Краткое содержание

Проектирование обработки деталей, полученных литьем под давлением, является важной инженерной дисциплиной, в которой применяются принципы проектирования с учетом технологичности (DFM) для оптимизации компонента как для первоначального процесса литья, так и для последующей механической обработки. Успех зависит от баланса между элементами, обеспечивающими беспрепятственный поток металла и легкое извлечение детали — такими как углы выталкивания, равномерная толщина стенок и достаточные радиусы скруглений — и учета требований к последующей обработке, например, добавления достаточного припуска на механическую обработку для участков с жесткими допусками. Такой комплексный подход необходим для снижения затрат, минимизации дефектов и создания высококачественного и экономичного конечного продукта.

Основы проектирования с учетом технологичности (DFM) для деталей, полученных литьем под давлением

В основе создания успешных литых под давлением компонентов лежит методология проектирования с учетом технологичности (DFM). Как объясняется в руководстве для начинающих от Dynacast , DFM — это практика проектирования деталей таким образом, чтобы они могли быть произведены наиболее эффективным и экономически выгодным способом. Основные цели заключаются в сокращении объёма материала, минимизации веса и, что особенно важно, в ограничении необходимости вторичных операций, таких как механическая обработка, которые могут составлять значительную часть общей стоимости детали. Устраняя потенциальные проблемы производства на раннем этапе проектирования, инженеры могут предотвратить дорогостоящие исправления на последующих этапах.

Ключевое стратегическое решение в DFM — это выбор между механической обработкой и литьем, особенно если учитывать весь жизненный цикл продукта от прототипа до массового производства. Механическая обработка является оптимальным решением для создания прототипов, обеспечивая скорость и гибкость. Файл CAD может быть превращён в физическую деталь за несколько дней, что позволяет быстро вносить изменения без значительных первоначальных затрат на оснастку. Однако стоимость каждой детали при механической обработке высока. Напротив, литье становится выгодным при серийном производстве. Хотя оно требует существенных первоначальных инвестиций в оснастку — часто со сроками поставки 20–25 недель — стоимость единицы продукции резко снижается при больших объёмах выпуска, как указано в стратегическом анализе компании Modus Advanced .

Этот экономический компромисс часто приводит к «двухэтапному подходу». Прототип оптимизируется под фрезерование с ЧПУ, что позволяет использовать острые углы и переменную толщину стенок для быстрого тестирования. Отдельный проект для серийного производства разрабатывается с учетом требований литья — например, с углами извлечения и одинаковой толщиной стенок. Понимание этого различия имеет ключевое значение для эффективного управления сроками и бюджетом.

В таблице ниже показаны типичные различия в стоимости детали при механической обработке и литье в зависимости от объемов производства, что демонстрирует очевидное экономическое преимущество литья при увеличении масштабов.

Основные принципы проектирования пресс-форм для литья под давлением с учетом обрабатываемости

Успешная деталь, полученная литьем под давлением и готовая к механической обработке, основывается на ряде фундаментальных принципов проектирования. Эти правила определяют, как расплавленный металл заполняет пресс-форму, охлаждается и извлекается, при этом предусматривается необходимость дополнительной отделки. Владение этими концепциями имеет решающее значение для эффективного создания прочных и высококачественных компонентов.

Линии разъема и углы выталкивания

Компания линия разъема — это место, где соединяются две половины пресс-формы. Выбор расположения является одним из первых и наиболее важных решений, поскольку он влияет на расположение заусенцев (излишков материала, которые необходимо удалить) и сложность инструмента. Рекомендуется располагать линии разъема на кромках, легко доступных для обрезки. Важной связанной характеристикой являются угол извлечения , что представляет собой небольшой уклон на всех поверхностях, параллельных движению пресс-формы. Этот уклон, как правило, составляет 1–2 градуса для алюминия, необходим для обеспечения возможности извлечения детали без повреждений или чрезмерного износа инструмента, что отмечено в руководстве для начинающих от Dynacast . Внутренние стенки требуют большего уклона, чем внешние, поскольку металл усаживается на них при охлаждении.

Единая толщина стенки

Соблюдение постоянной толщины стенок по всей детали — пожалуй, самое важное правило при проектировании литья под давлением. Неравномерная толщина приводит к неодинаковому охлаждению, что вызывает дефекты, такие как пористость, усадка и коробление. Толстые участки дольше затвердевают, увеличивая длительность цикла и создавая внутренние напряжения. Если изменение толщины избежать невозможно, переходы следует выполнять плавными. Для обеспечения равномерности таких элементов, как бобышки, конструкторы должны делать их полыми и добавлять ребра жесткости вместо того, чтобы оставлять сплошные массивы материала.

Фаски, радиусы и ребра

Острые углы вредны как для процесса литья, так и для целостности готовой детали. Скругления (скругленные внутренние углы) и радиусы (скругленные внешние углы) имеют важное значение для обеспечения плавного течения расплавленного металла и снижения концентрации напряжений в форме и отливке. Достаточно большие радиусы предотвращают турбулентность при впрыске и устраняют необходимость вторичной зачистки заусенцев. Ребра ребра жесткости — это конструктивные элементы, усиливающие тонкие стенки без значительного увеличения объема материала или веса. Они также служат каналами, способствующими заполнению металлом удаленных участков формы. Для оптимального распределения напряжений часто рекомендуется использовать нечетное количество ребер.

В следующей таблице приведены рекомендации по проектированию этих основных элементов.

Стратегические соображения относительно операций после механической обработки

Хотя цель DFM — создание детали окончательной формы непосредственно из пресс-формы, последующая механическая обработка зачастую необходима для получения элементов, которые невозможно получить литьём, таких как резьбовые отверстия, чрезвычайно плоские поверхности или допуски более точные, чем те, которые достижимы при литье. Успешный дизайн предусматривает эти дополнительные операции с самого начала. Ключевое — рассматривать литьё и механическую обработку как взаимодополняющие процессы, а не изолированные этапы.

Одним из наиболее важных соображений является добавление достаточного количества припуска под механическую обработку . Это означает проектирование отливки с дополнительным материалом в тех областях, которые в дальнейшем будут подвергаться механической обработке. Однако здесь необходимо соблюдать тонкий баланс. Удаление слишком большого количества материала может привести к обнажению внутренней пористости, характерной для многих деталей, полученных литьем под давлением. Как указано в руководстве от General Die Casters , распространённой практикой является оставление минимального припуска, достаточного для зачистки поверхности и достижения конечных размеров, не углубляясь слишком сильно в основную часть детали. Обычно этот припуск составляет от 0,015" до 0,030". Во избежание путаницы некоторые конструкторы предоставляют два отдельных чертежа: один — для детали «в состоянии после литья», а другой — для окончательно обработанной детали после механической обработки.

Геометрия детали должна быть спроектирована с учетом физической доступности. Это включает наличие устойчивых, плоских поверхностей для надежного закрепления детали в станке с ЧПУ. Кроме того, проектировщики должны стратегически размещать элементы, такие как выталкивающие штифты, вдали от поверхностей, подвергаемых механической обработке, чтобы избежать косметических дефектов или помех при работе режущего инструмента. Каждое проектное решение должно оцениваться с точки зрения его влияния на литейную форму и последующие приспособления для механической обработки.

Чтобы сократить разрыв между этими двумя процессами, следуйте этому контрольному списку для проектирования литья под давление, готового к механической обработке:

• Определите особенности механической обработки заранее: Четко определите, какие поверхности и элементы требуют механической обработки для обеспечения жестких допусков, плоскостности или нарезания резьбы.
• Добавьте соответствующий припуск на механическую обработку: Включите дополнительный материал (например, от 0,5 мм до 1 мм) на поверхностях, подлежащих обработке, но избегайте чрезмерного припуска, который может обнажить пористость.
• Конструирование для приспособлений: Убедитесь, что деталь имеет устойчивые параллельные поверхности, которые можно легко и надежно закрепить при операциях с ЧПУ.
• Оптимизация расположения выталкивающих штифтов: Размещайте выталкивающие штифты на некритичных, немеханически обработанных поверхностях, таких как ребра или бобышки, чтобы предотвратить появление следов на готовых поверхностях.
• Учитывайте доступность инструмента: Убедитесь, что к зонам, требующим механической обработки, можно получить доступ стандартными режущими инструментами без сложных настроек.
• Сохраняйте согласованность базовых поверхностей: Используйте одни и те же базовые точки для чертежей отливки и механической обработки, чтобы обеспечить точность размеров.

Выбор материала: влияние на литье и обрабатываемость

Выбор сплава — это фундаментальное решение, которое существенно влияет как на конструкцию отливки, так и на её последующую обрабатываемость. Разные металлы обладают различными свойствами текучести, усадки, прочности и твердости, которые определяют всё — от минимальной толщины стенок до необходимых углов выемки. Наиболее распространенными сплавами, используемыми в литье под давлением, являются алюминий, цинк и магний, каждый из которых имеет свои уникальные компромиссные характеристики.

Алюминиевые сплавы, такие как A380, популярны благодаря отличному сочетанию прочности, легкого веса и теплопроводности. Они являются предпочтительным выбором для множества автомобильных и промышленных применений. Цинковые сплавы, например Zamak 3, обладают превосходной текучестью, что позволяет им заполнять очень тонкие стенки и создавать сложные геометрические формы с отличной отделкой поверхности. Цинк также меньше изнашивает форму, обеспечивая более длительный срок службы инструмента. Магний — самый легкий из распространённых конструкционных металлов, что делает его идеальным для применений, где критически важно снижение веса, хотя с ним может быть сложнее работать.

Выбор материала напрямую влияет на правила проектирования. Например, согласно отраслевым руководствам, цинк может лить с углами выталкивания всего в 0,5 градуса и более тонкими стенками, тогда как алюминий обычно требует угла выталкивания 1–2 градуса и несколько более толстых участков. При рассмотрении материалов для применения в условиях высоких нагрузок, особенно в автомобильной промышленности, стоит отметить, что другие производственные процессы, такие как ковка, могут быть более подходящими. Например, компании, специализирующиеся на точной кованой автомобильной арматуре, могут поставлять компоненты с повышенной прочностью и долговечностью для критически важных применений.

В таблице ниже сравниваются распространенные сплавы для литья под давлением, чтобы помочь в выборе.

Сочетание литья и механической обработки для достижения успеха

В конечном счете, высокое качество проектирования деталей под механическую обработку в литых под давлением заготовках заключается в комплексном подходе. Необходимо отказаться от изолированного восприятия процессов литья и обработки как отдельных задач. Вместо этого проектировщики должны рассматривать их как два взаимосвязанных этапа единой производственной стратегии. Наиболее экономичные и эффективные компоненты создаются при помощи конструкций, которые гармонично учитывают требования обоих процессов.

Это означает следование основным принципам DFM: стремление к одинаковой толщине стенок, включение достаточных углов выталкивания и радиусов скруглений, а также минимизацию сложности везде, где это возможно. В то же время, это включает стратегическое планирование необходимых вторичных операций путем добавления припуска под механическую обработку, проектирования удобства надежного закрепления и сохранения согласованности критических баз. Принимая обоснованные решения по выбору материала и понимая экономические компромиссы между механической обработкой малых партий и литьем больших объемов, инженеры могут с уверенностью и эффективностью пройти путь от прототипа до серийного производства.

Часто задаваемые вопросы

1. Какая наиболее распространенная ошибка при проектировании литейных форм?

Наиболее распространенная ошибка — это неоднородная толщина стенок. Резкие переходы от тонких к толстым участкам вызывают неравномерное охлаждение, что приводит к целому ряду проблем, включая пористость, усадочные раковины и внутренние напряжения, которые могут нарушить структурную целостность детали.

2. Сколько материала следует оставить для последующей механической обработки?

Общим правилом является оставление от 0,015 до 0,030 дюймов (или от 0,4 мм до 0,8 мм) дополнительного материала, часто называемого механическим материалом. Это обычно достаточно, чтобы разрезать инструмент для создания чистой, точной поверхности без резки настолько глубоко, что это выявляет потенциальную пористость подповерхности в литье.

3. Посмотрите. Почему острые внутренние углы плохо влияют на литье?

Острые внутренние углы создают несколько проблем. Они препятствуют потоку расплавленного металла, вызывая турбулентность и потенциальные дефекты. Они также действуют как концентраторы напряжения как в готовой части, так и в самой стальной пленке, что может привести к трещинам и преждевременному отказу инструмента. Использование филе для закругления этих углов имеет важное значение для качества и долговечности инструмента.