STRESZCZENIE

Projektowanie pod kątem obróbki skrawaniem elementów odlewanych metodą ciśnieniową jest kluczową dziedziną inżynierii, w której zasady projektowania pod kątem produkowalności (DFM) są stosowane w celu zoptymalizowania komponentu zarówno dla początkowego procesu odlewania, jak i dla wszelkich wymaganych dodatkowych operacji skrawania. Sukces zależy od znalezienia równowagi między cechami zapewniającymi płynny przepływ metalu i łatwe wyjmowanie detalu – takimi jak pochylenia formy, jednolita grubość ścianek oraz odpowiednio duże zaokrąglenia – a koniecznością pozostawienia wystarczającej ilości materiału na późniejszą obróbkę skrawaniem, np. dla szczegółów wymagających ścisłych tolerancji. Takie kompleksowe podejście jest niezbędne do obniżenia kosztów, minimalizacji wad i uzyskania wysokiej jakości oraz opłacalnego produktu końcowego.

Podstawy projektowania pod kątem produkowalności (DFM) dla części odlewanych metodą ciśnieniową

Podstawą skutecznego projektowania komponentów odlewanych metodą ciśnieniową jest metodyka projektowania pod kątem produkowalności (DFM). Jak wyjaśniono w przewodniku dla początkujących firmy Dynacast , DFM to praktyka projektowania elementów w taki sposób, aby były wytwarzane w jak najbardziej efektywny i opłacalny sposób. Główne cele to zmniejszenie objętości materiału, minimalizacja masy oraz, co szczególnie ważne, ograniczenie potrzeby wykonywania operacji wtórnych, takich jak obróbka skrawaniem, które mogą stanowić znaczną część całkowitego kosztu elementu. Poprzez wczesne rozwiązywanie potencjalnych problemów produkcyjnych na etapie projektowania inżynierowie mogą zapobiec kosztownym naprawom w późniejszym czasie.

Kluczowym strategicznym wyborami w DFM jest decyzja między obróbką skrawaniem a odlewaniem, szczególnie przy uwzględnieniu całkowitego cyklu życia produktu – od prototypu po produkcję seryjną. Obróbka skrawaniem dominuje w fazie prototypowania, oferując szybkość i elastyczność. Plik CAD może stać się elementem fizycznym w ciągu kilku dni, umożliwiając szybką iterację bez znaczących początkowych nakładów na oprzyrządowanie. Jednakże koszt pojedynczego elementu uzyskanego metodą skrawania jest wysoki. Z kolei odlewanie to siłownik produkcji seryjnej. Choć wymaga znacznych początkowych inwestycji w oprzyrządowanie – często z czasem realizacji rzędu 20–25 tygodni – koszt jednostkowy gwałtownie spada przy dużych partiach, jak podkreśla analiza strategiczna firmy Modus Advanced .

Ten ekonomiczny kompromis często prowadzi do „podejścia dwuprojektowego”. Projekt prototypu jest optymalizowany pod kątem obróbki CNC, umożliwiając ostre narożniki i zmienne grubości ścianek, które ułatwiają szybkie testowanie. Oddzielny projekt produkcyjny tworzony jest następnie z cechami sprzyjającymi odlewaniu, takimi jak pochylenia wykroju i jednolite ścianki. Zrozumienie tej różnicy jest kluczowe dla skutecznego zarządzania harmonogramami i budżetami.

Poniższa tabela ilustruje typowe koszty na sztukę związane z obróbką i odlewaniem przy różnych wolumenach produkcji, pokazując wyraźną przewagę ekonomiczną odlewania w dużych seriach.

Podstawowe zasady projektowania odlewów ciśnieniowych pod kątem obrabialności

Pomyślny odlew ciśnieniowy, który jest również gotowy do dalszej obróbki, opiera się na zestawie podstawowych zasad projektowych. Te zasady regulują sposób wypełniania matrycy przez stopiony metal, jego schładzanie oraz wypuszczanie, jednocześnie przewidując wszelkie niezbędne zabiegi wykańczające. Opanowanie tych koncepcji jest kluczowe dla efektywnego wytwarzania wytrzymałych i wysokiej jakości komponentów.

Linie rozdziału i kąty wykroju

The linia rozdzielająca to miejsce, gdzie spotykają się dwie połowy formy. Wybór jej położenia to jedna z pierwszych i najważniejszych decyzji, ponieważ wpływa ona na lokalizację naddatku (nadmiaru materiału, który należy usunąć) oraz na złożoność narzędzia. Zgodnie z najlepszą praktyką linie rozdziału powinny być umieszczane na krawędziach łatwo dostępnych do przycięcia. Kluczowym powiązanym elementem jest kąt wyboju , co oznacza lekkie nachylenie wszystkich powierzchni równoległych do ruchu matrycy. To pochylenie, zazwyczaj od 1 do 2 stopni dla aluminium, jest niezbędne, aby umożliwić wyrzucenie elementu bez jego uszkodzenia lub nadmiernego zużycia narzędzia, co zaznaczono w przewodniku dla początkujących firmy Dynacast . Ściany wewnętrzne wymagają większego pochylenia niż ściany zewnętrzne, ponieważ metal kurczy się na nich podczas ochładzania.

Jednolita grubość ścianek

Utrzymanie stałej grubości ścianek w całym elemencie jest być może najważniejszą zasadą projektowania odlewania w formach metalowych. Niejednorodne ścianki powodują nierównomierne chłodzenie, co prowadzi do wad takich jak porowatość, skurcz i wyginanie. Grube sekcje potrzebują dłuższego czasu do skrzepnięcia, co wydłuża cykl oraz generuje naprężenia wewnętrzne. Jeśli zmiany grubości są nieuniknione, należy zapewnić stopniowe przejścia. Aby zachować jednolitość takich elementów jak gniazda, projektanci powinni je wydrążać i dodawać żeberka w celu wzmocnienia, zamiast pozostawiać je jako pełne bryły materiału.

Zaokrąglenia, promienie i żeberka

Ostre krawędzie są szkodliwe zarówno dla procesu odlewania, jak i dla integralności gotowego elementu. Zaokrąglenia (zaokrąglone narożniki wewnętrzne) oraz promienie (zaokrąglone narożniki zewnętrzne) odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu gładkiego przepływu stopionego metalu oraz zmniejszeniu koncentracji naprężeń w formie i odlewie. Generous promienie zapobiegają turbulencjom podczas wtrysku i eliminują potrzebę wtórnych operacji usuwania zadziorów. Żebra są wzmocnieniami strukturalnymi, które zwiększają wytrzymałość cienkich ścian bez znaczącego zwiększania objętości materiału czy wagi. Działają również jako kanały ułatwiające przepływ metalu do odległych obszarów formy. W celu optymalnego rozkładu naprężeń często zaleca się stosowanie nieparzystej liczby żeber.

Poniższa tabela zawiera najważniejsze praktyki dotyczące tych podstawowych cech projektowych.

Strategiczne zagadnienia operacji po obróbce odlewniczej

Chociaż celem DFM jest uzyskanie gotowego kształtu bezpośrednio z matrycy, często konieczna jest późniejsza obróbka mechaniczna, aby osiągnąć cechy, których nie można wytworzyć przez odlewanie, takie jak gwinty, szczególnie płaskie powierzchnie lub tolerancje węższe niż te możliwe do uzyskania w procesie odlewniczym. Pomyślny projekt zakłada te dodatkowe operacje już na początku. Kluczem jest traktowanie odlewania i frezowania jako procesów uzupełniających, a nie oddzielnych etapów.

Jednym z najważniejszych aspektów jest dodanie wystarczającej ilości półfabrykat do obróbki skrawaniem . Oznacza to projektowanie odlewu z dodatkowym materiałem w obszarach, które później będą poddawane obróbce skrawaniem. Istnieje jednak delikatna równowaga. Usunięcie zbyt dużej ilości materiału może odsłonić porowatość pod powierzchnią, która jest typowa dla wielu części odlewanych metodą kokilową. Powszechną praktyką, jak wspomniano w przewodniku firmy General Die Casters , jest pozostawienie takiej ilości półfabrykatu, która wystarczy do wyczeszczenia powierzchni i osiągnięcia końcowych wymiarów, bez nadmiernego zagłębiania się w rdzeń elementu. Ilość ta zwykle mieści się w zakresie od 0,015" do 0,030". Aby uniknąć nieporozumień, niektórzy projektanci dostarczają dwa osobne rysunki: jeden dla części 'jak-odlanej' oraz drugi dla części 'końcowo-obrobionej' po obróbce skrawaniem.

Geometria części musi również zapewniać fizyczną dostępność. Obejmuje to dostarczanie stabilnych, płaskich powierzchni do mocowania części w maszynie CNC. Ponadto projektanci muszą strategicznie rozmieszczać elementy takie jak sztyfty wybijakowe z dala od powierzchni, które będą frezowane, aby uniknąć wad estetycznych lub zakłóceń pracy narzędzi tnących. Każda decyzja projektowa powinna być oceniana pod kątem jej wpływu na formę odlewniczą oraz na kolejne oprzyrządowanie do obróbki.

Aby pomóc pokonać lukę między tymi dwoma procesami, postępuj zgodnie z poniższą listą kontrolną dotyczącą projektu odlewania pod ciśnieniem gotowego do obróbki skrawaniem:

• Wczesne identyfikowanie powierzchni przeznaczonych do obróbki: Wyraźnie określ, które powierzchnie i cechy wymagają obróbki ze względu na ścisłe tolerancje, płaskość lub gwinty.
• Dodaj odpowiedni nadmiar materiałowy do obróbki: Dołącz dodatkowy materiał (np. 0,5 mm do 1 mm) na powierzchniach przeznaczonych do obróbki, ale unikaj nadmiernego nadmiaru, który mógłby odsłonić porowatość.
• Projektowanie pod zamocowanie: Upewnij się, że część posiada stabilne, równoległe powierzchnie, które można łatwo i bezpiecznie zamocować podczas operacji CNC.
• Optymalizuj położenie pinów wywijowych: Umieść piny wywijowe na powierzchniach niebędących krytyczne i niemaszynowanych, takich jak żeberka lub otuliny, aby zapobiec śladom na wykończonych powierzchniach.
• Uwzględnij dostępność narzędzi: Upewnij się, że obszary wymagające obróbki mogą być osiągnięte przez standardowe narzędzia tnące bez konieczności skomplikowanych ustawień.
• Zachowaj spójność układów bazowania: Używaj tych samych punktów bazowych zarówno w rysunkach odlewu, jak i obróbki, aby zapewnić dokładność wymiarową.

Wybór materiału: wpływ na odlew i obrabialność

Wybór stopu to podstawowa decyzja, która znacząco wpływa zarówno na projekt odlewu, jak i na jego późniejszą obrabialność. Różne metale charakteryzują się różnymi właściwościami dotyczącymi lejności, skurczu, wytrzymałości i twardości, które decydują o wszystkim – od minimalnej grubości ścianki po wymagane kąty wysunięcia. Najczęściej stosowanymi stopami w odlewnictwie matrycowym są aluminium, cynk i magnez, z których każdy oferuje unikalny zestaw kompromisów.

Stopy aluminium, takie jak A380, są popularne ze względu na doskonałą równowagę wytrzymałości, lekkiej masy i przewodnictwa cieplnego. Są pierwszym wyborem w wielu zastosowaniach motoryzacyjnych i przemysłowych. Stopy cynku, takie jak Zamak 3, charakteryzują się doskonałą fluidnością, umożliwiającą wypełnianie bardzo cienkich ścianek oraz tworzenie skomplikowanych, złożonych geometrii o doskonałej jakości powierzchni. Cynk powoduje również mniejsze zużycie formy, co przekłada się na dłuższą żywotność narzędzi. Magnez jest najlżejszym spośród powszechnych metali konstrukcyjnych, co czyni go idealnym do zastosowań, w których kluczowe jest zmniejszenie masy, choć może być trudniejszy w obróbce.

Wybór materiału bezpośrednio wpływa na zasady projektowania. Na przykład, zgodnie z wytycznymi branżowymi, cynk może być odlewany z kątami pochylenia nawet do 0,5 stopnia i cieńszymi ściankami, podczas gdy aluminium zwykle wymaga 1–2 stopni pochylenia i nieco grubszych przekrojów. Przy rozważaniu materiałów do zastosowań wymagających wysokiego obciążenia, szczególnie w sektorze motoryzacyjnym, warto również zauważyć, że inne procesy produkcyjne, takie jak kucie, mogą być bardziej odpowiednie. Na przykład firmy specjalizujące się w precyzyjnych kowanych elementach samochodowych mogą dostarczać komponenty o lepszej wytrzymałości i trwałości do zastosowań krytycznych.

Poniższa tabela porównuje typowe stopy stosowane w odlewaniu pod ciśnieniem, aby ułatwić wybór.

Balansowanie odlewania i obróbki skrawaniem dla osiągnięcia sukcesu

Ostatecznie, doskonałość w projektowaniu pod kątem obróbki skrawaniem elementów odlewanych metodą tlenkową opiera się na podejściu holistycznym. Wymaga ono porzucenia myślenia w kategoriach kompartmentów, w których odlewanie i obróbkę traktuje się jako oddzielne problemy. Zamiast tego projektanci muszą postrzegać je jako dwie zintegrowane fazy jednej strategii produkcji. Najbardziej opłacalne i najlepiej sprawujące się komponenty powstają dzięki projektowaniu, które z gracją uwzględnia potrzeby obu procesów.

Oznacza to przyjęcie podstawowych zasad DFM: dążenie do jednolitej grubości ścianek, wprowadzanie odpowiednich pochylenia formy i zaokrągleń krawędzi oraz minimalizowanie złożoności wszędzie tam, gdzie jest to możliwe. W tym samym czasie wymaga to strategicznego planowania niezbędnych operacji wtórnych poprzez pozostawienie zapasu materiału na obróbkę skrawaniem, projektowanie elementów ułatwiających pewne zamocowanie oraz zachowanie spójności kluczowych baz technologicznych. Poprzez podejmowanie świadomych decyzji dotyczących doboru materiału oraz rozumienie ekonomicznych kompromisów między małoseryjną obróbką a wielkoseryjnym odlewaniem, inżynierowie mogą z pewnością i efektywnością przejść drogę od prototypu do produkcji.

Często zadawane pytania

1. Jaki jest najczęstszy błąd w projektowaniu odlewów?

Najczęstszym błędem jest niestandardowa grubość ścianek. Nagłe zmiany z cienkich na grube sekcje powodują nierównomierne chłodzenie, co prowadzi do szeregu problemów, w tym porowatości, śladów usiadania i naprężeń wewnętrznych, które mogą naruszyć integralność strukturalną detalu.

2. Ile materiału należy pozostawić na operację końcową skrawaniem?

Ogólną zasadą jest pozostawienie od 0,015 do 0,030 cala (lub od 0,4 mm do 0,8 mm) dodatkowego materiału, często nazywanego zapasem na obróbkę. Jest to zazwyczaj wystarczająca ilość, aby narzędzie skrawające mogło wytworzyć czystą, precyzyjną powierzchnię, nie przecinając przy tym zbyt głęboko i nie odsłaniając potencjalnej porowatości pod powierzchnią odlewu.

3. Dlaczego ostre narożniki wewnętrzne są niekorzystne w odlewaniu pod ciśnieniem?

Ostre narożniki wewnętrzne powodują kilka problemów. Przeszkadzają w przepływie stopionego metalu, powodując turbulencje i potencjalne wady. Stanowią również koncentratory naprężeń zarówno w gotowym elemencie, jak i w formie stalowej, co może prowadzić do pęknięć i przedwczesnego uszkodzenia narzędzia. Używanie zaokrągleń (faz) do zaokrąglania tych narożników jest niezbędne dla jakości i długowieczności formy.