Практические аспекты проектирования для технологичности при литье под давлением: стратегии снижения затрат и повышения качества

Краткое содержание

Проектирование литья под давлением с учетом технологичности (DFM) — это важная инженерная практика, направленная на оптимизацию конструкции деталей для эффективного и экономичного производства. Основная цель заключается в минимизации производственной сложности, что, в свою очередь, снижает затраты и повышает качество конечного продукта. Это предполагает соблюдение основных принципов, таких как применение углов выемки для легкого извлечения детали из формы, поддержание одинаковой толщины стенок для предотвращения дефектов, например пористости, а также целесообразное использование элементов, таких как скругления и ребра жесткости, для повышения прочности при минимальном расходе материала.

Основные принципы DFM при литье под давлением: угол выемки, толщина стенок и радиусы

Основа эффективного проектирования литья под давлением с учётом технологичности заложена на нескольких ключевых принципах, которые напрямую влияют на качество, стоимость и скорость производства. Освоение этих концепций — первый шаг к созданию детали, которая не только функциональна, но и экономически выгодна в производстве. Игнорирование этих принципов может привести к череде проблем — от затруднённой выемки и потерь материала до критических структурных повреждений. Эти основополагающие принципы — угол выемки (draft), толщина стенок, а также использование фасок и радиусов — учитывают физику поведения расплавленного металла при его течении и затвердевании внутри формы.

A угол извлечения представляет собой небольшой уклон, придаваемый всем поверхностям, параллельным направлению открывания пресс-формы. Этот незначительный наклон, как правило от 1 до 3 градусов, крайне важен для обеспечения чистого извлечения отлитой детали из формы без повреждений. По мере охлаждения и усадки расплавленного металла он может плотно прилегать к внутренним элементам пресс-формы. При отсутствии уклона усилия выталкивания могут деформировать деталь или привести к её разрушению. Как подробно описано в Руководство по проектированию Gabrian , внешние стенки требуют меньшего уклона, поскольку деталь при остывании отходит от них, в то время как внутренние стенки и отверстия нуждаются в большем уклоне, потому что металл сжимается вокруг них.

Для поддержания работоспособности единая толщина стенки является, пожалуй, одним из важнейших правил DFM. Когда толщина стенок сильно различается, расплавленный металл остывает с разной скоростью. Более толстые участки дольше затвердевают, что может вызвать внутренние напряжения, пористость (газовые пузырьки) и впадины на поверхности. Напротив, слишком тонкие стенки могут привести к преждевременному затвердеванию металла, из-за чего форма не заполнится полностью — этот дефект называется незалив. В большинстве конструкций стремятся к толщине стенок от 1,5 мм до 4 мм. Если изменение толщины избежать нельзя, переход должен быть постепенным и плавным, чтобы обеспечить равномерный поток и охлаждение металла.

Наконец, крайне важно избегать острых углов. Этого достигают путем введения скругления и радиусы —криволинейные переходы между поверхностями. Фаски применяются к внутренним углам, а радиусы — к внешним. Острые внутренние углы создают концентрации напряжений, которые могут стать точками разрушения под нагрузкой. Они также нарушают плавное течение расплавленного металла, вызывая турбулентность, что может привести к пористости. Добавление достаточных фасок и радиусов, даже всего 0,5 мм, улучшает течение металла, повышает прочность детали и способствует получению более надежного конечного продукта.

Основные рекомендации по проектированию

• Углы выталкивания: Нанесите конусность не менее 1–2 градусов на все вертикальные поверхности для обеспечения легкого извлечения детали. Увеличьте угол для внутренних стенок и глубоких элементов.
• Толщина стенки: Стремитесь к равномерности по всей детали. Если толщина должна изменяться, используйте плавные переходы, чтобы предотвратить дефекты и обеспечить равномерное охлаждение.
• Фаски и радиусы: Замените все острые углы скругленными кромками. Используйте фаски на внутренних углах и радиусы на внешних углах для снижения напряжений и улучшения течения металла.

Упрочнение деталей и снижение веса: ребра, фланцы и выемки

Одной из ключевых задач DFM является создание деталей, отвечающих требованиям прочности, без избыточного материала, который увеличивает стоимость и длительность циклов. Три основных элемента помогают конструкторам достичь этого баланса: ребра, фланцы и выемки. При правильном проектировании эти элементы повышают структурную целостность и функциональность, одновременно оптимизируя деталь для процесса литья под давлением. Они позволяют создавать прочные и легкие конструкции, эффективные в производстве.

Ребра представляют собой тонкие элементы, подобные стенкам, которые используются для обеспечения поддержки и жесткости детали без увеличения общей толщины ее стенок. Это имеет важное значение для предотвращения деформации и улучшения соотношения прочности к весу. Включая ребра жесткости, конструктор может сохранить тонкое и равномерное сечение стенки по всей детали, одновременно усиливая критические участки. Для достижения наилучших результатов толщина ребер должна составлять часть от основной толщины стенки, обычно около 60%, чтобы предотвратить появление следов усадки на противоположной поверхности. Кроме того, ребра могут выполнять функцию каналов, способствующих заполнению расплавленным металлом удаленных или сложных областей пресс-формы.

Опорные бобышки представляют собой цилиндрические выступы, которые служат точками крепления, дистанционными элементами или местами для крепежа. Вместо сверления отверстий в толстой части детали после литья, бобышки могут быть непосредственно интегрированы в конструкцию, что позволяет значительно сэкономить время и избежать дополнительных операций. Чтобы соблюдать принцип равномерной толщины стенок, бобышки следует выполнять с отверстиями по центру, то есть с просверленным сквозным отверстием. Это предотвращает образование массивных участков материала, которые будут медленно охлаждаться и вызывать дефекты. Их также следует соединять с основными стенками посредством достаточно больших скруглений и ребер жесткости для обеспечения прочности и плавного потока металла.

Чтобы дополнительно снизить расход материала и массу детали, конструкторы могут стратегически добавлять карманы или полые секции. Этот процесс, часто называемый «вырезанием сердечника», удаляет материал из областей, которые не являются структурно критичными. Создавая такие полости, можно поддерживать постоянную толщину стенок по всему компоненту, даже при сложных геометриях. Это не только снижает затраты на материалы, но и сокращает время охлаждения в форме, что приводит к более быстрым производственным циклам. Необходим тщательный анализ, чтобы убедиться, что полости не нарушают общую прочность или функциональность детали.

Оптимизация формы и выталкивания: линии разъема, поднутрения и штифты

Успешная литая часть - это продукт синергии между геометрией части и механикой формы. Решения по проектированию, принятые без учета инструментария, могут привести к дорогостоящим, сложным формам и высоким показателям дефектов. Ключевые соображения в этой области включают размещение разделительной линии, управление подрезаниями и расположение выбросных булав. В этих областях продуманный дизайн упрощает инструмент, снижает затраты и гарантирует, что часть после литья можно надежно удалить из штампа.

Компания линия разъема это швов, где две половины коробки встречаются. Его расположение является одним из первых и наиболее важных решений в разработке инструмента, поскольку оно влияет почти на каждую другую функцию. Простая, плоская разделительная линия всегда предпочтительна, так как она облегчает и дешевле обрабатывает инструмент. Сложная, неплоская разделительная линия может значительно увеличить затраты на инструменты и может привести к проблемам с блеском тонкой сети избыточного металла, которая просачивается в шве и должна быть удалена во вторичной операции. Дизайнеры должны стремиться ориентировать деталь таким образом, чтобы она была максимально прямой.

Прорези являются особенностями, которые предотвращают прямую выброс части из простой двухчастичной формы. К ним относятся углубленные поверхности или особенности, которые заставляют деталь заперться в штампе. Хотя иногда это необходимо для функциональности, подрезы следует избегать, когда это возможно, потому что они требуют боковых ядер или скользящих компонентов внутри штампа, которые образуют подрезку, а затем отступают перед выбросом. Эти механизмы добавляют значительные затраты, сложность и потенциальные точки сбоя инструмента. Если неотвратимость подрезания, важно работать с партнером по производству, чтобы найти наиболее эффективное решение инструмента. Компании, обладающие собственными возможностями проектирования штампов, могут предложить ценный опыт в оптимизации сложных инструментов для их изготовления.

И наконец, выталкивающие штифты это стальные стержни, которые выталкивают затвердевшую отливку из полости пресс-формы. Эти штифты необходимы для удаления детали, но неизбежно оставляют небольшие круглые следы на поверхности детали. Задача конструктора — определить некритичные или нетоварные поверхности, где такие следы будут допустимы. Размещение следов от выталкивателей на плоских и прочных поверхностях является идеальным решением, поскольку это обеспечивает равномерное распределение усилия при выталкивании и минимизирует риск деформации детали. Раннее согласование с изготовителем пресс-форм таких допустимых мест размещения предотвращает возникновение дефектов внешнего вида на конечном продукте.

Чек-лист проектирования для удобного выталкивания

• Упростите линию разъёма, сделав её максимально плоской и прямой.
• По возможности устраните углубления, чтобы избежать необходимости в дорогостоящих боковых вставках и сдвижных элементах.
• Предусмотрите достаточные углы выталкивания на всех поверхностях, параллельных движению пресс-формы.
• Определите нетоварные поверхности, где допустимо наличие следов от штифтов выталкивателя.
• Убедитесь, что выталкивающие штифты расположены на плоских, устойчивых поверхностях, чтобы предотвратить деформацию во время выталкивания.

Часто задаваемые вопросы о DFM литья под давлением

1. Что входит в проектирование для изготовления (DFM)?

Проектирование для изготовления (DFM) при литье под давлением включает в себя набор принципов, направленных на упрощение и оптимизацию конструкции детали для удобства производства. Основные аспекты: применение углов выталкивания, обеспечение одинаковой толщины стенок для предотвращения дефектов, использование скруглений и радиусов для избежания острых углов, а также конструирование элементов, таких как ребра жесткости и бобышки, для повышения прочности при снижении расхода материала. Также рассматриваются вопросы оснастки, например, упрощение линии разъема и исключение подрезов.

2. Как подойти к проектированию с учетом технологичности?

Подход начинается на раннем этапе проектирования с учётом всего производственного процесса. Он предполагает взаимодействие с инженерами-технологами для выявления потенциальных производственных трудностей. Ключевые шаги включают упрощение конструкции, сокращение количества деталей, стандартизацию компонентов, где это возможно, и соблюдение правил, специфичных для конкретных процессов, таких как литьё под давлением (угол облоя, толщина стенок и т.д.). Цель состоит в том, чтобы заблаговременно решать производственные проблемы на стадии проектирования, где изменения обходятся дёшево, а не на производстве, где они становятся дорогостоящими.

3. Что характеризует проектирование с учетом технологичности?

Конструирование с учётом технологичности характеризуется акцентом на эффективность, снижение затрат и повышение качества за счёт продуманного выбора конструктивных решений. Конструкция, оптимизированная с точки зрения технологичности, как правило, проще, использует меньше материалов, требует меньшего количества дополнительных операций и отличается более низким процентом брака. Это отражает глубокое понимание возможностей и ограничений выбранного производственного процесса, что приводит к созданию продукта, который не только функционален, но и экономически выгоден и надёжен при массовом производстве.