TL;DR

A mechanikai megmunkálásra történő tervezés nyomásos öntési alkatrészek esetében egy kritikus mérnöki szakterület, amely a gyártáskönnyítés (DFM) elveit alkalmazza az alkatrész optimalizálására a kezdeti öntési folyamat és a szükséges másodlagos megmunkálások szempontjából egyaránt. A siker kulcsa az, hogy összhangba hozzuk az olvasztott fém zavartalan áramlását és az alkatrész könnyű kiejtését biztosító jellemzőket – például dőlésszögek, egységes falvastagság és nagy sugarú lekerekítések – a poszt-megmunkáláshoz szükséges követelményekkel, mint például elegendő anyagfogás biztosítása szoros tűréshatárokhoz. Ez az integrált megközelítés elengedhetetlen a költségek csökkentéséhez, a hibák minimalizálásához, valamint egy minőségi és gazdaságos végső termék létrehozásához.

Nyomásos öntési alkatrészek gyártáskönnyítési (DFM) alapelvei

A sikeres nyomásos öntési alkatrészek tervezésének központi eleme a gyártáskönnyítés (DFM) módszertana. Erről szól egy kezdőknek szóló útmutató a Dynacast-tól , a DFM a gyártásbarát tervezés gyakorlatát jelenti, amelynek célja az alkatrészek minél hatékonyabb és költséghatékonyabb módon történő előállítása. A fő célok közé tartozik az anyagmennyiség csökkentése, a súly minimalizálása, és különösen fontos, hogy korlátozzák a másodlagos műveletek, például a megmunkálás szükségességét, amely jelentős részét képezheti az alkatrész teljes költségének. A lehetséges gyártási problémák tervezési szakaszban történő időben történő kezelésével a mérnökök megelőzhetik a későbbi, költséges javításokat.

A DFM egyik kulcsfontosságú stratégiai döntése a megmunkálás és az öntés közötti választás, különösen akkor, ha figyelembe vesszük a termék teljes életciklusát a prototípustól a tömeggyártásig. A megmunkálás a prototípuskészítés bajnoka, mivel gyorsaságot és rugalmasságot kínál. Egy CAD-fájlból napok alatt fizikai alkatrész készíthető, lehetővé téve a gyors iterációt anélkül, hogy jelentős előzetes ráfordítás szükséges lenne az eszközökbe. Ugyanakkor a megmunkálás darabjegyben drága. Ezzel szemben az öntés a gyártás motorja. Bár jelentős kezdeti beruházást igényel az eszközökbe – amely gyakran 20–25 hetes átfutási időt jelent – az egységköltség jelentősen csökken nagy mennyiségek esetén, ahogyan azt a a Modus Advanced stratégiai elemzése kiemeli .

Ez a gazdasági kompromisszum gyakran egy „kétféle tervezési megközelítéshez” vezet. Egy prototípus-tervet optimalizálnak a CNC-megmunkálásra, lehetővé téve az éles sarkokat és változó falvastagságokat, amelyek megkönnyítik a gyors tesztelést. Egy külön, sorozatgyártáshoz alkalmas tervet pedig öntésbarát jellemzőkkel, például kihúzási hajlásszögekkel és egységes falvastagságokkal hoznak létre. Ennek a különbségnek az ismerete alapvető fontosságú az időkeretek és költségvetések hatékony kezelése érdekében.

Az alábbi táblázat bemutatja a tipikus darabköltség-különbségeket a megmunkálás és az öntés között különböző gyártási mennyiségek esetén, szemléltetve az öntés egyértelmű gazdasági előnyét nagyobb méretekben.

Alapvető nyomásos öntvény-tervezési elvek a megmunkálhatóság érdekében

Egy sikeres, megmunkálásra is alkalmas nyomásos öntvény létrehozása számos alapvető tervezési elv alkalmazásán múlik. Ezek az elvek szabályozzák, hogy a folyékony fém hogyan áramlik az öntőforma belsejébe, hogyan hűl le és hogyan kerül kiürítésre, miközben előre figyelembe veszik a szükséges utómunkálatokat. Ezen fogalmak elsajátítása elengedhetetlen a hatékony, erős és nagy minőségű alkatrészek gyártásához.

Elválasztó vonalak és kihúzási hajlásszögek

A elválasztási vonal az a pont, ahol az öntőforma két fele találkozik. Helyének kiválasztása az egyik legelső és legfontosabb döntés, mivel befolyásolja a perem (a levágandó felesleges anyag) helyét és az eszköz komplexitását. Ajánlott gyakorlat, hogy az elválasztó vonalakat olyan éleken helyezzék el, amelyek könnyen hozzáférhetők a levágáshoz. Egy szorosan kapcsolódó, alapvető fontosságú jellemző pedig a a merítőszög , amely egy enyhe lejtés azokon a felületeken, amelyek párhuzamosak az öntőforma mozgásával. Ez a lejtés, általában 1–2 fok alumínium esetén, elengedhetetlen ahhoz, hogy az alkatrészt sérülés nélkül ki lehessen dobni, illetve ne okozzon túlzott kopást az eszközön, mint ahogyan azt a egy kezdőknek szóló útmutató a Dynacast-tól . belső falak nagyobb kihajlítást igényelnek, mint a külső falak, mivel az öntött darab hűlés közben rázsugorodik ezekre.

Egyforma falvastagság

Az alkatrész falvastagságának egységesen tartása talán a legfontosabb szabály az öntőszerszám-tervezés során. A nem egységes falak egyenetlen hűlést okoznak, ami hibákhoz vezethet, például pórusossághoz, zsugorodáshoz és torzuláshoz. A vastagabb részek hosszabb ideig szilárdulnak meg, növelve ezzel az ciklusidőt és belső feszültségeket hozva létre. Ha a falvastagság változása elkerülhetetlen, akkor fokozatos átmenetekkel kell megoldani. A vékonyabb elemek, például a támasztók egységes vastagságának fenntartásához a tervezőknek ki kell vájni azokat, és erősítő bordákat kell hozzáadniuk, ahelyett, hogy tömör anyagtömbként hagynák őket.

Lekerekítések, görbületi sugarak és bordák

A hegyes sarkok károsak mind az öntési folyamat, mind a végső alkatrész integritása szempontjából. Fillets (lekerekített belső sarkok) és lekerekítések (lekezezett külső sarkok) elengedhetetlenek a sima olvadt fémáramlás elősegítéséhez, valamint a sablon és az öntött alkatrész feszültségkoncentrációjának csökkentéséhez. A nagyobb lekerekítések megakadályozzák az áramlás zavarait az injektálás során, és megszüntetik a másodlagos tövisek eltávolítását igénylő műveletek szükségességét. Csíkok a bordák szerkezeti merevítések, amelyek növelik a vékony falak szilárdságát, anélkül, hogy jelentősen növelnék az anyagmennyiséget vagy a súlyt. Emellett csatornakként is működnek, segítve a fém beáramlását a sablon távolabbi területeire. Az optimális feszültségeloszlás érdekében gyakran ajánlott páratlan számú bordát alkalmazni.

Az alábbi táblázat összefoglalja ezen alapvető tervezési elemekre vonatkozó legjobb gyakorlatokat.

Stratégiai megfontolások a megmunkáló műveletek után

Bár a DFM célja, hogy a forma közvetlenül a sablonból készüljön el, gyakran szükség van utómegmunkálásra olyan funkciók eléréséhez, amelyeket az öntés nem tud előállítani, például menetes furatok, rendkívül sík felületek vagy az öntési tűréshatároknál szigorúbb tűrések. Egy sikeres tervezés eleve figyelembe veszi ezeket a másodlagos műveleteket. A kulcs az, hogy az öntést és a megmunkálást kiegészítő folyamatokként kezeljük, nem pedig elkülönült lépésekkel.

Az egyik legfontosabb szempont elegendő megmunkálási ráhagyás . Ez azt jelenti, hogy az öntött alkatrészt extra anyaggal tervezik azokon a területeken, amelyeket később meg kell majd munkálni. Ugyanakkor itt egy finom egyensúlyra van szükség. Ha túl sok anyagot távolítanak el, felszín alatti pórusosság kerülhet elő, ami számos fröccsöntött alkatrész esetében jellemző. Egy gyakori gyakorlat – ahogyan egy útmutató is említi – az, hogy éppen elegendő ráhagyást hagyjanak, hogy tisztára lehessen dolgozni a felületet és elérni a végső méretet anélkül, hogy túl mélyre vágnának az alkatrész belsejébe. Ez a ráhagyás általában 0,015" és 0,030" között van. A félreértések elkerülése érdekében egyes tervezők két külön rajzot készítenek: egyet az „öntött állapotú” alkatrészről, és egy másikat a „végső, megmunkált” alkatrészt illetően. General Die Casters , hogy elegendő anyag maradjon a felület tisztításához és a végső méret eléréséhez anélkül, hogy túl mélyre vágnánk a alkatrész belsejébe. Ez az anyagmennyiség általában 0,015" és 0,030" között van. A félreértések elkerülése érdekében egyes tervezők két külön rajzot készítenek: egyet a "nyersöntvény" alkatrészről és egy másikat a gépi megmunkálás utáni "végső, befejezett" alkatrészt illetően.

A rész geometriáját a fizikai hozzáférhetőségre is ki kell tervezni. Ez magában foglalja a stabil, sík felületek biztosítását, amelyek lehetővé teszik a darab szoros rögzítését CNC gépen. Továbbá a tervezőknek stratégiai helyre kell elhelyezniük az elemeket, például az anyagkioldó csapokat, oly módon, hogy azok ne kerüljenek a megmunkálandó felületek közelébe, elkerülve ezzel a esztétikai hibákat vagy a vágószerszámok akadályoztatását. Minden tervezési döntést értékelni kell annak hatása alapján a öntőforma és a következő megmunkáló berendezések tekintetében.

Annak érdekében, hogy segítsük a két folyamat közötti átmenetet, kövesse az alábbi ellenőrzőlista pontjait egy megmunkálásra kész hidegkamrás öntési tervezéshez:

• Azonosítsa korán a megmunkálandó jellemzőket: Egyértelműen határozza meg, mely felületeket és jellemzőket kell megmunkálni szigorú tűréshatárok, síkság vagy menetek érdekében.
• Adjon hozzá megfelelő megmunkálási ráhagyást: Tartalmazzon plusz anyagot (pl. 0,5 mm-től 1 mm-ig) a megmunkálandó felületeken, de kerülje a túlzott ráhagyást, amely porozitást fedhetne fel.
• Rögzítésre tervezés: Győződjön meg arról, hogy a darabnak stabil, párhuzamos felületei vannak, amelyek könnyen és megbízhatóan befoghatók CNC műveletekhez.
• Az ejector csapok helyének optimalizálása: Helyezze az ejector csapokat nem kritikus, nem megmunkált felületekre, például bordákra vagy támasztókra, hogy elkerülje a nyomokat a befejezett felületeken.
• Eszköz hozzáférhetőségének figyelembevétele: Győződjön meg arról, hogy a megmunkálásra szánt területekhez standard vágószerszámok hozzáférhessenek összetett beállítások nélkül.
• Referenciapontok konzisztenciájának megtartása: Használja ugyanazokat a referenciapontokat az öntési és a megmunkálási rajzoknál is a méretpontosság biztosítása érdekében.

Anyagválasztás: hatása az öntésre és a megmunkálhatóságra

Az ötvözet kiválasztása egy alapvető döntés, amely jelentősen befolyásolja az öntvény kialakítását és annak későbbi megmunkálhatóságát. A különböző fémek eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek folyékonyság, zsugorodás, szilárdság és keménység tekintetében, amelyek mindent meghatároznak a minimális falvastagságtól a szükséges meredekségi szögekig. A die casting (formanyomásos öntés) során leggyakrabban használt ötvözetek az alumínium, a cink és a magnézium, melyek mindegyike más-más kompromisszumokat kínál.

Az alumíniumötvözetek, mint például az A380, népszerűek kiváló szilárdságuk, könnyűségük és hővezető-képességük miatt. Számos gépjárműipari és ipari alkalmazás elsődleges választása. A cinkötvözetek, mint például a Zamak 3, kitűnő folyékonysággal rendelkeznek, amely lehetővé teszi számukra, hogy rendkívül vékony falakat töltsenek ki, és kiváló felületminőségű, bonyolult geometriákat hozzanak létre. A cink kevesebb kopást okoz az öntőformában, így hosszabb élettartamú szerszámokat eredményez. A magnézium a legkönnyebb az általános szerkezeti fémek között, így ideális választás olyan alkalmazásokhoz, ahol a súlycsökkentés elsődleges fontosságú, bár kezelése nehezebb lehet.

Az anyagválasztás közvetlenül befolyásolja a tervezési szabályokat. Például az iparági útmutatók szerint a cink önthető olyan alacsony, mindössze 0,5 fokos kihúzási szöggel és vékonyabb falvastagsággal, míg az alumínium esetében általában 1–2 fokos kihúzási szög és kissé vastagabb szakaszok szükségesek. Amikor nagy igénybevételnek kitett alkalmazásokhoz választunk anyagot, különösen az autóiparban, érdemes megjegyezni, hogy más gyártási eljárások, például a kovácsolás lehetnek alkalmasabbak. Például a precíziós kovácsolt autóipari alkatrészeket szakosodott vállalatok szállíthatnak olyan alkatrészeket, amelyek kiváló szilárdsággal és hosszú élettartammal rendelkeznek kritikus alkalmazásokhoz.

Az alábbi táblázat összehasonlítja a gyakori öntöttömalumín ötvözeteket a kiválasztási folyamat segítése céljából.

A öntés és a megmunkálás egyensúlyozása a siker érdekében

Végül is a megmunkálásra történő tervezés kiválósága az öntött alkatrészeknél egy átfogó megközelítésen alapul. Szükséges elhagyni a szigetszerű gondolkodásmódot, amelyben az öntést és a megmunkálást külön problémaként kezelik. Ehelyett a tervezőknek ezt két integrált szakaszaként kell tekinteniük egyetlen gyártási stratégiának. A legköltséghatékonyabb és legjobb teljesítményű alkatrészek olyan tervezésből származnak, amely elegánsan megfelel mindkét folyamat igényeinek.

Ez azt jelenti, hogy elfogadjuk a DFM alapelveit: törekszünk az egységes falvastagságra, bővítjük az áthúzási szögeket és lekerekítéseket, valamint mindenhol megpróbáljuk minimalizálni az összetettséget. Ugyanakkor stratégiai tervet kell készíteni a szükséges másodlagos műveletekre, például megmunkálási hozzáadott anyag beépítésével, biztonságos rögzítés céljából történő tervezéssel, és a kritikus alapfelületek konzisztenciájának fenntartásával. A megfelelő anyagválasztáson alapuló döntések és a kis sorozatszámú megmunkálás, illetve nagy sorozatszámú öntés közötti gazdasági kompromisszumok megértése lehetővé teszi az mérnökök számára, hogy hatékonyan és magabiztosan haladjanak el a prototípustól a gyártásig.

Gyakran Ismételt Kérdések

1. Mi a leggyakoribb hiba az öntőszerszám-tervezésben?

A leggyakoribb hiba a nem egységes falvastagság. A hirtelen változás a vékony és vastag szakaszok között egyenletes hűlés hiányához vezet, amely számos problémát okozhat, mint például pórusosság, süllyedési nyomok és belső feszültségek, amelyek veszélyeztethetik az alkatrész szerkezeti integritását.

2. Mennyi anyagot kell hagyni utómegmunkálási művelethez?

Általános szabály, hogy 0,015 és 0,030 hüvelyk (vagy 0,4 mm és 0,8 mm) közötti plusz anyagot, gyakran gépelt darabként emlegetett mennyiséget hagyjunk. Ez általában elegendő ahhoz, hogy egy vágószerszám tiszta, pontos felületet hozhasson létre anélkül, hogy olyan mélyre vágná magát, hogy a munkadarab belső pórusait feltárja.

3. Miért rosszak az éles belső sarkok a nyomásos öntésnél?

Az éles belső sarkok több problémát is okoznak. Akadályozzák a forró fém áramlását, ami örvénylést és lehetséges hibákat eredményezhet. Emellett feszültségösszpontosulást okoznak a kész alkatrészen és magán az acélöntőformán is, amely repedésekhez és a szerszám túl korai meghibásodásához vezethet. A lekerekített sarkok (fílek) használata elengedhetetlen a minőség és a szerszám élettartama szempontjából.