Коротко

Проектування оброблюваних деталей з литих під тиском заготовок є важливою інженерною дисципліною, яка застосовує принципи проектування для технологічності (DFM) з метою оптимізації компонента як для початкового процесу лиття, так і для будь-якої необхідної вторинної механічної обробки. Успіх залежить від балансу між конструктивними елементами, що забезпечують плавне заповнення форми металом і легке витягування деталі — такими як конусність, рівномірна товщина стінок і достатньо великі закруглення, — та передбаченням можливостей для подальшої механічної обробки, наприклад, додаванням достатнього припуску матеріалу для елементів із жорсткими допусками. Такий комплексний підхід має вирішальне значення для зниження вартості, мінімізації дефектів і створення якісного та економічного кінцевого продукту.

Основи проектування для технологічності (DFM) для деталей литих під тиском

Однією з ключових основ створення успішних компонентів лиття під тиском є методологія проектування для технологічності (DFM). Як пояснюється в посібнику для початківців від Dynacast , DFM — це практика проектування деталей таким чином, щоб їх можна було виготовляти найбільш ефективно та з мінімальними витратами. Основними цілями є зменшення об'єму матеріалу, мінімізація ваги та, що особливо важливо, обмеження необхідності вторинних операцій, таких як механічна обробка, яка може становити значну частину загальної вартості деталі. Вирішуючи потенційні проблеми виробництва на етапі проектування, інженери можуть запобігти дорогим виправленням на пізніших етапах.

Ключовим стратегічним рішенням у DFM є вибір між обробкою та литтям, особливо якщо враховувати весь життєвий цикл продукту — від прототипу до масового виробництва. Обробка є лідером на етапі прототипування, забезпечуючи швидкість і гнучкість. CAD-файл можна перетворити на фізичну деталь за кілька днів, що дозволяє швидко вносити зміни без значних попередніх витрат на оснастку. Однак обробка є дорогою у розрахунку на одну деталь. Навпаки, лиття — це основа серійного виробництва. Хоча воно вимагає значних початкових інвестицій у оснастку — часто з термінами виготовлення 20–25 тижнів — вартість одиниці продукції різко знижується при великих обсягах, як зазначено в стратегічному аналізі Modus Advanced .

Цей економічний компроміс часто призводить до «двопроектного підходу». Проект прототипу оптимізується для обробки на CNC, що дозволяє гострі кути та змінну товщину стінок, які сприяють швидкому тестуванню. Потім створюється окремий виробничий проект із ознаками, придатними для лиття, такими як конусність і однакова товщина стінок. Розуміння цієї відмінності має важливе значення для ефективного управління термінами та бюджетами.

Наведена нижче таблиця ілюструє типові компроміси вартості на деталь між обробкою та литтям при різних обсягах виробництва, що демонструє чітку економічну вигоду лиття в масштабі.

Основні принципи проектування лиття під тиском для оброблюваності

Успішна деталь лиття під тиском, яка також готова до механічної обробки, базується на низці фундаментальних принципів проектування. Ці правила визначають, як розплавлений метал потрапляє в форму, охолоджується та виштовхується, передбачаючи при цьому необхідні остаточні операції. Володіння цими концепціями є важливим для ефективного створення міцних деталей високої якості.

Лінії роз'єднання та кути випуску

The лінія роз'єднання це місце, де зустрічаються дві половинки форми. Розташування лінії роз'єднання — одне з перших і найважливіших рішень, оскільки воно впливає на розташування заливок (зайвого матеріалу, який потрібно зрізати) та складність інструменту. Як краща практика, лінії роз'єднання слід розміщувати на краях, які легко доступні для зрізання. Важливою пов’язаною ознакою є кут випуску , що являє собою невелике ухил на всіх поверхнях, паралельних руху матриці. Цей ухил, як правило, 1–2 градуси для алюмінію, є необхідним для того, щоб деталь можна було виштовхнути без пошкодження або надмірного зносу інструменту, про що зазначено в посібнику для початківців від Dynacast . Внутрішні стіни потребують більшого ухилу, ніж зовнішні, оскільки метал стискається на них під час охолодження.

Однорідна товщина стінки

Збереження постійної товщини стінок по всій деталі, мабуть, є найважливішим правилом при проектуванні лиття під тиском. Нерівномірні стінки призводять до неоднакового охолодження, що спричиняє дефекти, такі як пористість, усадка та деформація. Товсті ділянки довше затвердівають, збільшуючи тривалість циклу та створюючи внутрішні напруження. Якщо зміни товщини неможливо уникнути, їх слід виконувати з плавними переходами. Для забезпечення однорідності таких елементів, як боси, конструктори повинні виконувати їх з отвором всередині та додавати ребра жорсткості замість того, щоб залишати суцільні масиви матеріалу.

Філети, радіуси та ребра

Гострі кути шкідливі як для процесу лиття, так і для цілісності готової деталі. Fillets (заокруглені внутрішні кути) та радіуси (заокруглені зовнішні кути) мають вирішальне значення для забезпечення плавного руху розплавленого металу та зменшення концентрації напружень у формі та відлитій деталі. Достатньо великі радіуси запобігають турбулентності під час впресовування і усувають необхідність додаткових операцій зачистки. Ребра ребра жорсткості — це конструктивні підсилювальні елементи, які збільшують міцність тонких стінок без суттєвого збільшення об’єму матеріалу або ваги. Вони також виступають каналами, що сприяють проникненню металу в віддалені ділянки форми. Для оптимального розподілу напружень часто рекомендується використовувати непарну кількість ребер.

Наведена нижче таблиця узагальнює найкращі практики щодо цих основних конструктивних особливостей.

Стратегічні міркування щодо операцій після обробки

Хоча метою DFM є створення деталі остаточної форми безпосередньо з матриці, додаткова механічна обробка часто необхідна для отримання елементів, які лиття не може забезпечити, наприклад різьбові отвори, надточні плоскі поверхні або допуски точніші, ніж може забезпечити лиття. Успішний дизайн передбачає ці додаткові операції з самого початку. Ключовий момент полягає в тому, щоб розглядати лиття та механічну обробку як доповнюючі процеси, а не окремі етапи.

Одним із найважливіших аспектів є додавання достатньої машинний склад - Я не знаю. Це означає, що виготовлення відливки має бути виконано з додатковим матеріалом, який буде оброблений пізніше. Однак є делікатний баланс. Вилучення занадто великої кількості матеріалу може виявити пористості під поверхнею, яка властива багатьом литівним деталям. Зазвичай це практика, як зазначено в керівництві General Die Casters , це залишити достатньо запасу для очищення поверхні і досягнення кінцевого виміру, не роблячи надто глибокого різання в ядро частини. Цей запас зазвичай в діапазоні від 0,015 до 0,030". Щоб уникнути плутанини, деякі конструктори надають два окремих креслення: один для "виливної" частини і інший для "кінцевої готової" частини після обробки.

Геометрія деталі також має бути розроблена з урахуванням фізичної доступності. Це включає наявність стабільних, плоских поверхонь для надійного затиснення деталі у верстаті з ЧПУ. Крім того, конструктори повинні стратегічно розміщувати елементи, такі як виштовхувачі, подалі від будь-яких поверхонь, які будуть оброблятися, щоб уникнути косметичних дефектів або перешкоджання роботі різального інструменту. Кожен проектний вибір слід оцінювати з точки зору його впливу на литтєву форму та наступні пристрої для механічної обробки.

Щоб допомогти усунути розрив між цими двома процесами, дотримуйтесь цього контрольного списку для розробки литих деталей, готових до механічної обробки:

• Раннє визначення поверхонь, що підлягають обробці: Чітко визначте, які поверхні та елементи потребують механічної обробки для забезпечення жорстких допусків, плоскості або нарізання різьби.
• Додавання відповідного припуску під механічну обробку: Передбачте додатковий матеріал (наприклад, 0,5–1 мм) на поверхнях, які будуть оброблятися, але уникайте надмірного припуску, який може викрити пористість.
• Конструювання з урахуванням базування: Переконайтеся, що деталь має стабільні, паралельні поверхні, які можна легко та надійно закріпити під час операцій ЧПУ.
• Оптимізуйте розташування витискних штифтів: Розміщуйте витискні штифти на некритичних, немеханічно оброблених поверхнях, таких як ребра або боси, щоб запобігти пошкодженню готових поверхонь.
• Враховуйте доступність інструменту: Переконайтеся, що ділянки, які потребують механічної обробки, можна обробити стандартними різальними інструментами без складних налаштувань.
• Дотримуйтесь узгодженості базових поверхонь: Використовуйте ті ж базові точки для креслень лиття та механічної обробки, щоб забезпечити точність розмірів.

Вибір матеріалу: вплив на лиття та оброблюваність

Вибір сплаву — це фундаментальне рішення, яке суттєво впливає як на конструкцію лиття, так і на подальшу оброблюваність. Різні метали мають власні властивості щодо рухливості, усадки, міцності та твердості, що визначає все — від мінімальної товщини стінок до необхідних кутів випуску. Найпоширенішими сплавами, що використовуються у литті під тиском, є алюміній, цинк та магній, кожен з яких має свої унікальні компроміси.

Сплави алюмінію, такі як A380, популярні завдяки чудовому поєднанню міцності, легкості та теплопровідності. Вони є найпоширенішим вибором для багатьох автомобільних і промислових застосувань. Сплави цинку, наприклад Zamak 3, мають виняткову рухливість, що дозволяє їм заповнювати надзвичайно тонкі стінки та створювати складні геометрії з відмінною якістю поверхні. Цинк також спричиняє менший знос форми, що забезпечує довший термін служби інструменту. Магній — найлегший із поширених конструкційних металів, що робить його ідеальним для застосувань, де вирішальне значення має зменшення ваги, хоча працювати з ним може бути складніше.

Вибір матеріалу безпосередньо впливає на правила проектування. Наприклад, згідно з галузевими рекомендаціями, цинк можна лити під кутами випуску до 0,5 градуса та з тоншими стінками, тоді як алюміній зазвичай потребує 1–2 градуси випуску та трохи товщих перерізів. При виборі матеріалів для застосування в умовах високого навантаження, особливо в автомобільній галузі, варто враховувати, що інші технології виробництва, такі як кування, можуть бути більш придатними. Наприклад, компанії, що спеціалізуються на прецизійних кованих автозапчастин, можуть поставляти компоненти з підвищеною міцністю та довговічністю для критичних застосувань.

У таблиці нижче порівняно поширені сплави для лиття під тиском, щоб допомогти у виборі.

Поєднання лиття та обробки для досягнення успіху

У кінцевому підсумку, високий рівень проектування деталей під обробку у виливках методом високоточного лиття забезпечується комплексним підходом. Потрібно відмовитися від ізольованого ставлення до лиття та механічної обробки як окремих процесів. Натомість конструктори мають сприймати їх як два взаємопов’язаних етапи єдиного виробничого процесу. Найбільш ефективні з точки зору вартості та продуктивності компоненти створюються завдяки конструкції, яка гармонійно враховує вимоги обох процесів.

Це означає дотримання основних принципів DFM: прагнення до однакової товщини стінок, включення достатніх ухилів і закруглень, а також мінімізація складності будь-де, де це можливо. Водночас це передбачає стратегічне планування необхідних вторинних операцій шляхом додавання припуску на механічну обробку, проектування з урахуванням надійного закріплення та збереження постійності критичних баз. Роблячи обґрунтований вибір матеріалу та розуміючи економічні компроміси між механічною обробкою малої серії та литтям великої серії, інженери можуть впевнено та ефективно пройти шлях від прототипу до виробництва.

Поширені запитання

1. Яка найпоширеніша помилка при проектуванні литих форм?

Найпоширенішою помилкою є неоднорідна товщина стінок. Різкі переходи від тонких до товстих ділянок призводять до нерівномірного охолодження, що спричиняє низку проблем, включаючи пористість, втяжки та внутрішні напруження, які можуть порушити структурну цілісність деталі.

2. Скільки матеріалу слід залишати для подальшої механічної обробки?

Загальне правило — залишати додатковий матеріал товщиною від 0,015 до 0,030 дюймів (або від 0,4 мм до 0,8 мм), який часто називають припуском на обробку. Цього зазвичай достатньо, щоб інструмент міг створити чисту, точну поверхню, не роблячи занадто глибокого різу, який може виявити потенційну підповерхневу пористість лиття.

3. Чому гострі внутрішні кути шкідливі для лиття під тиском?

Гострі внутрішні кути створюють кілька проблем. Вони ускладнюють течію розплавленого металу, спричиняючи турбулентність і потенційні дефекти. Крім того, вони діють як концентратори напруження як у готовій деталі, так і у самій сталевій формі, що може призводити до тріщин і передчасного виходу інструменту з ладу. Використання закруглень для заокруглення цих кутів є необхідним для забезпечення якості та довговічності інструменту.