STRESZCZENIE

Projektowanie odlewania pod ciśnieniem z asystą próżniową koncentruje się na tworzeniu komponentów przy użyciu procesu, w którym przed wtrysknięciem stopionego metalu z wnęki formy usuwane są powietrze i gazy za pomocą próżni. Ten kluczowy krok znacząco zmniejsza porowatość gazową, co prowadzi do uzyskania części o większej gęstości, wytrzymałości oraz lepszym wykończeniu powierzchni. Poprawne zaprojektowanie, w tym uwzględnienie grubości ścianek i uszczelnienia formy, jest niezbędne do wykorzystania tego procesu w produkcji złożonych, wysokowydajnych i bezdefektowych komponentów.

Podstawy odlewania pod ciśnieniem z asystą próżniową

Odlewanie pod ciśnieniem z asystą próżniową, czasem nazywane odlewaniem bezgazowym, jest zaawansowaną metodą wytwarzania, która poprawia tradycyjne odlewanie pod wysokim ciśnieniem. Jego podstawową zasadą jest systematyczne usuwanie powietrza i innych uwięzionych gazów z formy oraz tulei wlewnika przed wtłoczeniem stopu metalu. Tworząc warunki zbliżone do próżni, proces ten rozwiązuje jeden z najtrudniejszych problemów występujących w konwencjonalnym odlewaniu: porowatość gazową. Osiąga się to poprzez podłączenie silnego systemu próżniowego do formy, który opróżnia wnękę tuż przed i podczas wtrysku stopu.

Podstawowym problemem, który rozwiązuje ta technologia, jest uwięzienie gazów. W standardowym procesie odlewania szybkie wprowadzanie stopu metalu może powodować zamknięcie kieszonek powietrza wewnątrz formy. Te uwięzione gazy tworzą puste przestrzenie lub porowatość w utwardzonym metalu, co narusza jego integralność strukturalną. Według ekspertów produkcyjnych w Xometry , ta porowatość może prowadzić do niestabilnych właściwości mechanicznych i miejsc o zmniejszonej wytrzymałości. Proces próżniowy minimalizuje to zjawisko, usuwając powietrze, które mogłoby zostać uwięzione, umożliwiając stopionemu metalowi wypełnienie każdej detali formy bez oporu czy turbulencji.

W porównaniu z konwencjonalnym odlewaniem pod ciśnieniem metoda z zastosowaniem próżni pozwala uzyskać wyraźnie wyższą jakość części. Odpowietrzenie formy nie tylko zapobiega tworzeniu się pęcherzyków, ale także skuteczniej wprowadza stopiony metal do skomplikowanych i cienkościennych obszarów formy. Rezultatem są elementy o większej gęstości, wyższej wytrzymałości oraz znacznie lepszym stanie powierzchni. Jak zauważa North American Die Casting Association, choć system próżniowy jest skutecznym uzupełnieniem, nie zastępuje on potrzeby stosowania dobrych praktyk projektowych w odlewaniu pod ciśnieniem, dotyczących kanałów ładowych, wlewów i przelewów. To właśnie połączenie dobrego projektu i wspomagania próżnią pozwala osiągnąć najwyższy poziom jakości.

Kluczowe zalety i poprawa jakości

Główną zaletą stosowania próżni w procesie odlewania pod ciśnieniem jest znacząca poprawa jakości i integralności wyrobów. Poprzez minimalizację uwięzienia gazów proces pozwala uzyskać elementy o znacznie zmniejszonej porowatości. Skutkuje to odlewkami nie tylko gęstszej struktury, ale także charakteryzującymi się bardziej spójnymi i przewidywalnymi właściwościami mechanicznymi, takimi jak wyższa wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie. Takie bezpieczeństwo jest kluczowe dla komponentów stosowanych w wymagających zastosowaniach, w tym w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

Kolejną dużą zaletą jest doskonała jakość powierzchni. Wady takie jak napękania czy dziurki, które często są spowodowane rozszerzaniem się uwięzionych gazów w pobliżu powierzchni, są praktycznie eliminowane. Daje to czystsze powierzchnie bezpośrednio z formy, co zmniejsza konieczność kosztownych i czasochłonnych dodatkowych operacji wykańczających. Jak szczegółowo opisano przez Kenwalt Die Casting , ta redukcja wad prowadzi do mniejszej liczby odrzuconych elementów, co oszczędza czas, pracę oraz koszty materiałów. Co więcej, jednolite wypełnienie formy pod próżnią może wydłużyć żywotność narzędzi poprzez zmniejszenie wysokich ciśnień wewnętrznych i zużycia spowodowanego powietrzem uwięzionym w formie.

Ulepszenia jakości otwierają również nowe możliwości produkcyjne. Elementy wytwarzane metodą odlewania pod próżnią nadają się do dalszych procesów obróbki, które często są problematyczne dla konwencjonalnie odlewanych części. Ze względu na bardzo niewielką lub zerową ilość uwięzionego gazu, który mógłby się rozszerzyć i spowodować wady, te komponenty można bezpiecznie poddawać obróbce cieplnej, spawaniu lub powlekania. Ta możliwość jest kluczowa dla elementów konstrukcyjnych wymagających zwiększonej wytrzymałości lub określonych cech powierzchni.

Proces z zastosowaniem podciśnienia: krok po kroku

Chociaż proces ten opiera się na tradycyjnym schemacie odlewania w formach metalowych, to proces wspomagany podciśnieniem obejmuje istotną dodatkową fazę. Zrozumienie tej kolejności jest kluczowe dla oceny jego wpływu na projektowanie i końcową jakość detali. Proces ten obejmuje zazwyczaj następujące etapy:

1. Przygotowanie i zamknięcie formy Dwie połowy stalowej formy są najpierw oczyszczane, smarowane środkiem antyprzywierającym i dokładnie zamykane. Kluczowym aspektem projektowania jest zapewnienie skutecznych uszczelek formy, aby utrzymać próżnię po jej utworzeniu. Jakiekolwiek przecieki naruszą proces.
2. Stosowanie próżni: Po zamknięciu formy uruchamiany jest silny pompę próżniową. Otwierane są zawory połączone z wnęką formy i systemem kanałów, a pompa odprowadza powietrze oraz wszelkie gazy pochodzące ze środków smarnych, tworząc środowisko o niskim ciśnieniu wewnątrz formy. Ten etap musi być dokładnie wysynchronizowany.
3. Wtrysk stopionego metalu: Żądany stop metalu, stopiony w piecu, jest przenoszony do komory wtryskowej maszyny. Wysokociśnieniowy tłok wstrzykuje stopiony metal do ewakuowanej wnęki formy. Próżnia pomaga płynnie wprowadzić metal do formy, zapewniając wypełnienie wszystkich detali bez powstawania turbulencji.
4. Krzepnięcie i chłodzenie: Gdy wnęka jest wypełniona, stop metalu zaczyna stygnąć i krzepnąć, przyjmując kształt formy. Forma jest często wyposażona w wewnętrzne kanały chłodzenia, aby kontrolować szybkość krzepnięcia, co jest kluczowe dla osiągnięcia pożądanych właściwości metalurgicznych.
5. Otwieranie formy i wypychanie detalu: Po stwardnieniu odlewu następuje usunięcie próżni i rozwarstwienie połówek formy. Następnie kołki wybijakowe wypychają ukończony odlew z formy. Część jest teraz gotowa do wszelkich niezbędnych operacji wtórnych, takich jak przycinanie, obróbka skrawaniem lub wykańczanie powierzchni.

Cały ten cykl jest bardzo szybki i często kończy się w ciągu kilku sekund do kilku minut, co czyni go szczególnie odpowiednim do produkcji seryjnej. Integracja systemu próżniowego dodaje złożoności, lecz jest niezbędna do osiągnięcia wysokiej jakości, za którą znany jest ten proces.

Kluczowe zasady projektowania dla odlewania pod próżnią w formach metalowych

Skuteczny projekt odlewania pod ciśnieniem z wykorzystaniem próżni wychodzi daleko poza samą koncepcję kształtu; obejmuje optymalizację geometrii elementu, by w pełni wykorzystać korzyści płynące ze środowiska próżniowego. Choć wiele zasad pokrywa się z konwencjonalnym odlewaniem, niektóre są szczególnie istotne. Aby osiągnąć sukces, kluczowe jest staranne podejście do takich cech jak grubość ścianek i pochylenia formy.

Jedną z największych zalet projektowych jest możliwość wytwarzania elementów o cieńszych ściankach. Dzięki zastosowaniu próżni zmniejsza się ciśnienie wsteczne powstające przez uwięzione powietrze, co pozwala ciekłemu metalowi swobodnie przepływać i wypełniać znacznie cieńsze sekcje niż w tradycyjnym odlewaniu precyzyjnym. Minimalna grubość ścianki na poziomie 1 mm do 1,5 mm jest często osiągalna, choć zależy to od wielkości detalu i materiału. Należy możliwie zachować jednolitą grubość ścianek, aby zapewnić równomierne chłodzenie i zapobiec wadom takim jak wyginanie czy ślad cienia. Gdy zmiany grubości są konieczne, przejścia powinny być stopniowe.

Inne kluczowe aspekty projektowania są istotne zarówno dla jakości części, jak i możliwości ich produkcji:

• Kąt wyciągu: Kąt wyciągu, zazwyczaj co najmniej 1–2 stopnie, musi być uwzględniony we wszystkich ściankach równoległych do kierunku wyciągania formy. Ten niewielki stożek jest niezbędny, aby gotową część można było wydobyć z formy czysto, bez uszkodzeń lub odkształceń.
• Wzmocnienia i filary: Aby zwiększyć wytrzymałość dużych płaskich powierzchni bez zwiększania całkowitej grubości ścianek, projektanci powinni stosować wzmocnienia. Grubość wzmocnienia powinna zazwyczaj być mniejsza niż 60% głównej grubości ścianki, aby uniknąć śladów zapadania. Podobnie filary (używane do montażu lub centrowania) powinny podlegać podobnym zasadom dotyczącym grubości.
• Zaokrąglenia i promienie: Ostre narożniki wewnętrzne są miejscem koncentracji naprężeń i mogą utrudniać przepływ metalu. Należy dodawać odpowiednio duże zaokrąglenia i promienie we wszystkich narożnikach, aby poprawić integralność strukturalną części oraz ułatwić płynny, jednolity przepływ stopionego metalu.
• Zapewnienie uszczelnienia formy: Z punktu widzenia projektowania form, zapewnienie szczelności formy jest warunkiem bezwzględnym. Obejmuje to precyzyjne obrabianie połówek formy i często wprowadzenie pierścieni uszczelniających (O-rings) lub innych mechanizmów uszczelniających w celu zapobiegania utracie próżni podczas cyklu.

Dzięki przestrzeganiu tych zasad projektanci mogą tworzyć wytrzymałe, lekkie i złożone komponenty, które w pełni wykorzystują proces wspomagany próżnią, co prowadzi do wyższych współczynników wydajności i lepszej wydajności końcowej.

Często zadawane pytania

1. Jaka jest główna różnica między odlewaniem w próżni a tradycyjnym odlewaniem w formach?

Główną różnicą jest użycie próżni w celu usunięcia powietrza i gazów z wnęki formy przed wtrysknięciem stopionego metalu. W tradycyjnym odlewaniu metal jest wtryskiwany do formy wypełnionej powietrzem, które może zostać uwięzione i spowodować porowatość. Odlewanie w próżni usuwa to powietrze, co skutkuje gęstszymi, mocniejszymi elementami o mniejszej liczbie wad i lepszym wykończeniu powierzchni.

2. Jakie metale nadają się do odlewania w formach z zastosowaniem próżni?

Proces ten jest najczęściej stosowany dla stopów nieżelaznych o umiarkowanych temperaturach topnienia. Obejmuje to szeroki zakres stopów aluminium (takich jak A380), stopów magnezu (do lekkich elementów konstrukcyjnych) oraz stopów cynku. Metale żelazne, takie jak stal czy żeliwo, zazwyczaj nie nadają się ze względu na wysokie temperatury topnienia, które mogłyby uszkodzić narzędzia do odlewania pod ciśnieniem.

3. Czy odlewanie pod ciśnieniem w próżni eliminuje całą porowatość?

Chociaż odlewanie pod ciśnieniem w próżni znacząco redukuje porowatość gazową do poziomu bliskiego zeru, może ona nie wyeliminować wszystkich form porowatości. Porowatość kurczenia może nadal występować na skutek zmniejszania się objętości metalu podczas ochładzania i krzepnięcia. Jednak odpowiednie projektowanie detalu i formy, w tym zoptymalizowane systemy wlewu i kanałów, mogą również pomóc w zminimalizowaniu tego typu porowatości.