Литье под давлением (Die Casting): точность, эффективность и производственные преимущества

От блоков двигателей до ручек дверей, литье под давлением (die casting) — быстрый, точный и повторяемый металлический производственный метод, подходящий для крупных или мелких деталей. Детали литья под давлением имеют отличное покрытие поверхности, а процесс совместим с рядом цветных металлов.

Из-за высоких начальных затрат, ассоциированных с литьем под давлением, процесс обычно используется для высоковольного производства, где масштаб производства окупает высокую стоимость оборудования и оснастки. Прототипы литья под давлением и мелкие производственные серии труднее получить, так как в экономических интересах компаний по литью под давлением работать с клиентами, размещающими крупные заказы. Однако 3ERP в настоящее время предоставляет уникальное решение литья под давлением для клиентов, желающих разместить более мелкие заказы на литье под давлением.

Эта статья детально рассматривает металлическое литье под давлением, объясняя подходящие материалы, покрытия поверхности и применения для процесса.

Что такое литье под давлением?

Литье под давлением — это тип металлического литья, использующий высокое давление для зажима расплавленного металла в полость формы, образованную двумя прессовыми формами (dies). Оно разделяет черты с пластиковым производственным процессом литья под давлением (injection molding).

В более широком ландшафте металлического литья, литье под давлением — одна из самых популярных техник из-за своей точности, высокого качества и уровня детализации. Более широкая категория металлического литья, существовавшая тысячелетиями, содержит много разных процессов, использующих форму для формирования жидкого металла. Исторически такой процесс обычно включал разлив жидкого металла в форму с помощью гравитации — и многие процессы металлического литья до сих пор работают так. Литье под давлением, однако, — относительно новая форма металлического литья, введенная в 19 веке, и оно использует давление вместо гравитации для заполнения полости формы.

Литье под давлением иногда называют высокодавленным литьем под давлением, из-за количества давления — обычно 10–140 мегапаскалей — используемого для зажима металла в полость формы. Родственный процесс низкого давления литья под давлением (LPDC) менее распространен. Литье под давлением обычно делится на одну из двух категорий: горячее камерное литье под давлением (hot-chamber) и холодное камерное литье под давлением (cold-chamber), которые подходят для разных типов металла. Однако есть также другие более нишевые типы литья под давлением, такие как литье полутвердого металла (SSM).

Как работает литье под давлением

Простыми терминами, металлическое литье под давлением работает за счет использования высокого давления для зажима расплавленного металла в полость формы, образованную двумя закаленными стальными прессовыми формами (dies). После заполнения полости расплавленный металл остывает и затвердевает, и прессовые формы открываются, так что детали могут быть извлечены. На практике, однако, в процессе много шагов, и квалифицированные инженеры требуются для управления оборудованием литья под давлением.

Здесь мы разделим процесс литья под давлением на три этапа:

1. Изготовление формы (Moldmaking)
2. Литье (Casting)
3. Пост-обработка (Post-machining)

Как сделать форму для литья под давлением

Форма для литья под давлением состоит из минимум двух половин: прикрывающей стороны (cover side) (смонтированной на фиксированной плите) и выбросной стороны (ejector side) (на подвижной плите). Некоторые прессовые формы также имеют другие секции вроде слайдов и ядер (cores), которые используются для производства более сложных деталей, таких как те с отверстиями и резьбой.

В зависимости от размера производимых деталей, форма для литья под давлением может иметь множественные полости для возможности производства множественных деталей за цикл. Такие формы либо имеют несколько идентичных полостей (многоячеечная пресс-форма / multiple-cavity die) или смесь разных полостей для производства разных деталей (блочная форма / unit die).

Оснастка для литья под давлением должна быть невероятно прочной и термостойкой, помимо хорошей износостойкости и вязкости. Поэтому они делаются из высокопроизводительных закаленных инструментальных сталей — часто термически обработанных — позволяя им проходить через сотни циклов литья в час и до двух миллионов циклов за весь срок службы. Оснастка для литья под давлением должна сохранять производительность под очень высокими силами зажима.

Изготовление формы для литья под давлением начинается с компьютерно-поддерживаемого проектирования (CAD) в сочетании со специфическими для литья дизайном и инструментами симуляции. Как и с формами для литья под давлением, оснастка для литья под давлением должна иметь впускные отверстия (sprue holes), распределительные каналы (runners) и затворы (gates), чтобы позволить расплавленному материалу войти в полость. Зажимные штыри (locking pins) и выбросы (ejector pins) также должны быть включены для закрепления формы и облегчения выброса. Цифровой дизайн формы позволяет создавать сложные формы и жесткие допуски.

ЧПУ-обработка широко используется для производства оснастки для литья под давлением. Обычно изготовление формы начинается с черновой обработки формы формы, за которым следует термическая обработка металлической формы, затем финальный круг чистовой обработки. Прототипные формы также могут быть сделаны с использованием быстрой оснастки (rapid tooling), используя либо ЧПУ-обработку, либо другие процессы вроде селективного лазерного спекания (SLS).

Как лить металлические детали

Аналогично литью под давлением, после изготовления формы детали литья под давлением могут быть сделаны в машине для литья под давлением. Процесс литья под давлением включает четыре главных этапа: подготовка, заполнение, выброс и стряхивание (shakeout).

Однако процесс литья немного варьируется в зависимости от того, используется горячая камера или холодная камера. Эти два варианта процесса высокого давления литья под давлением предлагают разные преимущества: один хорош для высокоскоростного литья, другой приспосабливает более широкий круг литейных материалов.

Горячее камерное литье под давлением (Hot chamber die casting)

Во время горячего камерного литья под давлением, машина для литья под давлением содержит необходимое оборудование для нагрева металла до расплавленного состояния. Потому что это автономная система, она намного быстрее альтернативы, предлагая короткие циклы времени, хотя она подходит только для выбора литейных материалов, включая цинк, олово и свинцовые сплавы.

Холодное камерное литье под давлением (Cold chamber die casting)

Процесс холодного камерного литья под давлением требует использования отдельной печи для нагрева металла. Это естественно замедляет темпы производства, так как расплавленный металл должен быть доставлен к машине для литья под давлением ковшом. Однако, потому что отдельная печь более мощная, чем машина для горячего камерного литья, металлы с высокими точками плавления могут быть отлиты. Этот метод подходит для алюминиевого литья.

Независимо от того, используется горячая камера или холодная камера, процесс литья под давлением обычно идет следующим образом:

1. Подготовка формы
2. Заполнение
3. Выброс
4. Стряхивание (shakeout)

Во время подготовки формы внутренние поверхности двух половин прессовой формы покрываются смазкой для облегчения выброса после завершения литья. Половинки прессовой формы затем могут быть закрыты и закреплены зажимными штырями.

Заполнение формы достигается с использованием системы давления. Эта система отличается между горячей камерой и холодной камерой системами. В обоих конечный результат — расплавленный металл, принужденный плунжером в полость формы через впускной канал (sprue). Высокие давления — до 35 мегапаскалей в горячей камере и 140 мегапаскалей в холодной камере — обеспечивают быстрое и всестороннее заполнение, что в свою очередь ведет к последовательному охлаждению, предотвращающему неравномерную усадку и последующую деформацию детали. Давление поддерживается во время охлаждения.

Две половины прессовой формы открываются и выбросы используются для удаления литьев. Обычно прессовые формы затем немедленно замыкаются обратно, готовые для следующего укола. Тем временем готовые литья готовы для стряхивания, которое включает удаление ломовых участков укола вроде впускных каналов, распределительных каналов и заусенцев (flash) (просачивание материала на разъединительной линии). Это удаление материала может быть достигнуто с помощью ручных инструментов, барабанной обработки или с гидравлической обрезочной прессовой формой.

Пост-обработка

Многие детали литья под давлением требуют минимальных вторичных операций. Это из-за высоких давлений, вовлеченных, которые позволяют высокий уровень детализации и хорошее покрытие поверхности. Однако многие детали точной формы (net-shape) и близкой к точной форме (near-net-shape) также требуют точной обработки для отверстий, резьбы и других признаков. Некоторые литейные металлы легче обрабатывать других: магниевое литье под давлением и алюминиевое литье под давлением, например, высоко подходят для пост-обработки.

Вторичная выгода пост-обработки литьев — способность использовать возможности на-станочного контроля ЧПУ-станка, позволяя фрезеровщику валидировать детали.

Применения литья под давлением

Литье под давлением — мощный, универсальный процесс, подходящий для ряда деталей, от компонентов двигателей до корпусов электроники. Причины универсальности литья под давлением включают его большую зону сборки, круг вариантов материалов и способность делать детализированные, повторяемые, тонкостенные детали.

• Автомобилестроение: Алюминиевое литье под давлением популярно в автопроме, так как оно может производить легкие компоненты вроде гидравлических цилиндров, двигательных кронштейнов и коробок передач. Цинковое литье под давлением подходит для топливных, тормозных и компонентов гидроусилителя руля, в то время как магниевое литье под давлением работает для панелей и рам сидений.
• Аэрокосмическая: Как в автопроме, аэрокосмические поставщики деталей используют алюминиевое литье под давлением для изготовления легких деталей, показывающих высокий уровень тепло- и коррозионной стойкости. Легкие детали снижают расход топлива.
• Энергетика: Детали литья под давлением в нефтегазовом секторе включают клапаны, компоненты фильтрации и рабочие колеса. Обновляемые энергетические детали вроде лопастей ветряков также могут быть отлиты под давлением.
• Электроника: Литье под давлением преобладает в электронике, так как используется для изделий вроде корпусов, обтекателей и разъемов. Детали литья под давлением также могут быть спроектированы со встроенными тепловыми распределителями, необходимыми для многих устройств. Магниевое литье под давлением популярно для тонкостенных RFI/EMI экранирующих компонентов, в то время как алюминиевое литье под давлением для компонентов LED-освещения широко распространено. (Литье под давлением для корпусов LED обычно использует сплав вроде A383.)
• Строительство: Строительная отрасль использует алюминиевое литье под давлением для крупных структур вроде строительных рам и оконных рам.
• Инженерия: Подъемное оборудование, станочные инструменты и другое оборудование часто содержат отлитые под давлением компоненты.
• Медицина: В здравоохранении литье под давлением может использоваться для компонентов мониторинговых устройств, ультразвуковых систем и других изделий.

Материалы для литья под давлением

Производители должны учитывать определенные факторы и переменные при выборе материалов для литья под давлением. Эти включают:

• Подходит ли материал для горячекамерного литья под давлением
• Стоимость материала
• Косвенные затраты на материалы (например, любая дополнительная пост-обработка, требуемая)
• Структурные свойства материала
• Прочность
• Вес
• Покрытие поверхности
• Обрабатываемость

Все эти факторы должны учитываться при выборе материала для литья под давлением для деталей или прототипов.

Алюминиевые сплавы для литья под давлением

Алюминий — один из главных литейных металлов, а алюминиевые сплавы используются в холоднокамерном литье под давлением. Эти сплавы обычно содержат кремний, медь и магний.

Алюминиевые сплавы для литья под давлением легки и предлагают хорошую размерную стабильность, что делает их хорошим выбором для сложных, мелкодетализированных деталей. Другие преимущества алюминиевого литья включают хорошую коррозионную стойкость, температурную стойкость и тепловую и электрическую проводимость.

Распространенные алюминиевые сплавы для литья под давлением включают:

• 380: Универсальный алюминиевый сплав, балансирующий литейность с хорошими механическими свойствами. Используется в очень широком круге продуктов, включая двигательные кронштейны, мебель, электроника корпуса, рамы, ручки, коробки передач, электроинструменты.
• 390: Сплав с отличной износостойкостью и вибрационной стойкостью. Разработан специально для литья под давлением автомобильных блоков цилиндров и также подходит для корпусов клапанов, рабочих колес и насосных корпусов.
• 413: Алюминиевый сплав с отличными литейными свойствами. Имеет хорошую герметичность под давлением и поэтому используется для продуктов вроде гидравлических цилиндров, а также архитектурных деталей и оборудования пищевой и молочной промышленности.
• 443: Самый вязкий из алюминиевых сплавов для литья под давлением, этот сплав подходит для товаров народного потребления, особенно тех, что требуют пластическую деформацию после литья.
• 518: Вязкий алюминиевый сплав с хорошей коррозионной стойкостью. Используется в разномастных продуктах, включая авиационные фурнитурные комплектующие, декоративную фурнитуру и компоненты эскалаторов.

Магниевые сплавы для литья под давлением

Магний — еще один очень популярный материал для литья под давлением. Он даже легче алюминия, с добавленным преимуществом высокой обрабатываемости — делая его подходящим для отлитых деталей, требующих дополнительных обработанных деталей или обработанного покрытия поверхности.

Главное преимущество магниевых сплавов для литья под давлением — их пригодность для горячекамерного литья под давлением, делая их легче в использовании, чем литейные металлы вроде алюминия. Другие элементы в магниевых сплавах включают алюминий, цинк, марганец и кремний.

Распространенные магниевые сплавы для литья под давлением включают:

• AZ91D: Универсальный сплав с хорошей литейностью, коррозионной стойкостью и соотношением прочность/вес. Применения включают механические и силовой трансмиссии компоненты.
• AM60: Сплав с хорошей литейностью, прочностью, вибрационным демпфированием и вязкостью. Используется в автомобильных компонентах вроде рам сидений и панелей.
• Редкоземельные сплавы AS41B и AE42: Сплавы с превосходной температурной стойкостью, а также хорошей ползучестой стойкостью, коррозионной стойкостью и вязкостью. Оба сплава встречаются в двигательных деталях.

Цинковые сплавы для литья под давлением

Еще одна главная категория литейных металлов — цинковые сплавы. Литые в горячекамерной машине для литья под давлением, цинковое литье — наиболее удобное для производителя вариант литья под давлением и предлагает другие выгоды вроде ударной прочности, вязкости и пригодности для напыления (покрытия). Из-за своей литейности оно также приводит к минимальному износу прессовой формы.

Цинк тяжелее алюминия и магния и обычно легируется алюминием, медью и магнием.

Распространенные цинковые сплавы для литья под давлением включают:

• Zamak 3: Универсальный цинковый сплав, легкий в литье и предлагающий отличную размерную стабильность. В Северной Америке более двух третей цинковых литьев под давлением используют Zamak 3. Примеры использования включают потолковые вентиляторы и сантехнические компоненты.
• Zamak 2: Немного более прочный и дорогой сплав с добавленным содержанием меди. Этот цинковый литейный сплав часто используется для производства оснастки для пластикового литья под давлением.
• Zamak 5: Цинковый сплав, близкий по составу к Zamak 3, но с большей разрывной прочностью и более низкой вязкостью. Популярен для продуктов вроде автомобильных деталей и весов балансировки колес.

Другие сплавы для литья под давлением

Другие материалы для литья под давлением включают медь, силиконную тומבак, свинец и оловянные сплавы, в дополнение к цинк-алюминиевым сплавам.

Медные сплавы показывают высокую прочность, твердость и коррозионную стойкость, помимо отличной размерной стабильности. В то время как свинцовые и оловянные сплавы очень плотны и могут быть стойкими к коррозии. Цинк-алюминиевые сплавы узнаваемы по префиксу ZA; те с более низким содержанием алюминия могут быть горячекамерно отлиты, но те с 11% или более обычно не могут.

Варианты покрытия поверхности для литья под давлением

Высокодавленное литье под давлением производит детали высокого стандарта, и варианты покрытия часто могут быть минимальными. Однако есть много функциональных и косметических вариантов покрытия для деталей литья под давлением.

Удаление заусенцев (Deburring)

Стандартная процедура покрытия — удаление заусенцев, которую можно считать продолжением этапа стряхивания. Удаление заусенцев включает удаление несовершенств, вызванных производственным процессом, и развертывается для нормализации внешнего вида и функции детали без добавления какой-либо конкретной текстуры или цвета.

Методы удаления заусенцев включают:

• Ручное удаление заусенцев абразивными материалами (может быть автоматизировано)
• Вибрационное удаление заусенцев с инструментами вроде роликов и пескоструйной обработки
• Обрезка с прессовой формой (punch die)

Вторичные варианты покрытия

После того как несовершенства удалены с металлических деталей литья под давлением с помощью процесса удаления заусенцев вроде пескоструйной обработки или ручного шлифования, возможно выполнение вторичных вариантов покрытия для трансформации покрытия поверхности литьев. Эти техники покрытия регулируют текстуру или цвет деталей литья под давлением.

Вторичные покрытия литья под давлением включают:

• Полировку ручным оборудованием для достижения высокого блеска
• Покраску для изменения цвета литьев
• Порошковое покрытие для изменения цвета и текстуры литьев
• Металлическое напыление для добавления покрытия поверхности другого материала, либо для косметических, либо для функциональных целей (например, напыление электронного компонента более электрически проводящим металлом).

Стратегия выбора производителя литья под давлением

Литье под давлением — распространенный производственный процесс, используемый широким кругом компаний. Однако найти производителя литья под давлением гораздо сложнее, чем, например, фрезеровщика или провайдера услуг 3D-печати. Это потому, что литье под давлением обычно используется крупными поставщиками деталей для высоковольного производства.

Для малых и средних компаний, требующих деталей литья под давлением, выбор производителя представляет вызовы. Обычно производители в этой сфере попадают в одну из следующих четырех категорий:

1. Компании по литью под давлением, делающие пресс-формы и детали литья под давлением, но не предлагающие пост-обработку
2. Компании по литью под давлением с несколькими ЧПУ-станками, но которые ставит значительно более длинные сроки для пост-обработанных деталей из-за их ограниченной обработки
3. Компании по литью под давлением с большим числом ЧПУ-станков для пост-обработки, но работающие почти исключительно с крупными компаниями, размещающими крупные заказы
4. ЧПУ-обрабатывающие компании, которые могут выполнять пост-обработку деталей литья под давлением, но не могут сами делать пресс-формы или детали литья под давлением

Ясно, это делает трудно для малых компаний найти партнера по литью под давлением. Если пост-обработка требуется, такие компании часто принимают более длинные сроки, предлагаемые второй категорией партнера по литью под давлением.

Но есть другой вариант: работая с малым или средним партнером по металлическому литью под давлением и выделенным партнером по обработке вроде 3ERP — комбинируя варианты 1 и 4, по сути — компании могут заказывать более мелкие объемы деталей литья под давлением с пост-обработкой удивительно короткими сроками.

У 3ERP есть выбор надежных партнеров по литью под давлением, с которыми мы работаем, чтобы предоставить бесшовную литейную и финишную услугу, получая качественные отлитые детали, произведенные и доставленные в коротком временном фрейме.

Руководящие принципы дизайна для литья под давлением

Как и с большинством производственных процессов, высокодавленное литье под давлением приходит со своим набором правил и ограничений дизайна. Эти включают соображения разъединительной линии, углы уклона и ограничения толщины стенок.

Разъединительная линия (Parting line)

Деталь литья под давлением делается с использованием двух закаленных стальных прессовых форм. Линия, где две прессовые формы встречаются, называется разъединительной линией, и эта линия часто видна после литья в форме заусенца (flash) — тонкого выдавливания излишнего материала, сбежавшего из полости на разъединительной линии из-за недостаточной силы зажима.

Во время дизайна литья под давлением дизайнер должен найти подходящее место для разъединительной линии, то есть решить, где форма будет разделена пополам. Это зависит от нескольких факторов, включая:

• Поток материала: Вход для потока металла должен быть расположен вдоль разъединительной линии для обеспечения оптимального заполнения полости формы.
• Косметические признаки: Косметические признаки не должны быть расположены рядом с разъединительной линией, так как они могут быть заторможены затворами и вентилями.
• Пост-обработка: Область разъединительной линии литья, вероятно, потребует больше всего обработки и покрытия, поэтому она должна быть расположена для обеспечения легкого доступа станочного инструмента.

Небольшие количества заусенца неизбежны, поэтому дизайнеры должны готовиться к необходимости его обрезки после удаления литья из формы.

Толщина стенок

Как и с другими процессами литья и формовки, детали литья под давлением приспособлены к согласованным толщинам стенок, так как это поощряет согласованное заполнение и охлаждение металлических литьев, снижая вероятность неравномерной усадки и искривления.

Уклон (Draft)

Металлические детали литья под давлением требуют небольшого угла уклона — конусных сторон полости формы — так что литья могут быть легко выброшены из прессовых форм без повреждения их. Все поверхности, параллельные направлению открытия прессовой формы, требуют уклона.

Внутренние поверхности вроде нерезьбовых отверстий требуют большего угла уклона, чем внешние стенки (которые естественно усаживаются от внутренней стороны формы).

Скругления и радиусы (Fillets and radii)

Скругления (fillets) — скругленные внутренние углы, увеличивающие несущую способность литьев под давлением. Они также легче производить, чем острые внутренние углы, поэтому должны быть включены в дизайны литья под давлением как стандарт. Использование равного радиуса по скруглениям предпочтительнее скруглений с варьирующимися радиусами.

Радиусы — скругленные внешние углы и играют другую, но равно важную функцию, помогая улучшить поток металла в полости формы.

Ребра (Ribs)

Ребра — небольшие выступы от детали литья под давлением, служащие для увеличения прочности и жесткости без прибегания к более толстым стенкам и увеличенному использованию материала. Они также улучшают поток металла. Обратите внимание, что ребра требуют своих собственных соображений скруглений и радиусов для максимальной прочности и потока.

С нашей сетью надежных производственных партнеров, 3ERP предлагает комплексный процесс литья под давлением даже в малых объемах. Свяжитесь с нами для бесплатной котировки.