Как изготовить форму для литья металла

Форма влияет на качество, стоимость и выход готовой продукции. Понимание методов изготовления, срока службы и критериев приемки форм имеет важное значение для покупателей, которые только начинают заниматься проектами по литью металлов.

Здесь будет рассмотрен процесс изготовления пресс-форм и их срок службы. Кроме того, инженеры по закупкам или закупщики могут быть заинтересованы в том, как проверять качество продукции и проводить техническое обслуживание. Эти вопросы также будут рассмотрены ниже.

1. Процесс изготовления форм для литья металла

Формы для литья металла, в особенности формы для литья под давлением, представляют собой высокоточные стальные инструменты. Они позволяют расплавленному металлу заполнять форму под высоким давлением, а затем, после охлаждения и затвердевания, принимать заданную форму. Процесс изготовления форм можно разделить на несколько этапов.

Проектирование пресс-форм и компьютерное проектирование (CAD)

Рабочая полость пресс-формы, система литников, расположение выталкивающих штифтов и каналы охлаждающей воды проектируются на основе 3D-чертежей. На этом этапе важно учитывать усадку металла и угол облома, поскольку любые ошибки здесь напрямую повлияют на выход готовой продукции.

↓

Выбор стали и черновая обработка

Материал сердечника формы должен выдерживать экстремальные термоциклы и механические нагрузки. Инструментальная сталь H13 является отраслевым стандартом, поскольку обеспечивает баланс между вязкостью и твердостью при высоких температурах. Инструментальная сталь D2 предпочтительна для применений, требующих высокой износостойкости, в то время как инструментальная сталь S7 является подходящим вариантом для деталей, к которым предъявляются высокие требования по ударопрочности. Удаление излишков стального материала будет осуществляться путем черновой обработки, а оставшийся материал будет использоваться для последующих процессов чистовой обработки.

↓

Термическая обработка

На чернообработанной стальной заготовке для штампа будет проведена обработка закалкой и отпуском с целью достижения оптимального соотношения между твердостью и вязкостью. Этот процесс влияет на конечный срок службы пресс-формы, поскольку неправильная термообработка может привести к преждевременному растрескиванию или деформации пресс-формы.

↓

Механическая обработка (фрезерование с ЧПУ и электроэрозионная обработка)

Затем термообработанная форма подвергнется прецизионному фрезерованию с ЧПУ для придания полости окончательной формы и размеров. Для обработки сложных внутренних конструкций будет использоваться электроэрозионная обработка (ЭЭО), позволяющая создавать мелкие детали, недоступные для традиционных режущих инструментов.

↓

Обработка поверхности и полировка

Для достижения заданной шероховатости поверхности поверхность полости необходимо отполировать, что может повлиять на гладкость готовых отливок. В некоторых случаях, когда износостойкость имеет особое значение, для продления срока службы формы может потребоваться азотирование или нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы (PVD).

↓

Пробное литье и отладка

После сборки пресс-формы будет проведено пробное литье, включая контроль первого изделия (FAI). Первая партия пробных отливок будет измерена и проверена на наличие вмятин или холодных сварных швов. В случае выявления проблем потребуется скорректировать температуру пресс-формы, давление впрыска или систему вентиляции. Серийное производство будет запущено только после получения “эталонного образца”, соответствующего всем техническим требованиям.

2. Каков срок службы форм для литья металла?

Однозначного ответа на вопрос о сроке службы пресс-форм нет, поскольку он зависит от множества факторов. В отрасли общепризнанным критерием оценки срока службы пресс-форм является производственный цикл, то есть количество изготовленных отливок.

Влияние марки стали для изготовления форм

Срок службы формы для литья под давлением алюминия, изготовленной из стали марки H13, может достигать от 100 000 до 500 000 производственных циклов. Его можно даже увеличить за счет использования более износостойкой марки стали в сочетании с поверхностными обработками.

Влияние типа литейного металла

Степень износа формы зависит от используемого литейного сплава. Например, при использовании алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния (таких как A380) износ формы распределяется равномерно благодаря высокой текучести. Если для литья используются металлы с более высокой температурой плавления (такие как латунь или некоторые цинковые сплавы), форма подвергается более сильным термическим ударам, что сокращает срок её службы.

Влияние сложности детали и требований к точности

В случае прецизионных деталей, таких как шарнирная конструкция Bluetooth-гарнитуры, срок службы пресс-формы зависит от любого ухудшения состояния поверхности или точности на микрономном уровне, из-за которого не удается обеспечить требуемую точность посадки. Именно это является наиболее распространенными причинами замены пресс-формы, а не её конструктивные неисправности.

Конструктивные аспекты

В случае высокопрочных конструкционных деталей, требующих массового производства, таких как компоненты компьютерного оборудования, основной задачей управления сроком службы является обеспечение стабильного качества. Основное внимание следует уделять предотвращению непредвиденных простоев, а не достижению максимального количества циклов использования.

В заключение следует отметить, что срок службы пресс-формы может быть сокращён вследствие физических повреждений, таких как растрескивание, или ухудшения качества, например, несоответствия требованиям к точности. Поставщику необходимо сообщить о предполагаемом объёме производства, чтобы он мог подобрать подходящую марку стали и вид обработки поверхности.

3. Как проверить качество форм для литья металла?

На выход готовой продукции и стабильность массового производства в первую очередь влияет приемка формы по качеству, и этому критически важному этапу следует уделить особое внимание.

Первоначальный контроль продукции (FAI):

Перед запуском серийного производства необходимо провести FAI новой формы. На пробных деталях будут выполнены обрезка и точные измерения размеров, после чего их результаты будут сопоставлены с чертежами CAD. В случае обнаружения каких-либо дефектов, таких как впадины или холодные швы, необходимо скорректировать температуру пресс-формы, давление впрыска или систему вентиляции, чтобы получить “эталонный образец”, прошедший приемку.

Контроль с использованием координатно-измерительной машины (КОИМ):

Контроль с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) считается в отрасли самым высоким стандартом приемки по точности размеров и соответствует требованиям аудита по стандартам ISO 9001 или IATF 16949. Она собирает данные о поверхности детали с помощью щупа, после чего эти данные сравниваются с CAD-моделью, при этом фиксируются отклонения и формируется протокол контроля. Профессиональная система КИМ оснащена измерительной комнатой с контролируемой температурой (поддерживается на уровне 20 ± 1 °C) для обеспечения точности измерений; её стоимость варьируется от $50 000 до более чем $300 000.

Анализ состава материала:

Спектрометр используется для определения содержания элементов в расплавленном металле (например, кремния, меди, магния, железа, марганца и цинка) перед разливкой. Расплавленный металл необходимо подвергнуть рафинированию, если результаты выходят за пределы допустимых значений (например, при высоком содержании железа или меди); в противном случае из-за несоответствующего состава материала могут возникнуть пористость или хрупкость.

Неразрушающий контроль (НК):

Могут присутствовать скрытые дефекты, которые невозможно обнаружить при визуальном и размерном контроле. Рентгенографический контроль позволяет проникнуть даже в самые толстые участки детали для выявления усадочных пустот или воздушных пузырей. Магнитопорошковый контроль позволяет обнаруживать мельчайшие дефекты в ферромагнитных материалах, тогда как капиллярный контроль способен выявлять дефекты в поверхностных отверстиях, не ограничиваясь типом магнитных материалов.

Испытания механических характеристик:

Чтобы гарантировать соответствие механических свойств деталей требованиям конкретного применения, будет проведено несколько испытаний, в том числе испытания на растяжение и определение твердости, с целью оценки прочности, пластичности и сопротивления вдавливанию материалов.

4. Как правильно ухаживать за металлическими литейными формами?

Ввиду высоких капитальных затрат и длительных сроков изготовления пресс-форм крайне важно обеспечивать надлежащее техническое обслуживание, чтобы продлить срок их службы и сократить количество отходов, возникающих в результате преждевременного выхода из строя.

Регулярная уборка

Металлическая стружка и оксиды, остающиеся на поверхности формы, необходимо удалять после каждого производственного цикла с помощью моек высокого давления, чистящих растворителей или щеток с мягкой щетиной. Рекомендуется проводить очистку по установленному графику: быстрая очистка после каждого производственного цикла, глубокая очистка еженедельно и тщательное удаление пятен ежемесячно.

Уход за поверхностью

Рекомендуется регулярно проводить неразрушающую пескоструйную обработку для удаления оксидов с поверхности полости, что позволяет сохранить целостность поверхности полости. Кроме того, это помогает подготовить поверхность к возможному повторному нанесению покрытия и продлить срок службы до следующего капитального ремонта.

Смазка и замена изнашиваемых деталей

Необходимо регулярно смазывать ползун форму, а также проводить регулярные осмотры и замену деталей, подверженных износу, таких как выталкивающие штифты. Более того, выталкивающий штифт следует подвергать всестороннему осмотру каждые 5 000 производственных циклов, а вопрос о его замене следует рассматривать с учетом степени износа.

Создание комплексной системы учета технического обслуживания

Для управления информацией, такой как срок службы пресс-формы, с помощью компьютеризированной системы необходимо вести учетные книги по эксплуатации пресс-форм, списки изнашиваемых деталей, протоколы термообработки и перечни стандартных деталей. Эта система может облегчить организацию ежедневного технического обслуживания и служить справочным материалом для анализа отказов пресс-форм и оценки качества.

Анализ видов отказов

К чистым причинам выхода из строя пресс-форм относятся эрозия, растрескивание углов, растрескивание от термической усталости и износ. Для систематического отслеживания причин каждого случая выхода из строя необходимо создать базу данных по анализу видов отказов, что также позволит усовершенствовать конструкцию пресс-форм и продлить их срок службы.

5. Перспективы развития технологий изготовления форм для литья металлов

Технологии изготовления форм для литья металлов претерпевают цифровую и интеллектуальную трансформацию, при этом следует обратить внимание на несколько тенденций.

Внедрение программного обеспечения для моделирования

Использование компьютерного инжиниринга (CAE) позволяет прогнозировать течение металла, усадку при охлаждении и возможные места образования дефектов ещё до изготовления пресс-формы. Это дает возможность оптимизировать конструкцию в виртуальной среде до начала фактического производства, что позволяет сократить количество и стоимость испытаний методом проб и ошибок.

Передовые технологии обработки поверхностей

Технология физического осаждения из паровой фазы (PVD) и азотирования чаще всего применяется при изготовлении форм с высокой износостойкостью, что позволяет продлить срок службы формы, особенно в условиях крупносерийного производства и высокой степени износа.

Детали пресс-форм, напечатанные на 3D-принтере

Благодаря 3D-печати из металла меняются ограничения при проектировании пресс-форм, особенно при изготовлении пресс-форм со сложными каналами охлаждения. Эффективность охлаждения можно повысить за счет использования конформных каналов охлаждения, которые повторяют фактическую форму детали, что позволяет сократить производственный цикл и предотвратить деформацию детали.

Интеллектуальная система мониторинга

Параметры производства пресс-формы, такие как давление, температура и количество циклов, можно контролировать с помощью датчика, подключенного к системе управления качеством (СУК), что позволяет осуществлять мониторинг производственного процесса в режиме реального времени. Риск внезапных простоев можно снизить за счет выдачи ранних предупреждений до возникновения проблем.

Вопросы устойчивого развития

В связи с введением экологических норм в отрасли производства пресс-форм ведется поиск более экологичных альтернатив смазочным материалам и разделительным средствам. Потребление ресурсов также можно сократить за счет увеличения срока службы пресс-формы.

Понимание вышеупомянутых технологических тенденций может облегчить выбор поставщика литейной продукции, поскольку они позволяют определить, обладает ли данный поставщик техническими возможностями, необходимыми для того, чтобы идти в ногу с изменениями в отрасли.

ПОСЛЕДНИЕ ПОСТЫ