Практичний DFM у литті під тиском: стратегії економії та якості

Коротко

Проектування лиття під тиском з урахуванням технологічності (DFM) — це важлива інженерна практика, спрямована на оптимізацію конструкції деталей для ефективного та економічного виробництва. Основною метою є мінімізація складності виробництва, що, у свою чергу, зменшує витрати та підвищує якість кінцевого продукту. Це передбачає дотримання фундаментальних принципів, таких як застосування конусності для легкого видалення деталі з форми, забезпечення рівномірної товщини стінок для запобігання дефектам, наприклад пористості, та стратегічне використання елементів, таких як закруглення та ребра жорсткості, для підвищення міцності при мінімальному використанні матеріалу.

Основні принципи DFM для лиття під тиском: конусність, товщина стінок і радіуси

Основою ефективного проектування лиття під тиском з орієнтацією на технологічність є кілька ключових принципів, які безпосередньо впливають на якість, вартість і швидкість виробництва. Опанування цих понять — це перший крок до створення деталі, яка не лише функціональна, але й економічно вигідна у виробництві. Ігнорування цих принципів може призвести до серії проблем — від ускладненого видалення виробу та втрат матеріалу до критичних структурних пошкоджень. Ці основні положення — нахил (draft), товщина стінок, а також використання скруглень і радіусів — враховують фізику руху розплавленого металу та його затвердіння всередині форми.

A кут випуску це незначний нахил, який надається всім поверхням, паралельним напрямку відкриття форми. Цей невеликий нахил, зазвичай в межах від 1 до 3 градусів, має вирішальне значення для того, щоб виливок міг чисто видалятися з прес-форми без пошкоджень. Коли розплавлений метал остигає та стискається, він може щільно прилягати до внутрішніх елементів форми. За відсутності нахилу зусилля видалення можуть деформувати або розірвати деталь. Як детально описано в Керівництво з дизайну Gabrian , зовнішні стіни потребують меншого нахилу, оскільки деталь стискується від них, тоді як внутрішні стіни та отвори потребують більшого нахилу, бо метал стискається навколо них.

Підтримування однорідна товщина стінки є, мабуть, одним із найважливіших правил DFM. Коли товщина стінок значно варіюється, розплавлений метал остигає з різною швидкістю. Більш товсті ділянки довше затвердівають, що може призвести до внутрішніх напружень, пористості (бульбашок газу) та провалів на поверхні. Навпаки, надто тонкі стінки можуть спричинити передчасне затвердіння металу, унеможливлюючи повне заповнення форми — цей дефект називається неповним литтям. Більшість конструкцій передбачає товщину стінок від 1,5 мм до 4 мм. Якщо варіації товщини неминучі, перехід має бути плавним і рівномірним, щоб забезпечити стабільний потік та охолодження металу.

Нарешті, важливо уникати гострих кутів. Цього досягають шляхом впровадження закруглення та радіуси —закруглені переходи між поверхнями. Фаски застосовуються до внутрішніх кутів, а радіуси — до зовнішніх кутів. Гострі внутрішні кути створюють концентрації напруження, які можуть стати точками руйнування під навантаженням. Вони також порушують плавний рух розплавленого металу, викликаючи турбулентність, що може призвести до утворення пор. Додавання достатніх фасок і радіусів, навіть таких малих, як 0,5 мм, покращує течію металу, зміцнює деталь і сприяє отриманню більш міцного та надійного кінцевого продукту.

Основні рекомендації щодо проектування

• Кути випуску: Застосовуйте нахил щонайменше 1–2 градуси на всі вертикальні поверхні для забезпечення легкого видалення деталі. Збільшуйте кут для внутрішніх стінок і глибоких елементів.
• Товщина стіни: Прагніть до однаковості товщини по всій деталі. Якщо товщина має змінюватися, використовуйте плавні переходи, щоб запобігти дефектам і забезпечити рівномірне охолодження.
• Фаски та радіуси: Замініть усі гострі кути на закруглені ребра. Використовуйте фаски на внутрішніх кутах і радіуси на зовнішніх кутах, щоб зменшити напруження та поліпшити течію металу.

Посилення деталей та зменшення ваги: ребра, виступи та кармані

Однією з головних цілей DFM є виготовлення деталей, які відповідають вимогам міцності без надлишкового матеріалу, що збільшує вартість та тривалість циклів. Три ключові елементи допомагають конструкторам досягти цього балансу: ребра, виступи та кармані. При правильному проектуванні ці елементи підвищують структурну цілісність і функціональність, одночасно оптимізуючи деталь для процесу лиття під тиском. Вони дозволяють створювати міцні, легкі конструкції, які ефективно виробляти.

Ребра є тонкими, стінкоподібними елементами, які використовуються для підтримки та збільшення жорсткості деталі без збільшення загальної товщини її стінок. Це має важливе значення для запобігання деформації та покращення співвідношення міцності до ваги. Впровадження ребер дозволяє конструктору зберігати тонкий, рівномірний переріз стінки по всій деталі, одночасно посилюючи критичні ділянки. Для досягнення оптимальних результатів ребра слід проектувати такими, що становлять частку від основної товщини стінки — зазвичай близько 60%, аби запобігти утворенню вм’ятин на протилежній поверхні. Крім того, ребра можуть виконувати функцію каналів, сприяючи розтіканню розплавленого металу в далекі або складні ділянки форми.

Опори є циліндричними виступами, які служать точками кріплення, дистанційними елементами або місцями для кріпіжних деталей. Замість свердління отворів у товстій частині деталі після лиття, боси можна безпосередньо інтегрувати у конструкцію, що значно економить час і усуває необхідність у вторинних операціях. Щоб дотримуватися принципу однакової товщини стінок, боси мають бути виконані порожнистими, тобто мати отвір по центру. Це запобігає утворенню товстих мас матеріалу, які охолоджувалися б повільно й могли спричинити дефекти. Їх також слід з’єднувати з основними стінками за допомогою достатніх за розміром закруглень та ребер жорсткості, щоб забезпечити міцність і рівномірний потік металу.

Щоб ще більше зменшити витрати матеріалу та вагу деталі, конструктори можуть стратегічно додавати кешонки або порожнистих перерізів. Цей процес, який часто називають «видаленням матеріалу», полягає у видаленні матеріалу з ділянок, що не є структурно критичними. Створюючи такі порожнини, можна підтримувати постійну товщину стінок по всьому компоненту, навіть при складних геометріях. Це не лише економить матеріал, але й скорочує час охолодження у формі, що призводить до швидшого циклу виробництва. Потрібний ретельний аналіз, щоб переконатися, що порожнини не погіршують загальну міцність або функціональність деталі.

Оптимізація форми та видалення деталі: лінії роз'єму, підтиски та штифти

Успішна деталь, виготовлена ливарним способом під тиском, є результатом синергії між геометрією деталі та механікою форми. Конструкторські рішення, прийняті без урахування оснастки, можуть призвести до дорогих, складних форм і високого відсотка браку. Основні аспекти, які слід враховувати, включають розташування лінії роз'єму, управління підтисками та розміщення виштовхувачів. Продуманий дизайн цих елементів спрощує оснастку, зменшує витрати та забезпечує надійне вилучення деталі з матриці після лиття.

The лінія роз'єднання є місцем з'єднання двох половин матриці. Його розташування — одне з перших і найважливіших рішень у проектуванні інструменту, оскільки воно впливає практично на всі інші характеристики. Завжди краще обирати просту плоску лінію роз'єднання, оскільки це спрощує обробку інструменту та знижує його вартість. Складна, неплоска лінія роз'єднання може значно збільшити витрати на оснащення та призвести до появи заусенців — тонкої плівки надлишкового металу, що просочується через шви і яку потрібно видаляти додатковою операцією. Конструкторам слід прагнути так орієнтувати деталь, щоб забезпечити найпрямішу можливу лінію роз'єднання.

Підтиски є ознаками, які перешкоджають витягуванню деталі безпосередньо з простої двочастинної форми. До них належать заглиблені поверхні або елементи, через які деталь може застрягти в матриці. Хоча іноді вони необхідні для функціональності, виступи слід уникати завжди, коли це можливо, оскільки вони вимагають бічних кернів або повзунів — рухомих компонентів усередині матриці, які формують елемент виступу та потім відводяться перед витягуванням. Ці механізми значно збільшують вартість, складність та потенційні точки відмови інструменту. Якщо виступ уникнути неможливо, важливо працювати з виробничим партнером, щоб знайти найефективніше рішення для оснастки. Компанії з власними можливостями проектування матриць можуть запропонувати цінні експертні знання щодо оптимізації складної оснастки для виготовлення.

Нарешті, виштовхувальні штифти це сталеві стрижні, які виштовхують затверділе виливок із форми. Ці штифти є необхідними для видалення деталі, але неминуче залишають невеликі круглі сліди на поверхні деталі. Завдання конструктора — визначити некритичні або не косметичні поверхні, де ці сліди будуть прийнятними. Найкраще розміщувати сліди виштовхувачів на плоских, міцних поверхнях, оскільки це забезпечує рівномірний розподіл зусилля під час виштовхування та мінімізує ризик деформації деталі. Попереднє повідомлення майстру-інструментальнику про припустимі місця запобігає косметичним проблемам у готовому продукті.

Контрольний список проектування для легкого виштовхування

• Спростіть лінію роз'єму, щоб вона була якомога більш плоскою та прямою.
• Уникайте виступів там, де це можливо, щоб не потрібно було дорогих бічних сердечників та повзунів.
• Передбачте достатні кутові нахили на всіх поверхнях, паралельних до руху форми.
• Визначте некосметичні поверхні, де допускаються сліди виштовхувачів.
• Переконайтеся, що витискні штифти розташовані на рівних, стабільних поверхнях, щоб запобігти деформації під час витискання.

Поширені запитання про DFM для лиття під тиском

1. Що входить до проектування для виготовлення (DFM)?

Проектування для виготовлення (DFM) у процесі лиття під тиском включає сукупність принципів, спрямованих на спрощення та оптимізацію конструкції деталі для полегшення виробництва. Основні аспекти: додавання кутів випуску для видалення, забезпечення однакової товщини стінок задля запобігання дефектам, використання фасок і радіусів для уникнення гострих кутів, а також конструювання елементів, таких як ребра жорсткості та боси, для підвищення міцності з одночасним зменшенням витрат матеріалу. Також враховуються аспекти оснащення, наприклад, спрощення лінії роз'єму та уникнення підрубок.

2. Як підходять до проектування з урахуванням технологічності?

Підхід починається на ранній стадії проектування шляхом урахування всього виробничого процесу. Він передбачає співпрацю з інженерами-виробниками для виявлення потенційних виробничих труднощів. Основні кроки включають спрощення конструкції, зменшення кількості деталей, стандартизацію компонентів там, де це можливо, та дотримання правил, специфічних для певного процесу, таких як для лиття під тиском (конусність, товщина стінок тощо). Мета полягає в тому, щоб проактивно вирішувати виробничі проблеми ще на етапі проектування, де зміни є дешевими, а не на виробництві, де вони коштують дорого.

3. Що характеризує проектування для технологічності?

Конструювання з урахуванням технологічності характеризується орієнтацією на ефективність, зниження витрат та покращення якості за рахунок продуманих конструкторських рішень. Конструкція, оптимізована з точки зору технологічності, зазвичай є простішою, використовує менше матеріалу, потребує меншої кількості додаткових операцій і має нижчий рівень браку. Це свідчить про глибоке розуміння можливостей і обмежень обраного виробничого процесу, що призводить до створення продукту, який не лише функціональний, але й економічно вигідний та надійний у масовому виробництві.