Praktyczne DFM w odlewaniu pod ciśnieniem: strategie obniżenia kosztów i poprawy jakości

STRESZCZENIE

Projektowanie odlewania ciśnieniowego pod kątem możliwości produkcji (DFM) to kluczowa praktyka inżynierska mająca na celu optymalizację konstrukcji elementów w celu efektywnej i opłacalnej produkcji. Głównym celem jest minimalizacja złożoności produkcyjnej, co prowadzi do obniżenia kosztów oraz poprawy jakości końcowego produktu. Obejmuje to przestrzeganie podstawowych zasad, takich jak stosowanie pochylenia wykroju ułatwiającego wypchnięcie detalu z formy, zachowanie jednolitej grubości ścianek w celu zapobiegania wadom, takim jak porowatość, oraz strategiczne wykorzystywanie takich elementów, jak zaokrąglenia i żeberka, w celu zwiększenia wytrzymałości przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia materiału.

Podstawowe zasady DFM w odlewaniu ciśnieniowym: pochylenie, grubość ścianek i promienie

Podstawa skutecznego projektowania odlewania do formy pod kątem możliwości produkcji opiera się na kilku kluczowych zasadach, które bezpośrednio wpływają na jakość, koszt i szybkość produkcji. Opanowanie tych koncepcji to pierwszy krok w kierunku stworzenia części, która nie tylko spełnia swoje funkcje, ale również jest opłacalna w produkcji. Ignorowanie ich może prowadzić do lawiny problemów, począwszy od trudności z wyjmowaniem detalu, marnotrawstwa materiału, aż po poważne awarie konstrukcyjne. Te podstawowe zasady — nachylenie formy (draft), grubość ścianki oraz stosowanie zaokrągleń i promieni — biorą pod uwagę fizykę przepływu i krzepnięcia metalu w stanie ciekłym w formie.

A kąt wyboju to niewielkie pochylenie nadawane wszystkim powierzchniom równoległym do kierunku otwierania się formy. To małe nachylenie, zazwyczaj w zakresie od 1 do 3 stopni, jest kluczowe dla umożliwienia czystego wyjęcia odlanej części z formy bez uszkodzeń. Gdy metal w stanie ciekłym stygnie i kurczy się, może mocno przylegać do wewnętrznych elementów formy. Bez odpowiedniego pochylenia siły potrzebne do wyjęcia mogłyby odkształcić lub uszkodzić detal. Jak szczegółowo opisano w Przewodnik projektowy Gabrian'a , ściany zewnętrzne wymagają mniejszego pochylenia, ponieważ część kurczy się od nich, podczas gdy ściany wewnętrzne i otwory potrzebują większego pochylenia, ponieważ metal zwęża się wokół nich.

Utrzymanie jednolita grubość ścianek jest prawdopodobnie jedną z najważniejszych zasad DFM. Gdy grubości ścianek różnią się znacząco, stopiony metal stygnie w różnym tempie. Grubsze sekcje potrzebują dłuższego czasu na skrzepnięcie, co może prowadzić do naprężeń wewnętrznych, porowatości (pęcherzyków gazowych) oraz śladów zapadania na powierzchni. Z drugiej strony, zbyt cienkie ścianki mogą spowodować przedwczesne zastygnięcie metalu, uniemożliwiając całkowite wypełnienie formy – wadę znaną jako niepełne wypełnienie. Większość projektów zakłada grubość ścianek w przedziale od 1,5 mm do 4 mm. Jeśli różnice grubości są nieuniknione, przejścia powinny być stopniowe i gładkie, aby zapewnić spójny przepływ i chłodzenie metalu.

Na koniec unikanie ostrych naroży jest krytycznie ważne. Osiąga się to poprzez wprowadzenie zaokrąglenia i promienie —zaokrąglone połączenia między powierzchniami. Zaokrąglenia stosuje się w narożnikach wewnętrznych, podczas gdy promienie są używane w narożnikach zewnętrznych. Ostre wewnętrzne narożniki tworzą punkty koncentracji naprężeń, które mogą stać się miejscami uszkodzeń pod obciążeniem. Powodują również zakłócenie płynnego przepływu stopionego metalu, prowadząc do turbulencji, co może spowodować porowatość. Dodanie odpowiednich zaokrągleń i promieni, nawet tak małych jak 0,5 mm, poprawia przepływ metalu, wzmocnia część oraz sprzyja uzyskaniu bardziej solidnego i niezawodnego produktu końcowego.

Kluczowe najlepsze praktyki projektowe

• Kąty wysunięcia: Zastosuj pochylenie o wartości co najmniej 1–2 stopnie na wszystkich powierzchniach pionowych, aby zapewnić łatwe wyjmowanie części. Zwiększ kąt dla ścian wewnętrznych i głębokich elementów.
• Grubość ścianki: Dąż do jednolitości grubości całej części. Jeśli grubość musi ulec zmianie, stosuj stopniowe przejścia, aby zapobiec wadom i zagwarantować równomierne schłodzenie.
• Zaokrąglenia i promienie: Zamień wszystkie ostre narożniki na zaokrąglone krawędzie. Stosuj zaokrąglenia w narożnikach wewnętrznych i promienie w zewnętrznych, aby zmniejszyć naprężenia i poprawić przepływ metalu.

Części wzmacniające i zmniejszające wagę: żebra, głowy i kieszenie

Głównym celem DFM jest wytwarzanie części spełniających wymagania dotyczące wytrzymałości bez zbędnych materiałów, co zwiększa koszty i czas cyklu. Trzy kluczowe cechy pomagają projektantom osiągnąć tę równowagę: żebra, głowice i kieszenie. W przypadku prawidłowego zaprojektowania elementy te zwiększają integralność konstrukcyjną i funkcjonalność, jednocześnie optymalizując element do procesu odlewania. Pozwalają na silne, lekkie konstrukcje, które są wydajne w produkcji.

Żebra są cienkimi, ściennymi elementami, które służą do podniesienia oparcia i sztywności części bez zwiększania jej ogólnej grubości ściany. Jest to kluczowe dla zapobiegania wypaczaniu i poprawy stosunku siły do masy. Wprowadzając żebra, projektant może utrzymać cienką, jednorodną sekcję ściany w całej części, wzmacniając jednocześnie krytyczne obszary. Aby uzyskać optymalne wyniki, żebra powinny być zaprojektowane w taki sposób, aby stanowiły ułamek grubości ściany głównej, zazwyczaj około 60%, aby zapobiec pojawieniu się śladów zlewu na przeciwległej powierzchni. Ponadto żebra mogą służyć jako kanały, które pomagają roztopionym metalowi przenosić się do odległych lub złożonych obszarów materiału.

Wypusty są cylindrycznymi wyciągami, które służą jako punkty montażu, punkty zderzenia lub miejsca do mocowania elementów mocujących. Zamiast wiercenia otworów w grubej części części po odlewie, szczyty można zintegrować bezpośrednio z konstrukcją, oszczędzając znacząco czas i operacje wtórne. Aby przestrzegać zasady jednorodnej grubości ściany, szefy powinny być wycięte, co oznacza, że mają dziurę w środku. Dzięki temu nie powstają one w grube masy materiału, które mogłyby powoli schłodzić i powodować uszkodzenia. Należy również połączyć je z głównymi ścianami hojnymi fillami i żeberami, aby zapewnić wytrzymałość i płynny przepływ metalu.

Aby jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie materiałów i masę części, projektanci mogą strategicznie dodać kieszeni lub przecinki puste. Proces ten, często nazywany "wycięciem rdzenia", usuwa materiał z obszarów, które nie są krytyczne pod względem strukturalnym. Tworząc te próżnie, można utrzymać stałą grubość ściany w całym komponentzie, nawet w złożonych geometriach. Dzięki temu oszczędza się nie tylko na kosztach materiałów, ale także skraca czas chłodzenia w formie, co prowadzi do szybszych cykli produkcji. Konieczna jest dokładna analiza, aby upewnić się, że kieszonkowe części nie naruszają ich ogólnej wytrzymałości lub funkcji.

Optymalizacja dla pleśni i wyrzucenia: linie rozdzielające, podcięcia i szpilki

Pomyślna część odlewana metodą ciśnieniową jest wynikiem synergii między geometrią części a mechaniką formy. Decyzje projektowe podejmowane bez uwzględnienia narzędzi mogą prowadzić do drogich, złożonych form i wysokiego współczynnika wadliwości. Kluczowymi aspektami w tej dziedzinie są rozmieszczenie linii rozdziału, zarządzanie zagłębianiami oraz lokalizacja pinów wybijakowych. Staranne zaprojektowanie tych obszarów upraszcza narzędzie, redukuje koszty i zapewnia wiarygodne wyjmowanie części z matrycy po odlewnictwie.

The linia rozdzielająca to linia, w której spotykają się dwie połowy formy. Jej położenie to jedna z pierwszych i najważniejszych decyzji w projektowaniu narzędzia, ponieważ wpływa na niemal każdy inny element. Zawsze preferowana jest prosta, płaska linia rozdzielająca, ponieważ ułatwia to obróbkę narzędzia i obniża jego koszt. Złożona, niestandardowa linia rozdzielająca może znacząco zwiększyć koszty formy i może prowadzić do powstawania naddatku — cienkiej warstwy nadmiaru metalu, który przeciska się przez szwu i musi zostać usunięty w dodatkowej operacji. Projektanci powinni dążyć do takiego ułożenia przedmiotu, które umożliwi możliwie najprostszą linię rozdzielającą.

Podcięcia to cechy konstrukcyjne, które uniemożliwiają bezpośredni wyrzut elementu z prostego formularza dwuczęściowego. Obejmują one powierzchnie wklęsłe lub cechy, które spowodowałyby zaklinowanie części w formie. Chociaż czasem są niezbędne pod względem funkcjonalności, należy je unikać wszelkimi możliwymi sposobami, ponieważ wymagają one bocznych rdzeni lub suwnic – ruchomych komponentów w formie, które tworzą cechę podcięcia i następnie się cofają przed wyrzutem. Mechanizmy te znacznie zwiększają koszt, złożoność oraz potencjalne punkty awarii narzędzia. Jeśli podcięcie jest nieuniknione, kluczowe jest współpraca z partnerem produkcyjnym w celu znalezienia najefektywniejszego rozwiązania narzędziowego. Firmy posiadające własne możliwości projektowania form mogą zapewnić cenną wiedzę ekspercką w optymalizacji złożonego wyposażenia pod kątem wykonywalności produkcji.

Wreszcie, kolce wyrzutające to stalowe pręty, które wypychają zestalone odlew z wnęki formy. Kołki te są niezbędne do usuwania elementów, ale niestety pozostawiają małe, okrągłe ślady na powierzchni części. Zadaniem projektanta jest wskazanie powierzchni niebędących krytycznych ani estetycznych, gdzie takie ślady będą dopuszczalne. Umieszczenie śladów kołków wyrzutników na płaskich i wytrzymałych powierzchniach jest idealne, ponieważ zapewnia równomierne rozłożenie siły podczas wyrzutu i minimalizuje ryzyko odkształcenia elementu. Wczesne przekazanie tych dopuszczalnych lokalizacji wykonawcy formy pozwala uniknąć problemów estetycznych w finalnym produkcie.

Lista kontrolna projektowania ułatwiającego wyrzut

• Uprość linię rozdziału, aby była jak najbardziej płaska i prosta.
• Wyeliminuj undercuts wszędzie tam, gdzie to możliwe, aby uniknąć potrzeby stosowania kosztownych rdzeni bocznych i suwnic.
• Zastosuj odpowiednie kąty wysunięcia na wszystkich powierzchniach równoległych do ruchu matrycy.
• Wskaż powierzchnie niestetyczne, na których dopuszczalne są ślady kołków wyrzutników.
• Upewnij się, że kołki wybijakowe znajdują się na płaskich, stabilnych powierzchniach, aby zapobiec odkształceniom podczas wyrzutu.

Często zadawane pytania dotyczące DFM odlewania pod ciśnieniem

1. Co zawiera projektowanie dla produkcji (DFM)?

Projektowanie dla produkcji (DFM) w odlewaniu pod ciśnieniem obejmuje zestaw zasad mających na celu uproszczenie i zoptymalizowanie konstrukcji elementu w celu ułatwienia produkcji. Do najważniejszych aspektów należą stosowanie pochylenia wyformowania dla łatwego wyjmowania, zapewnienie jednolitej grubości ścian w celu zapobiegania wadom, wykorzystywanie zaokrągleń i promieni zamiast ostrych krawędzi oraz projektowanie takich elementów jak żeberka i gniazda w celu zwiększenia wytrzymałości przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia materiału. Obejmuje również zagadnienia związane z formami, takie jak upraszczanie linii rozdziału i unikanie podcięć.

2. Jak podejść do projektowania pod kątem możliwości produkcyjnych?

Podejście to zaczyna się wcześnie, w fazie projektowania, poprzez uwzględnienie całego procesu produkcyjnego. Obejmuje współpracę z inżynierami produkcji w celu identyfikacji potencjalnych problemów produkcyjnych. Kluczowe kroki obejmują uproszczenie konstrukcji, minimalizację liczby części, standaryzację komponentów tam, gdzie jest to możliwe, oraz przestrzeganie reguł specyficznych dla danego procesu, takich jak te dotyczące odlewania pod ciśnieniem (pochylenie formy, grubość ścianek itp.). Celem jest proaktywne rozwiązywanie problemów produkcyjnych na etapie projektowania, gdzie zmiany są tanie, a nie na hali produkcyjnej, gdzie są kosztowne.

3. Co charakteryzuje projektowanie pod kątem łatwości produkcji?

Projektowanie pod kątem produkowalności charakteryzuje się skupieniem na efektywności, obniżaniu kosztów i poprawie jakości dzięki inteligentnym rozwiązaniom projektowym. Projekt zoptymalizowany pod kątem produkowalności jest zazwyczaj prostszy, zużywa mniej materiału, wymaga mniejszej liczby operacji wtórnych oraz cechuje się niższym współczynnikiem wad. Odzwierciedla głęboką znajomość możliwości i ograniczeń wybranej metody produkcji, co przekłada się na produkt nie tylko funkcjonalny, ale również opłacalny i niezawodny w masowej produkcji.