Выбор тоннажа машины для литейных форм и объема заливки

Выбор машины для литейного формования начинается с двух чисел, которые часто путают: усилия зажима и объем заливки. Усилие зажима — это сила, которая удерживает половинки формы от открытия под давлением впрыска. Объем заливки — это масса металла, которую машина может подать в полость за один цикл. Ошибка в любом из них оборачивается затратами на каждую деталь, либо в виде образовавшейся наплыва и отходов из-за недоразмера, либо в виде простаивающего капитала и энергии из-за завышенного размера.

Эта статья — практическое руководство по выбору для инженера-технолога, который цитирует новую деталь или перераспределяет баланс ячейки. Мы выводим необходимое усилие блокировки из предполагаемой площади и конкретного давления, объясняем запас, который следует держать, связываем вес заливки с емкостью холодной камеры и заготовкой, рассчитываем размер поршня и его коэффициент заполнения, а также показываем, как выбор машины влияет на цикл, размер формы и стоимость. Таблица с расчетами связывает вес детали с усилием зажима, чтобы вы могли проверить правильность предложения.

Основное уравнение: предполагаемая площадь умноженная на конкретное давление

Половинки формы удерживаются зажимом. Во время впрыска расплавленный металл давит на все поверхности, с которыми он контактирует, и компонент этого давления, стремящийся открыть форму, равен произведению предполагаемой площади полости на конкретное (усиленное) давление в полости.

Требуемое минимальное усилие блокировки:

F_lock (тонн) = Предполагаемая площадь (см2) x Конкретное давление (кгс/см2) / 1000

Или в более привычных единицах:

F_lock (кН) = A_proj (мм2) x P_spec (МПа) / 1000

Предполагаемая площадь — это площадь полости и любых переливов и горловины, видимая при взгляде вдоль оси зажима, суммированная по всем полостям. Это не площадь поверхности детали; это тень, которую деталь отбрасывает на плоскость разделения. Проектировщики постоянно забывают о переливах и каналах, а затем удивляются, почему на форме образуются наплывы.

Конкретное давление — это давление в полости в конце впрыска, которое при высоком давлении при литье алюминия обычно составляет 40–80 МПа в полости, в зависимости от усиления машины и расплава. Консервативное значение для алюминия — расчет по номинальному конкретному давлению машины или 60–70 МПа, в зависимости от того, что реально испытывает полость.

Пример с расчетом: одна полость с предполагаемой площадью 300 см2 при давлении в полости 70 МПа.

F = 300 x 700 (кгс/см2) / 1000 = минимум 210 тонн

Эта деталь требует машину с номинальной силой зажима не менее 210 тонн, без учета запаса.

Почему рекомендуется держать запас в 20–40 процентов от рассчитанного значения

Расчетное минимальное значение — это именно то значение, при котором форма едва остается закрытой в идеальных условиях. Реальное производство не идеально. Выдержка запаса обусловлена несколькими причинами:

• Давление в полости не идеально однородно; локальные пики у горловины могут превышать использованное в расчетах конкретное давление.
• Температура формы меняется в течение смены, что влияет на тепловое расширение и посадку по линии разделения; теплая форма легче образует наплывы.
• Износ поршня и усилителя увеличивает фактическое давление, которое должны обеспечить гидравлические системы, уменьшая эффективный зажим.
• Многокамерные инструменты накапливают допуски; самая большая полость определяет необходимую силу.
• Вы хотите иметь запас по высоте для увеличения давления впрыска при заполнении без открытия штампа.

Рекомендуется использовать зажим, равный 1,2–1,4 от рассчитанного минимального значения. Ни ниже 1,2x — вы на грани, и образование всплеска становится ежедневной проблемой. Выше 1,4x — обычно это означает использование более крупной машины, чем требуется для детали, что связано с проблемой переразмера, рассмотренной ниже.

Обратите внимание на “используемый зажим”, а не на номинальную мощность. Растяжение тяг, прогиб плиты и ограничения по высоте штампа означают, что машина мощностью 250 тонн может обеспечить только примерно 230 тонн полезной силы при заданной высоте штампа. Проверьте кривую машины, а не только табличку.

Вес заливки по сравнению с ёмкостью холодной камеры и заготовкой

Тоннаж — это только половина проверки. Машина также должна подавать достаточное количество металла. Вес заливки — это общий вес, вводимый за цикл: деталь(и), а также горловина и канал, и заготовка (кусок металла, оставшийся в холодной втулке после втягивания поршня).

Для машины с холодной камерой:

Вес заливки = масса детали x количество полостей + масса канала/горловины + заготовка + перепуски

Заготовка — не опциональна. Вам нужно достаточно заполнения втулки, чтобы поршень не уперся в воздух и чтобы оставался связный кусок для выбрасывания. Типичная заготовка имеет толщину 10–30 мм в зависимости от диаметра втулки; её масса может составлять значительную часть массы мелких деталей.

Действуют два ограничения:

• Максимальная емкость заливки: номинальный вес заливки машины, обычно указывается при определённой плотности сплава (часто алюминия). Не превышайте примерно 60–70 процентов от номинальной емкости, если хотите стабильное заполнение и повторяемость заливки; превышение 90 процентов лишает втулку пространства для создания давления.
• Минимальный залив: слишком маленький залив в большой втулке приводит к плохому управлению поршнем и переменной заготовке, поэтому машина мощностью 400 тонн — плохое решение для детали весом 50 грамм.

Всегда честно подсчитывайте металл. Распространенная ошибка — рассчитывать машину только по весу детали и игнорировать тот факт, что масса канала и заготовки может равняться или превышать массу детали у небольших тонкостенных компонентов.

Диаметр поршня и соотношение заполнения 30–70 процентов

Диаметр втулки холодной камеры определяет, сколько металла может протолкнуть поршень и с какой скоростью. Большой поршень перемещает больше массы, но при меньшей скорости впрыска при той же гидравлической мощности; меньший поршень обеспечивает более высокую скорость, необходимую для тонкостенных деталей, но содержит меньше металла.

Ключевое соотношение — коэффициент заполнения втулки: объем металла в втулке, делённый на доступный объем втулки при положении заливки.

Рекомендуемый коэффициент заполнения: 30–70 процентов.

• Менее 30 процентов: в втулке слишком много воздуха, газовая энтрапментация и турбулентное заполнение, пористость. Также плохой контроль поршня.
• Более 70 процентов: недостаточно хода поршня для достижения необходимой скорости впрыска, и заготовка становится тонкой и нестабильной.
• Оптимальный диапазон — 40–60 процентов, обеспечивает плавное ускорение и стабильную заготовку.

Размер поршня:

1. Рассчитайте общий объем заливки по массе заливки и плотности сплава (алюминий примерно 2,4 до 2,7 г/см³ в жидком состоянии, используйте твердую плотность для планирования массы плюс усадка).
2. Выберите диаметр втулки, при котором площадь поперечного сечения, умноженная на желаемую длину заливки (ход втулки), дает заполнение в диапазоне 30-70 процентов.
3. Подтвердите, что полученная скорость поршня при максимальной скорости впрыска вашего станка соответствует скорости расплава, необходимой для детали (обычно 30-60 м/с у расплава для алюминия; для тонкостенных изделий требуется высокая скорость).

Недостаточный размер поршня: не может подавать достаточно металла, вынуждает использовать слишком толстый брикет или короткую втулку, ограничивая скорость. Завышенный размер поршня: низкая скорость, медленное заполнение, холодные зазоры на тонких участках. Коэффициент заполнения — это контроль, который поддерживает оба режима в пределах допустимого диапазона.

Как недоразмеривание вызывает образование наплывов и чрезмерное увеличение расхода — пустая трата капитала

Два режима отказа — зеркальные отражения, и оба дорогостоящие.

Недоразмеривание (слишком малый тоннаж):

• Форма открывается на несколько микронов по линии раздела под пиковым давлением. Металл выдавливается в этот зазор: наплыв.
• Наплыв увеличивается с ростом давления и температуры формы, поэтому он непостоянен от заливки к заливке.
• Непостоянный наплыв мешает роботизированной зачистке, потому что робот сталкивается с разными краями в каждом цикле.
• Операторы компенсируют это замедлением впрыска или снижением давления, что ухудшает заполнение и увеличивает брак по другой причине.

Перенасыщение (слишком большой тоннаж или слишком большая втулка):

• Вы покупаете станок на 500 тонн для изготовления детали на 200 тонн. Капитал остается неиспользованным на возможности, которые вы никогда не задействуете, а площадь цеха и счет за электроэнергию — реальные расходы.
• Большие станки имеют медленное движение плиты и более длинные холостые ходы, что увеличивает время цикла, даже если сама отливка небольшая.
• Слишком большая втулка для маленькой заливки снижает коэффициент заполнения ниже 30 процентов, ухудшая заполнение, поэтому увеличение размера станка может фактически ухудшить процесс, если втулка не подходит по размеру.
• Энергия на заливку пропорциональна мощности зажима и впрыска; использование большого станка для маленькой детали — это пустая трата энергии на каждом цикле.

Правильный выбор — это станок, у которого расчетный зажим составляет 1,2-1,4 раза с запасом, а заливка находится в диапазоне 40-60 процентов. Это рабочая точка, при которой наплывы минимальны, заполнение чистое, и вы не платите за избыточную мощность.

Связь с временем цикла и размером формы

Выбор машины взаимодействует с временем цикла и размером формы таким образом, что удивляет новичков при расчетах.

• Размер пластины ограничивает размеры формы. Деталь, которая подходит по тоннажу, но требует форму больше, чем окно пластины, не установится. Проверьте зазор, размеры пластины и расстояние между тягами перед принятием решения.
• Большие машины обычно имеют более длинные последовательности открытия-закрытия и извлечения; подбор машины под деталь помогает избежать добавления мертвого времени.
• Скорость зажима и скорость впрыска варьируются в зависимости от класса машины; машина высокой скорости, рассчитанная на тонкостенные алюминиевые изделия, может позволить уменьшить толщину стенки, что изменяет предполагаемую площадь и требование к тоннажу.
• Контроль температуры формы (число и размер каналов охлаждения) задается деталью, а не машиной, но тепловое управление на конце шнека влияет на однородность заготовки, что в свою очередь связано с соотношением заполнения.

Итак, тоннаж и объем шнека — это не отдельные числа; они являются частью цикла, включающего размер формы, время цикла и толщину стенки. Улучшение одного (тоньше стенки) изменяет другие (меньшая предполагаемая площадь, возможно, требуется более высокая скорость впрыска).

Практическое соотношение веса детали к тоннажу

Ниже приведена таблица для планирования, а не замена расчету площади умноженной на давление. Предполагается использование алюминия, однокамерной формы, умеренных перепусков и запаса в 1,3 раза при примерно 60-70 МПа давления в камере. Реальные значения меняются в зависимости от геометрии, количества камер и давления на распылитель.

Используйте это, чтобы поймать цитату, которая говорит, что деталь весом 50 грамм требует машину мощностью 350 тонн, или что деталь весом 1 кг помещается в пресс мощностью 180 тонн. Оба варианта являются тревожными сигналами: один — избыточный размер, другой — всплывающий индикатор.

Для более широкого контекста процесса литья алюминия под высоким давлением, см. наш руководство по литью алюминия под высоким давлением, которое охватывает предположения о впрыске и системе каналов, используемые в расчетах.

Финансовые последствия и избегание неправильной машины

Выбор машины — самое крупное капитальное решение на линии литья под давлением, поэтому правильный подбор тоннажа и объема заливки защищает как качество, так и бюджет.

Рычаги стоимости, которые контролирует выбор:

• Отходы из вспышки и холодных лопаток, которые правильный тоннаж и коэффициент заполнения подавляют.
• Энергия на выстрел, ниже на машине правильного размера.
• Капитал, связанный с крупногабаритными прессами, которые могли бы быть двумя ячейками вместо одной.
• Время цикла, которое зависит от класса машины и размера рукава.

Наш факторы стоимости литейного алюминия Отказ показывает, как выбор машины влияет на стоимость единицы, и наш выходе литейных сплавов и сокращении отходов руководство показывает, как проблемы с вспышкой и заполнением, связанные с размером машины, превращаются в отходы, которые накапливаются в течение производственной серии.

Дисциплина проста для объяснения и легко пропускается: выполните расчет проектной площади, добавьте запас, подсчитайте реальный вес выстрела, включая печенье и канал, и выберите поршень для заполнения от 40 до 60 процентов. Сделайте это перед подписанием заказа на машину, и большинство неожиданных ситуаций с первым образцом исчезнут.

Мягкий призыв к действию

Оборудование DZ Machinery интегрирует ячейки литейного цеха от начала до конца и подбирает размеры обрезки, роботизированной очистки и полировки в соответствии с фактической машиной и деталями, а не по универсальному предположению. Если вы предлагаете новую деталь или перераспределяете существующую линию, свяжитесь с нашей инженерной командой, и мы проверим ваши предположения по тоннажу, выстрелу и заполнению относительно ячейки, которую мы бы построили вокруг них.