Проектирование системы впрыска при литье под давлением: стратегия каналов, питателей и переливных отверстий

Почему сбалансированная заливка важнее геометрической симметрии

При высокотемпературном литейном прессовании система управления подачей является единственным гидравлическим интерфейсом между цилиндром подачи и полостью. Ее задача — доставить расплавленный алюминий с контролируемой скоростью и температурой в каждую точку полости до застывания металла, при этом удерживая захваченный воздух, оксид и повторно затвердевший бисквит ниже порога дефектов. Распространенным режимом отказа среди литейщиков является путаница между “сбалансированным” и “симметричным”. Симметчное расположение каналов с одинаковой длиной путей не гарантирует равномерную заливку, если сечения, локальная температура формы и вентиляционные возможности различаются между ветвями.

Мы рассматриваем балансировку как задачу сопротивления потоку, а не как задачу проектирования. Целью проекта является равное давление и равное время заливки на каждом клапане. Это означает, что каждая ветвь должна обеспечивать необходимый объем потока для своей полости, одновременно создавая одинаковое эффективное сопротивление для коллектора. Сопротивление определяется гидравлическим диаметром канала, длиной канала и сечением ограничивающего клапана. Если две одинаковые полости питаются каналами одинакового сечения, но один из них длиннее на 40 мм, то более длинная ветвь испытывает большее падение давления и заполняется позже. Полость, заполняющаяся позднее, вытягивает металл из более ранней, что вызывает холодные швы в месте соединения и приводит к несогласованным механическим свойствам между двумя деталями.

Практические правила, которые мы применяем на этапе проектирования клапана:

• Рассчитайте общий объем заливки (полость + канал + перепуск + бисквит) и разделите его на целевое время заливки, обычно 15-45 мс для алюминия при скорости клапана 30-60 м/с.
• Подберите размер основного канала так, чтобы его скорость оставалась ниже примерно 10 м/с; выше этого значения образование оксидной пленки и преждевременное застывание у стенки канала становятся ограничивающими факторами.
• Разделите ветви так, чтобы каждая обеспечивала равное сопротивление потоку, а не равную длину. Равное сопротивление обеспечивает одновременное прибытие металла.
• Проверьте баланс с помощью моделирования заливки, а не полагаясь только на чертеж, поскольку локальное нагревание формы и изменение массы стали во время производства влияют на сопротивление.

Сбалансированная система также снижает стоимость работы роботизированной финальной обработки. При равномерной заливке линия раздела формы остается чище, шов тоньше, а путь роботизированной очистки можно запрограммировать один раз и повторять. При несбалансированной заливке операторы компенсируют это расширением клапанов, что приводит к большему количеству металла на линии раздела и образованию более толстого шлака, который затем приходится шлифовать. автоматизация удаления заусенцев при литье алюминия робот затем должен шлифовать его при более высокой нагрузке на шпиндель.

Поперечное сечение канала, скорость потока и падение давления

Канал — это давление-транспорт. Его поперечное сечение определяет скорость металла при заданном расходе, а скорость — падение давления по уравнению Бернулли и трению. Для трапецеидального или круглого канала с гидравлическим диаметром D_h средняя скорость v_канала равна объему потока, деленному на площадь. Трение вызывает потерю давления по длине L, пропорциональную v^2 и 1/D_h, поэтому удвоение диаметра канала уменьшает скорость в четыре раза при фиксированном расходе и снижает трение примерно в шестнадцать раз.

Мы выбираем размеры каналов с учетом трех ограничений:

1. Канал не должен застывать раньше, чем заполняется полость. Алюминий в тонком канале быстро теряет тепло к холодной поверхности формы; канал диаметром менее 6 мм для A380 при скорости 50 м/с будет покрываться коркой на длинных деталях.
2. Скорость канала должна быть достаточно высокой, чтобы металл двигался как единый поток, но не настолько высокой, чтобы распыляться в полость. Рабочий диапазон для большинства алюминиевых задач — от 5 до 10 м/с.
3. Объем канала должен составлять небольшую часть общего веса заливки, чтобы бисквит и отходы оставались управляемыми. Система каналов, превышающая 351% от общего веса заливки, является проблемой с точки зрения стоимости и тепловых характеристик, а не запасом прочности.

Таблица ниже — типичный начальный ориентир для высокотемпературного литейного прессования алюминия на машинах мощностью 400-900 тонн. Рассматривайте ее как предварительную оценку, которую можно уточнить с помощью моделирования, а не как окончательный проект.

Падение давления не только теоретическое. На машине мощностью 660 тонн с объемом шприца 60 мм и скоростью поршня 4 м/с доступное давление усиления составляет около 70-90 МПа в канале. Часть этого давления теряется из-за трения в канале, ускорения массы шприца и ограничения в затворе. Если затвор слишком мал, замедление поршня увеличивается, и полость никогда не достигает запланированной скорости; деталь заполняется медленно и окисляется. Если затвор слишком большой, металл входит с низкой скоростью, создавая турбулентное, холодное, ламинарное заполнение с окислами. Затвор — это регулирующий клапан, а канал подачи — это магистраль.

Выбор типа затвора по геометрии детали

Затвор — это точка, где скорость превращается в заполнение полости. Тип затвора выбирается по геометрии детали, толщине стенки, эстетическим требованиям и месту, где downstream автоматизация шлифовки роботом ячейка будет резать или шлифовать заглушку затвора. Четыре семейства, которые мы используем:

Вентиляторный затвор

Вентиляторный затвор распределяет поток по широкой тонкой входной части, уменьшая локальную скорость и покрывая длинный край. Он является стандартным для плоских пластин, корпусов бытовых приборов и больших тонкостенных панелей, где нужно избегать одного высокого-скоростного струи, пробивающейся в дальнюю стенку. Вентиляторные затворы создают широкий, низкопрофильный след на затворе, который легко шлифовать, но требуют длинного пути для обрезки или фрезеровки.

Затвор-заглушка

Вкладка-ворота — это локализованное, более толстое соединение, часто расположенное на неэстетическом крае или в расширении канала, которое изолирует струю с высокой скоростью от детали. Вкладка затем обрезается. Мы используем её там, где поверхность детали не может терпеть линий потока, связанных с воротами, например, на видимой плечевой части корпуса крана. Стоимость включает отдельную операцию обрезки или фрезеровки и небольшой отходной вкладка.

Точечный ворота

Точечный (или штифтовый) ворота — это небольшое круглое или прямоугольное ограничение, распространённое в многокамерных и семейных формах, а также в цинке. Он обеспечивает точный контроль заполнения и чистый, небольшой шрам, но высокая локальная скорость и малая площадь поперечного сечения делают его чувствительным к застыванию на алюминии и к износу. Мы резервируем точечные ворота для цинка и для небольших алюминиевых деталей, питающихся от надёжного канала.

Перепускной (резервный) ворота

Перепускной — это не питающий ворота, а специально размещённый карман в зонах последнего заполнения или холодного металла, предназначенный для улавливания первого, самого холодного и окисленного металла и вытягивания воздушного фронта вперёд. Перепускные ворота имеют размер, достаточный для поглощения 5-15% объёма заливки в проблемных зонах и обрезаются вместе с каналом. Это самая дешёвая страховка от холодных застываний и пористости в конце заполнения.

Критерии выбора, которые мы документируем на чертеже инструмента:

• Толщина стенки менее 1,5 мм: предпочтительнее вентилятор или перепускной ворота с помощью края, чтобы контролировать скорость по длинному тонкому пути.
• Требуется косметическая поверхность: используйте вкладку-ворота в отходной расширении или скрытом крае, затем фрезеруйте.
• Симметричная многокамерная форма: точечный или сбалансированный вентилятор с симуляцией, подтверждающей равное сопротивление.
• Глубокие ящики/ядерные части: размещайте перепускные ворота в конце самой длинной траектории потока, а не у ворот.

Как расположение ворот влияет на риск холодного застывания и окисления

Холодное застывание образуется там, где два фронта потока встречаются с недостаточным теплом и скоростью для сварки. Расположение ворот определяет место встречи этих фронтов. Один центральный ворота на длинной прямоугольной детали отправляет два фронта к краям; если они встречаются в дальнем углу, который также является зоной последнего воздуха, образуется холодное застывание, окружённое воздушным карманом. Перемещение ворот или добавление перепускного в этом углу меняет точку встречи на место с сохранённым теплом и давлением.

Риск окисления определяется тем, насколько металл подвергается воздействию воздуха во время заливки. Струя высокой скорости, входящая в глубокий карман, будет брызгаться и катиться, складывая поверхностную окисленную пленку в деталь. Снижение скорости ворот, расширение ворот или переход к вентиляторному входу уменьшает брызги. Мы измеряем дефекты, связанные с окислением, с помощью срезки подозрительных деталей и тестирования утечки по давлению на герметичных элементах; деталь, прошедшая рентгеновский контроль, но не прошедшая тест на утечку, часто имеет локальную складку окисления у фронта потока, обусловленного воротами.

Расположение ворот также взаимодействует с линией разделения формы. Ворота, расположенные через движущийся слайд или край ядра, усложняют инструмент и создают риск появления шва с наплывом. Мы размещаем ворота на стабильных, плоских линиях разделения, где это возможно, и документируем шрам от ворот как определённую особенность с максимальной высотой и методом обрезки, чтобы отделочная ячейка могла иметь повторяемую цель.

Практические проверки перед резкой стальной части инструмента:

• Обозначьте предполагаемую зону последнего заполнения на 3D-модели и убедитесь, что там находится перепуск или вентиляционное отверстие.
• Подтвердите, что ворота не расположены напротив тонкой стенки, которая зафиксируется раньше, чем прибудет фронт.
• Убедитесь, что шрам от ворот находится на поверхности, до которой может добраться отделочный процесс; ворота, спрятанные в глубоком кармане, нельзя обрезать стандартным роботизированным шпинделем без специального инструмента.
• Запустите симуляцию заливки и проверьте “время заполнения” и “температуру при заполнении” у ворот и в зоне последнего заполнения; оба параметра должны находиться внутри рабочего диапазона.

Здесь начинается моделью потока шаг окупается сам: он показывает встречу фронтов потока и температуру на каждом из них, превращая расположение ворот из догадки в настроенный параметр.

Стратегия переполнения: Размер, размещение и обрезка

Переполнения — это инженерный брак. Они выполняют три функции: поглощают первый холодный/оксидированный металл, обеспечивают путь для движущегося воздуха, и локально нагревают матрицу, чтобы конец заливки оставался жидким. Ошибка — либо их пропуск (дешёвый инструмент, дефектные детали), либо их чрезмерное увеличение (потеря металла и более длительный охлаждение).

Мы подбираем размеры переполнений в соответствии с дефектом, который они должны исправить:

• Для холодного шва в углу: одно переполнение объёмом 0,5-1,5 куб. см, расположенное прямо в углу, соединённое коротким, широким каналом, чтобы оно заполнялось последним и притягивало холодный металл.
• Для оксида на линии встречи фронтов потока: два переполнения по обе стороны линии встречи, размер которых рассчитан на поглощение первых 30-50% металла, поступающего на эту линию.
• Для воздуха в глубокой кармане: отверстие переполнения в точке последней заливки кармана, иногда с вентиляцией.

Правила размещения:

• Размещайте переполнения в зонах последней заливки, а не возле ворот.
• Соединяйте переполнения с каналом не менее толщины ворот, чтобы они действительно заполнялись.
• Держите переполнения подальше от косметических или обработанных поверхностей; они обрезаются и оставляют шрам.
• Общий объём переполнений обычно составляет 5-15% от объёма заливки; при превышении 20% пересмотрите всю систему подачи, потому что вы маскируете проблему балансировки металла браком.

Обрезка важна для финальной обработки. Переполнения, обрезанные прессом, оставляют небольшой выступ; если этот выступ находится там, где робот будет удалять заусенцы, спланируйте путь так, чтобы шпиндель прошёл его за один проход с линией раздела. Если переполнения оставлены и их обрабатывают только позже фрезеровкой, их расположение должно быть заложено в программу ЧПУ или робота с самого начала.

Клапаны, упрощающие роботизированную очистку и шлифовку

Решение о расположении клапанов принимается один раз при проектировании инструмента, но оно оплачивается или экономится на каждом изделии в течение срока службы инструмента. Раскладка клапанов, учитывающая последующую обработку, значительно снижает общие затраты по сравнению с уменьшением металла в канале подачи. Мы проектируем клапаны и путь роботизированной обработки вместе, потому что это одна производственная система.

Выборы дизайна, снижающие стоимость обработки:

• Держите линию раздела прямой и на одной плоскости, чтобы шов был равномерным, а путь робота — простым 2D-скольжением. Волнистая или ступенчатая линия раздела вынуждает использовать трехмерный шпиндель и замедляет цикл.
• Найдите ворота и перепуски на поверхностях, к которым может добраться шпиндель или ремень без специального инструмента. Избегайте заделки их в карманы глубже, чем достигает инструмент.
• Минимизируйте общую площадь шрамов ворот и перепусков; каждый квадратный миллиметр шрама — это операция шлифовки или фрезеровки. Ворота вентилятора на не критическом крае дешевле закончить, чем точечный кластер на видимой поверхности.
• Держите толщину вспышки ниже 0,15 мм на линии раздела. При этом, роботизированная ячейка очистки требует большей нагрузки шпинделя и износа ремня, а также контроль плоскостности часть может быть затронута неровной обрезкой.

Мы оцениваем это на этапе ценообразования. Деталь с 0,10 мм кромкой и односторонним каналом может быть очищена от заусенцев за один роботизированный проход при заданной подаче; такая же деталь с 0,30 мм кромкой и тремя струбцинами для перепуска требует второго прохода и смены ленты каждые несколько сотен деталей. При производстве 200 000 деталей эта разница составляет тысячи минут обработки и измеримый риск переработки отходов из-за излишней шлифовки.

Инженер команды DZ Smart Manufacturing проектирует систему формовки и пост-литьевую роботизированную очистку, шлифовку и полировку как единую систему, поэтому расположение формовочного канала, кромка и путь обработки указываются вместе с первого чертежа инструмента. Если вы запрашиваете цену на новую алюминиевую деталь, отправьте нам 3D-модель и ожидаемый годовой объем, и мы предоставим предложение по системе формовки и оценку цикла обработки в одной системе.