musí konstruktéři strategicky umístit prvky, jako jsou vyhazovací kolíky, mimo plochy, které budou obráběny, aby se předešlo estetickým vadám nebo interference s nástroji. Každé konstrukční rozhodnutí by mělo být vyhodnoceno z hlediska jeho dopadu na lití formy i následné upínací zařízení pro obrábění.

Pro usnadnění propojení těchto dvou procesů postupujte podle tohoto kontrolního seznamu pro návrh tlakového lití připraveného na obrábění:

• Identifikujte obráběné prvky již v rané fázi: Jasně definujte, které plochy a prvky vyžadují obrábění pro dosažení přesných tolerancí, rovinnosti nebo závitů.
• Přidejte vhodný přídavek na obrábění: Zahrňte dodatečný materiál (např. 0,5 mm až 1 mm) na plochách určených k obrábění, ale vyhýbejte se nadměrnému přídavku, který by mohl odhalit pórovitost.
• Návrh upevnění: Zajistěte, aby díl měl stabilní, rovnoběžné plochy, které lze snadno a bezpečně upnout pro CNC operace.
• Optimalizujte umístění vyhazovacích kolíků: Umisťujte vyhazovací kolíky na necitlivé, nemachinované plochy, jako jsou žebra nebo náboje, aby nedošlo k poškození dokončených ploch.
• Zvažte přístupnost nástrojů: Ujistěte se, že oblasti vyžadující obrábění jsou dostupné běžným řezným nástrojům bez nutnosti složitých upínání.
• Udržujte konzistentní výchozí body: Používejte stejné referenční body pro odlévání i obrábění, aby byla zajištěna rozměrová přesnost.

Výběr materiálu: Vliv na lití a obrobitelnost

Volba slitiny je zásadní rozhodnutí, které výrazně ovlivňuje jak konstrukci odlitku, tak jeho následnou obrobitelnost. Různé kovy mají odlišné vlastnosti, jako je tekutost, smrštění, pevnost a tvrdost, které určují vše – od minimální tloušťky stěny po potřebné úhly vyjímání. Nejběžnějšími slitinami používanými při tlakovém lití jsou hliník, zinek a hořčík, z nichž každá nabízí specifické kompromisy.

Hliníkové slitiny, jako je A380, jsou oblíbené díky vynikající rovnováze mezi pevností, nízkou hmotností a tepelnou vodivostí. Jsou preferovanou volbou pro mnoho automobilových a průmyslových aplikací. Zinečité slitiny, jako je Zamak 3, nabízejí vynikající tekutost, díky které dokážou vyplnit extrémně tenké stěny a vytvářet složité, komplikované geometrie s vynikajícím povrchem. Zinek také způsobuje menší opotřebení formy, což vede k delší životnosti nástrojů. Hořčík je nejlehčí ze běžných konstrukčních kovů, což ho činí ideálním pro aplikace, kde je rozhodující snížení hmotnosti, i když s ním může být obtížnější pracovat.

Volba materiálu přímo ovlivňuje návrhová pravidla. Například podle odborných směrnic lze zinek odlévat s vyjímacími úhly až 0,5 stupně a tenčími stěnami, zatímco hliník obvykle vyžaduje 1–2 stupně sklonu a poněkud silnější průřezy. Při výběru materiálů pro aplikace za vysokého zatížení, zejména v automobilovém průmyslu, stojí za zmínku, že jiné výrobní procesy, jako je například kování, mohou být vhodnější. Například firmy specializující se na přesně opracované kované automobilové díly mohou poskytovat součástky s vyšší pevností a trvanlivostí pro kritické aplikace.

Níže uvedená tabulka porovnává běžné slitiny pro tlakové lití, aby pomohla s výběrem.

Vyvážení lití a obrábění pro úspěch

Zásadně pak spočívá excelentnost při navrhování konstrukcí pro obrábění tlakově odlitých dílů v komplexním přístupu. Vyžaduje to opuštění izolovaného myšlení, kdy jsou lití a obrábění považovány za oddělené problémy. Navrhování musí spíše tyto procesy chápat jako dva propojené stupně jediné výrobní strategie. Nejekonomičtější a nejkvalitnější součásti vznikají z konstrukce, která elegantně respektuje požadavky obou procesů.

To znamená, že je třeba přijmout základní principy DFM: usilovat o jednotnou tloušťku stěny, zahrnovat velkorysý průběh a filé a minimalizovat složitost, pokud je to možné. Současně zahrnuje strategické plánování pro nezbytné sekundární operace přidáním strojních materiálů, navrhováním pro bezpečné upevnění a udržováním konzistentnosti kritických dat. Díky informovanému výběru materiálů a pochopení ekonomických kompromisů mezi nízkým objemu obrábění a vysokým objemu odlití mohou inženýři s důvěrou a efektivitou procházet cestou od prototypu k výrobě.

Nejčastější dotazy

1. Jaká je nejčastější chyba při návrhu odlitků?

Nejčastější chybou je mít nerovnoměrnou tloušťku stěny. Náhlé změny z tenkých na tlusté části způsobují nerovnoměrné chlazení, což vede k řadě problémů, včetně porozity, značek propadů a vnitřních napětí, které mohou ohrozit strukturální integritu dílu.

2. Věříme, že Kolik materiálu by mělo zůstat pro následné obrábění?

Obecné pravidlo je ponechat mezi 0,015 až 0,030 palce (nebo 0,4 mm až 0,8 mm) přídavku materiálu, často označovaného jako obráběcí přídavek. To obvykle postačuje k tomu, aby nástroj mohl vytvořit čistý a přesný povrch, aniž by řezal tak hluboko, že by odhalil potenciální podpovrchovou pórovitost odlitku.

3. Proč jsou ostré vnitřní rohy špatné pro tlakové lití?

Ostré vnitřní rohy způsobují několik problémů. Ztěžují tok taveného kovu, což způsobuje turbulenci a možné vady. Zároveň působí jako koncentrátory napětí jak ve výsledné součásti, tak v samotné ocelové formě, což může vést ke vzniku trhlin a předčasnému poškození nástroje. Použití zaoblení (např. rádiusů) k vykružení těchto rohů je nezbytné pro kvalitu a životnost nástroje.