Что такое литье под давлением?

Введение

В современном производстве существует высокоэффективный и точный процесс формования металла, способный превращать расплавленный металл в сложные детали с точными размерами всего за несколько секунд — этот процесс называется литье под давлением от блоков цилиндров автомобилей и корпусов ноутбуков до компонентов бытовой техники и деталей прецизионных приборов — литье под давлением играет ключевую роль во многих отраслях.

Как работает литье под давлением? Что делает его уникальным по сравнению с другими методами литья? Каковы его преимущества и ограничения? В этой статье представлено ясное и профессиональное описание технологии литья под давлением, которое поможет вам понять, почему этот метод стал основой современного металлоизделия.

Что такое литье под давлением?

Литье под давлением , также известный как литье на давление , — это процесс точного литья, при котором расплавленный или частично расплавленный металл вводится в металлическую форму (пресс-форму) под высокой скоростью и высоким давлением , где он быстро затвердевает, образуя готовое отливаемое изделие.

Наиболее отличительными характеристиками литья под давлением являются высокое давление и высокая скорость ввода . Давление впрыска может варьироваться от нескольких мегапаскалей (МПа) до сотен МПа, тогда как скорость заполнения металлом обычно находится в диапазоне 0,5–120 м/с . Весь процесс заполнения обычно занимает всего 0,01–0,03 секунды .

Эти экстремальные условия процесса четко отличают литье под давлением от других методов литья и являются основой его превосходной точности размеров и качества поверхности.

Ключевые характеристики процесса литья под давлением

Основные преимущества

Высокая точность размеров и отличная отделка поверхности

Детали, полученные литьем под давлением, как правило, обеспечивают допуски по размерам IT11 –IT13 , при низкой шероховатости поверхности. Часто требуется минимальная или полная отсутствие дополнительной механической обработки, что позволяет собирать детали напрямую и обеспечивает отличную взаимозаменяемость.

Высокое использование материала

Благодаря производству почти готовых по форме заготовок коэффициент использования материала обычно достигает 60–80%, в то время как использование заготовок может превышать 90%, что значительно снижает отходы материала и затраты на механическую обработку.

Возможность производства сложных конструкций и тонкостенных элементов

Литье под давлением идеально подходит для изготовления деталей со сложной геометрией, четкими контурами и тонкими стенками. Минимальная толщина стенки может быть такой низкой, как 0,3 мм для цинковых сплавов и 0,5 мм для алюминиевых сплавов .

Возможность литья с вставками

Металлические или неметаллические вставки (например, резьбовые вставки) могут быть непосредственно залиты в деталь, что упрощает конструкцию изделия и сокращает этапы сборки.

Плотная микроструктура и хорошие механические свойства

Быстрое затвердевание под давлением обеспечивает мелкозернистую структуру и высокую плотность, что приводит к повышению прочности, твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.

Чрезвычайно высокая производительность

Циклы литья под давлением очень короткие и хорошо подходят для автоматизации, что делает процесс идеальным для массового производства. Например, небольшой литейный автомат с горячей камерой может выполнять 3,000–7 000 отливок за смену .

Основные ограничения

Риск пористости

Из-за чрезвычайно высокой скорости заполнения воздух внутри полости формы может не полностью вытесняться, что приводит к внутренней пористости. В результате традиционные детали литья под давлением, как правило, непригодны для термической обработки или эксплуатации при высоких температурах.

Высокая стоимость оснастки и оборудования

Применение пресс-форм и машин для литья под давлением требует значительных первоначальных инвестиций, что делает процесс менее экономичным при мелкосерийном производстве.

Ограничения по размерам деталей

Максимальный размер отливки ограничен усилием зажима машины и габаритами пресс-формы, что ограничивает возможность изготовления очень крупных компонентов.

Ограниченный выбор сплавов

Из-за температурной стойкости материалов пресс-форм литье под давлением в основном применяется для цветных сплавов , таких как алюминиевые, цинковые, магниевые и медные сплавы. Литье под давлением черных металлов до сих пор находится в основном на стадии исследований и экспериментов.

Основная технологическая схема литья под давлением

Типичный процесс литья под давлением включает следующие этапы:

1. Подогрев пресс-формы - Нагрев пресс-формы до рабочей температуры

2. Смазка пресс-формы - - Нанесение смазывающих и разделительных составов на полость пресс-формы

3. Закрытие пресс-формы - - Смыкание подвижной и неподвижной половин пресс-формы

4. Заливка металла - - Подача расплавленного металла в камеру прессования

5. Впрыск и затвердевание - Впрыск металла в полость с высокой скоростью и под высоким давлением, за которым следует затвердевание под давлением

6. Открытие пресс-формы и выталкивание — Открытие пресс-формы и извлечение отливки

7. Обрезка и проверка — Удаление литников и переполнений, за которым следует контроль качества

Типы машин для литья под давлением

Машины для литья под давлением являются основным оборудованием процесса и, как правило, делятся на две основные категории:

1. Машины для литья под давлением с горячей камерой

Принцип работы

Камера прессования интегрирована с плавильной печью и непосредственно погружена в расплавленный металл.

Характеристики

• Высокий уровень автоматизации и простота в эксплуатации
• Стабильная температура металла и низкое окисление
• Камера прессования и плунжер подвержены эрозии

Типичные применения

В основном используется для низкотемпературные сплавы такие как цинковые, оловянные и свинцовые сплавы.

2. Машины для литья под давлением с холодной камерой прессования

В машинах с холодной камерой прессования камера отделена от плавильной печи, и расплавленный металл заливается в камеру ложкой перед каждым циклом прессования.

Горизонтальные машины для литья под давлением с холодной камерой прессования

• Наиболее распространённый тип
• Короткий путь потока металла с низкими потерями давления
• Простая автоматизация
• Подходит для различных цветных сплавов, особенно алюминиевые сплавы

Вертикальные машины для литья под давлением в холодной камере

• Вертикальная камера прессования
• Сниженный риск попадания примесей в полость формы
• Идеально подходит для деталей, требующих центральной системы литниковой системы

Полностью вертикальные машины для литья под давлением

• Системы зажима и впрыска расположены вертикально
• Заполнение снизу вверх с плавным потоком металла
• Минимальное увлечение воздуха
• Особенно подходит для литья с вставками, например, роторов электродвигателей

Эволюция и развитие технологии литья под давлением

Литье под давлением возникло в начале XIX века в полиграфической промышленности для производства свинцовых типографских литер. За более чем столетнюю историю развития сформировались несколько чётких тенденций:

Более крупное и автоматизированное оборудование

Современные машины для литья под давлением становятся всё более крупными, серийными и компьютеризированными, что позволяет осуществлять мониторинг в реальном времени и автоматизированное производство.

Передовые процессы литья под давлением

Для решения проблемы пористости были разработаны такие технологии, как литье под вакуумом , литье под давлением с применением кислорода , и прессовое литье под давлением что значительно повышает плотность отливок и позволяет проводить термическую обработку.

Развитие полуосевого литья под давлением

Полуосевое литье под давлением использует металлическую суспензию в полутвёрдом состоянии, уменьшая захват газа и усадку, а также улучшая механические свойства. Эта технология широко рассматривается как перспективная технология формообразования металлов нового поколения.

Расширение ассортимента сплавов

Благодаря усовершенствованию материалов для форм (таких как сплавы на основе молибдена и вольфрама) достигнут прогресс в литье под давлением железосодержащих металлов, включая чугун и сталь.

Широкая область применения

Литье под давлением развилось от простых компонентов до высокопроизводительных деталей, используемых в конструкционных элементах автомобилей и в аэрокосмической отрасли.

Применение деталей, полученных литьем под давлением

Литье под давлением — один из самых быстрорастущих процессов точного формообразования металла, широко применяемый в различных отраслях промышленности:

Основные отрасли

Автомобильная и мотоциклетная промышленность занимают приблизительно 70–80%общего объема производства литья под давлением. Другие ключевые сектора включают приборостроение, промышленное оборудование, бытовую технику, сельскохозяйственные машины, телекоммуникации и транспорт.

Типичные компоненты

Детали, полученные литьем под давлением, варьируются от небольших компонентов весом всего в несколько граммов до крупных алюминиевых отливок весом до 50 кг , включая блоки цилиндров, головки цилиндров, корпуса, кронштейны, колеса и декоративные элементы.

Распределение материалов

Среди цветных сплавов для литья под давлением:

• Алюминиевые сплавы : ~60–80% (отличные эксплуатационные характеристики)
• Цинковые сплавы : вторая по величине доля
• Магниевые сплавы : быстрый рост благодаря требованиям к снижению веса в автомобильной и электронной промышленности

Заключение

Как передовая технология обработки металлов, сочетающая высокое давление, высокую скорость и высокую точность , литье под давлением стало незаменимым столпом современного производства — особенно в автомобильной промышленности. Его преимущества в эффективности, точности и интеграции сложных деталей играют решающую роль в обеспечении легкого дизайна, снижении затрат и улучшении эксплуатационных характеристик продукции.

Несмотря на такие проблемы, как пористость и высокая стоимость оснастки, постоянное совершенствование технологий вакуумного литья под давлением, формования в полутвёрдом состоянии, материалов для пресс-форм и оборудования открывает новые возможности. В будущем, по мере роста требований к более высокой производительности, снижению веса и повышению эффективности производства, литьё под давлением будет играть всё более важную роль в передовых и высокотехнологичных производственных приложениях.