ZKRATKA

Navrhovanie obrábania pri tlakovom liatí je kľúčovou inžinierskou disciplínou, ktorá aplikuje princípy Návrhu pre výrobnosť (DFM) na optimalizáciu súčiastky pre počiatočný proces liatia aj pre prípadné sekundárne obrábanie. Úspech závisí od vyváženia prvkov, ktoré zabezpečujú hladký tok kovu a jednoduché vysunutie dielu – ako sú sklonové uhly, rovnomerná hrúbka stien a široké zaoblenia – spolu s úpravami pre následné obrábanie, napríklad pridaním dostatočného materiálového prídavku pre prísne tolerované prvky. Tento integrovaný prístup je nevyhnutný pre zníženie nákladov, minimalizáciu chýb a vytvorenie kvalitného a ekonomického finálneho produktu.

Základy návrhu pre výrobnosť (DFM) pre súčiastky z tlakového liatia

V jadre vytvárania úspešných súčiastok z tlakového liatia sa nachádza metodika Návrhu pre výrobnosť (DFM). Ako je vysvetlené v príručke pre začiatočníkov od spoločnosti Dynacast , DFM je postup navrhovania súčiastok tak, aby sa vyrábali čo najefektívnejšie a najnákladovejšie. Hlavným cieľom je znížiť objem materiálu, minimalizovať hmotnosť a predovšetkým obmedziť potrebu sekundárnych operácií, ako je obrábanie, ktoré môže tvoriť významnú časť celkových nákladov na súčiastku. Riešením potenciálnych výrobných problémov už v počiatočnom štádiu návrhu môžu inžinieri zabrániť drahým opravám neskôr.

Kľúčové strategické rozhodnutie pri DFM je voľba medzi frézovaním a odliatím, najmä pokiaľ ide o celý životný cyklus výrobku od prototypu po hromadnú výrobu. Frézovanie dominuje pri prototypovaní, keďže ponúka rýchlosť a flexibilitu. Súbor CAD sa môže stať fyzickou súčiastkou už za niekoľko dní, čo umožňuje rýchle iterácie bez vysokých počiatočných nákladov na nástroje. Avšak frézovanie je drahé na základe jednotlivých súčiastok. Naopak, odliatie je silné pri sériovej výrobe. Hoci vyžaduje výraznú počiatočnú investíciu do nástrojov – často s dodacími lehotami 20–25 týždňov – cena za kus výrazne klesá pri vysokých objemoch, ako uvádza strategická analýza spoločnosti Modus Advanced .

Tento ekonomický kompromis často vedie k „dvojitému prístupu k návrhu“. Návrh prototypu je optimalizovaný pre CNC obrábanie, čo umožňuje ostré rohy a premenné hrúbky stien, ktoré uľahčujú rýchle testovanie. Samostatný výrobný návrh je potom vytvorený s vlastnosťami vhodnými pre liatie, ako sú sklonové uhly a rovnomerné steny. Porozumenie tomuto rozdielu je nevyhnutné na efektívne riadenie časových harmonogramov a rozpočtov.

Nasledujúca tabuľka ilustruje typické náklady na súčiastku pri obrábaní a liatí pri rôznych objemoch výroby, čo demonštruje zrejmú ekonomickú výhodu hromadného liatia.

Základné princípy návrhu tlakových odlievok pre obrobiteľnosť

Úspešná tlakovo odlievaná súčiastka, ktorá je tiež pripravená na ďalšiu obrábkovanie, závisí od súboru základných princípov návrhu. Tieto pravidlá riadia, ako roztavený kov prúdi do formy, chladne a vysúva sa, a to všetko s ohľadom na potrebné dokončovacie práce. Ovládnutie týchto konceptov je nevyhnutné pre efektívne vytváranie pevných a vysokej kvality komponentov.

Rozdeľovacie roviny a skosenia

The rozdeľovacia čiara je miesto, kde sa stretávajú dve polovice formy. Umiestnenie tejto plochy je jedným z prvých a najdôležitejších rozhodnutí, pretože ovplyvňuje umiestnenie lipty (nadbytočného materiálu, ktorý musí byť odstránený) a zložitosť nástroja. Najlepším postupom je umiestniť rozdeľovacie roviny na hrany, ktoré sú ľahko prístupné na orezávanie. Dôležitou súvisiacou vlastnosťou je vyberací uhol , čo predstavuje mierne zúženie všetkých plôch rovnobežných so smerom pohybu formy. Toto zúženie, zvyčajne 1–2 stupne pre hliník, je nevyhnutné na to, aby sa diel dalo vyhodiť bez poškodenia alebo nadmerného opotrebenia nástroja, ako je uvedené v príručke pre začiatočníkov od spoločnosti Dynacast . Vnútorné steny vyžadujú väčší sklon ako vonkajšie steny, pretože kov pri chladení na nich smršťuje.

Rovnomerná hrúbka steny

Zachovanie konštantnej hrúbky stien po celom diele je pravdepodobne najdôležitejším pravidlom pri návrhu tlakového liatia. Nerovnomerné steny spôsobujú nerovnomerné chladenie, čo vedie k chybám ako pórovitosť, smršťovanie a krčenie. Hrubé časti potrebujú na zatuhnutie dlhšiu dobu, čo predlžuje cykly a spôsobuje vnútorné napätia. Ak sa rozdielnej hrúbke stien nedá vyhnúť, mali by byť navrhnuté postupné prechody. Na zachovanie rovnomernosti pri prvku ako sú bočiaky, by mali konštruktéri vyhĺbiť ich dutinu a pridať žebra na zvýšenie pevnosti namiesto toho, aby ich nechali ako plné bloky materiálu.

Zaoblenia, polomery a žebra

Ostré hrany sú škodlivé pre proces liatia aj pre celistvosť finálneho dielu. Fillets (zaoblené vnútorné rohy) a polomerové zaoblenia (zaoblené vonkajšie rohy) sú kľúčové pre hladký tok roztaveného kovu a zníženie koncentrácie napätia v die a v odliatom diele. Široké polomery zabránia turbulencii počas vstrekovania a eliminujú potrebu sekundárnych odhrotovacích operácií. Rebríky sú konštrukčné zosilnenia, ktoré zvyšujú pevnosť tenkých stien bez výrazného zvýšenia objemu materiálu alebo hmotnosti. Zároveň slúžia ako kanály na lepší tok kovu do vzdialených oblastí formy. Pre optimálne rozloženie napätia sa často odporúča použiť nepárny počet žriebrov.

Nasledujúca tabuľka sumarizuje osvedčené postupy pre tieto základné konštrukčné prvky.

Strategické zváženia pre operácie po obrábaní

Hoci cieľom DFM je vytvoriť diel priamo z formy v konečnom tvare, často je potrebné poformovanie dosiahnuť funkcie, ktoré odliatok nemôže vytvoriť, ako závitované otvory, extrémne rovinné povrchy alebo tolerancie tesnejšie, než umožňuje odlievanie. Úspešný dizajn tieto sekundárne operácie očakáva už od začiatku. Kľúčom je považovať odlievanie a obrábanie za doplňujúce procesy, nie za izolované kroky.

Jednou z najdôležitejších úvah je pridanie dostatočného zásobníka na obrábanie . To znamená navrhnúť odliatok s dodatočným materiálom v oblastiach, ktoré budú neskôr opracovávané. Existuje však jemná rovnováha. Odstránenie príliš veľa materiálu môže odhaliť podpovrchovú pórozosť, ktorá je neoddeliteľnou súčasťou mnohých tlakovoliatej odliatkov. Bežnou praxou, ako je uvedené v sprievodcovi od General Die Casters , je ponechať práve dostatočné množstvo materiálu na vyčistenie povrchu a dosiahnutie finálneho rozmeru bez toho, aby sa príliš hlboko rezálo do jadra súčiastky. Tento prídavok je zvyčajne v rozmedzí 0,015" až 0,030". Aby sa predišlo zmätku, niektorí konštruktéri poskytujú dva samostatné výkresy: jeden pre odliatok „ako odliaty“ a druhý pre „finálne hotový“ diel po obrábaní.

Geometria dielu musí byť navrhnutá aj s ohľadom na fyzickú prístupnosť. To zahŕňa poskytnutie stabilných, rovných plôch na pevné upnutie dielu do CNC stroja. Navyše musia návrhári strategicky umiestniť prvky, ako sú vysúvacie kolíky, mimo povrchov, ktoré budú obrábané, aby sa predišlo kosmetickým chybám alebo interferencii s nástrojmi. Každé konštrukčné rozhodnutie by malo byť vyhodnotené z hľadiska jeho vplyvu na liaci formu aj následné upínacie prípravky pre obrábanie.

Na preklenutie medzery medzi týmito dvoma procesmi dodržiavajte nasledujúci kontrolný zoznam pre návrh tlakového liatia pripraveného na obrábanie:

• Časné určenie obrábaných prvkov: Jednoznačne definujte povrchy a prvky, ktoré vyžadujú obrábanie kvôli tesným toleranciám, rovinatosti alebo závitom.
• Pridanie vhodného materiálu pre obrábanie: Zahrňte dodatočný materiál (napr. 0,5 mm až 1 mm) na povrchy určené na obrábanie, ale vyhýbajte sa nadmernému materiálu, ktorý by mohol odhaliť pórovitosť.
• Navrhujte s ohľadom na upínanie: Uistite sa, že diel má stabilné, rovnobežné povrchy, ktoré možno jednoducho a bezpečne upnúť pri CNC operáciách.
• Optimalizujte umiestnenie vyháňacích kolíkov: Umiestnite vyháňacie kolíky na nekritické, nemerené povrchy, ako sú žebra alebo nástavce, aby sa zabránilo poškriabaniu dokončených plôch.
• Zvoľte prístupnosť nástroja: Uistite sa, že oblasti vyžadujúce obrábanie možno dosiahnuť štandardnými reznými nástrojmi bez komplexných nastavení.
• Zachovajte konzistentnosť referenčných plôch: Používajte rovnaké referenčné body pre odlievanie aj výkresy na obrábanie, aby ste zabezpečili presnosť rozmerov.

Výber materiálu: Vplyv na odliatie a obrábanie

Voľba zliatiny je základné rozhodnutie, ktoré výrazne ovplyvňuje návrh odliatku aj jeho následné obrábanie. Rôzne kovy majú odlišné vlastnosti, pokiaľ ide o tekutosť, smršťovanie, pevnosť a tvrdosť, čo určuje všetko – od minimálnej hrúbky steny až po potrebné úkosy. Najčastejšie používané zliatiny pri tlakovom liatí sú hliník, zinok a horčík, pričom každá ponúka jedinečnú kombináciu výhod a nevýhod.

Hliníkové zliatiny, ako napríklad A380, sú obľúbené vďaka vynikajúcej rovnováhe pevnosti, nízkej hmotnosti a tepelnej vodivosti. Sú preferovanou voľbou pre mnoho automobilových a priemyselných aplikácií. Zinkové zliatiny, ako napríklad Zamak 3, ponúkajú vynikajúcu tekutosť, čo im umožňuje vyplniť extrémne tenké steny a vytvárať komplikované, zložité geometrie s vynikajúcimi povrchovými úpravami. Zinok tiež spôsobuje menšie opotrebovanie formy, čo vedie k dlhšej životnosti nástrojov. Horčík je najľahší zo zvyčajných konštrukčných kovov, čo ho robí ideálnym pre aplikácie, kde je rozhodujúce zníženie hmotnosti, hoci s ním môže byť ťažšie pracovať.

Voľba materiálu priamo ovplyvňuje pravidlá pre návrh. Napríklad podľa odvetvových smerníc možno zinok odlievať s vyberacími uhlami až 0,5 stupňa a tenkými stenami, zatiaľ čo hliník bežne vyžaduje 1–2 stupne vyberacieho uhla a o niečo hrubšie prierezy. Pri zohľadňovaní materiálov pre aplikácie za vysokého zaťaženia, najmä v automobilovom priemysle, stojí za zmienku, že iné výrobné procesy, ako napríklad kovanie, môžu byť vhodnejšie. Napríklad spoločnosti špecializujúce sa na presne spracované kované automobilové diely dokážu poskytnúť komponenty s vynikajúcou pevnosťou a trvanlivosťou pre kritické aplikácie.

Nasledujúca tabuľka porovnáva bežné zliatiny pre tlakové liatie, aby pomohla pri rozhodovaní o voľbe materiálu.

Vyváženie liatia a obrábania pre úspech

Nakoniec kľúčom k vynikajúcemu návrhu die cast súčiastok pripravených na obrábanie je komplexný prístup. Vyžaduje si zrušenie izolovaného spôsobu uvažovania, pri ktorom sa liatie a obrábanie považujú za samostatné problémy. Namiesto toho musia konštruktéri tieto dva procesy vnímať ako dve integrované fázy jednej jedinéj výrobnej stratégie. Najnákladovo efektívnejšie a najkvalitnejšie fungujúce komponenty vznikajú z konštrukcie, ktorá elegantne zohľadňuje požiadavky oboch procesov.

To znamená prijať základné princípy DFM: usilovať sa o rovnomernú hrúbku stien, začleniť dostatočné vyberanie a zaoblenia a čo najviac minimalizovať zložitosť. Súčasne to zahŕňa strategické plánovanie potrebných sekundárnych operácií pridaním materiálu pre následné obrábanie, navrhnutie spoľahlivého upínania a zachovanie konzistentnosti kritických referenčných plôch. Tým, že inžinieri urobia informované rozhodnutia pri výbere materiálu a pochopia ekonomické kompromisy medzi nízkym objemom obrábania a vysokým objemom odliatkov, môžu s istotou a efektívnosťou prejsť cestou od prototypu po výrobu.

Často kladené otázky

1. Aká je najčastejšia chyba pri návrhu tlakového liatia?

Najčastejšou chybou je nerovnomerná hrúbka stien. Náhle prechody z tenkých na hrubé časti spôsobujú nerovnomerné chladenie, čo vedie k celému radu problémov vrátane pórovitosti, dier a vnútorných napätí, ktoré môžu ohroziť štrukturálnu pevnosť dielu.

2. Koľko materiálu by malo zostať pre následnú obrábaciu operáciu?

Všeobecné pravidlo je nechať medzi 0,015 až 0,030 palca (alebo 0,4 mm až 0,8 mm) navyše materiálu, čo sa často nazýva rezervou na obrábanie. Toto množstvo je zvyčajne dostatočné na to, aby rezný nástroj mohol vytvoriť čistý, presný povrch, aniž by reзал príliš hlboko a odhalil potenciálnu podpovrchovú pórovitosť odliatku.

3. Prečo sú ostré vnútorné rohy nevhodné pre tlakové liatie?

Ostré vnútorné rohy spôsobujú niekoľko problémov. Zhoršujú tok roztaveného kovu, čo spôsobuje turbulencie a možné chyby. Zároveň pôsobia ako koncentrátory napätia nielen vo finálnom diele, ale aj v samotnej ocelovej forme, čo môže viesť k trhlinám a predčasnému poškodeniu nástroja. Použitie zaoblení (fazet) na zaoblenie týchto rohov je nevyhnutné pre kvalitu a dlhú životnosť nástroja.