Виды литья металлов и сплавов

Покрытия и стандарты SPI

Изделия, изготовленные литьём под давлением, как правило не подлежат дальнейшей обработке, но сама форма может обладать покрытием. Таким образом можно достичь определённых эстетических (например, матовая или зеркальная поверхность) или технических (например, конкретная грубость поверхности или определённый допуск) параметров.

Общество Пластмассовой Промышленности (Society of Plastics Industry SPI) (ныне — Plastics Industry Association (PLASTICS), прим.пер.) применяет ряд стандартных процедур, которые приводят к различным видам покрытия изделий.

Покрытие	Описание	Применение
Глянцевое покрытие. Стандарты SPI: A-1, A-2, A-3	Форма шлифуется и затем полируется алмазным шлифовальным кругом. В результате изделия обладают зеркальной поверхностью	Применяется для изделий, требующих максимально гладкой поверхности из эстетических или функциональных соображений (Ra < 0,10 μm)
Полуглянцевое покрытие. Стандарты SPI: B-1, B-2, B-3	Форма шлифуется мелкозернистым шлифовальным кругом. В результате изделия обладают гладко обработанной поверхностью	Применяется для изделий, требующих эстетичного внешнего вида, но без излишнего глянца
Матовое покрытие.Стандарты SPI: C-1, C-2, C-3	Форма шлифуется мелкозернистой каменной мукой, убирающей следы машинной обработки	Подходит для изделий с низкими требованиями к эстетичности, но в тех случаях, когда наличие следов машинной обработки недопустимо
Офактуренное покрытие. Стандарты SPI: D-1, D-2, D-3	Форма шлифуется сначала мелкозернистой каменной мукой, затем пескоструйной обработкой, что приводит к появлению фактуры	Подходит для изделий, требующих матовости покрытия
Машинная обработка	Поверхность формы обрабатывается выбранным токарем способом. Могут оставаться следы машинной обработки	Подходит для некосметических, промышленных изделий или скрытых компонентов

Основные виды сырья для литья пластмасс

Для литья пластмасс под давлением используются полимеры в гранулах. Использование того или иного из них зависит от его физико-химических свойств. По показателям устойчивости к температурному воздействию все твердые полимеры делятся на следующие группы:

1. Термопластичные. Под воздействием температуры обладают способностью легко переходить от твердого состояния к пластичному и обратно. Они очень легко поддаются вторпереработке.
2. Термореактивные. Обладают высокими показателями прочности и термоустойчивости. В их основе лежат различные синтетические смолы. Для придания определенных свойств в их состав вводятся специальные добавки и наполнители.
3. Пенопласты. Характеризуются отличной тепло- и звукоизоляцией. Изготавливаются из синтетических полимеров, роль наполнителя в них играет газообразная среда.

Купить пластмассу для литья можно в компаниях специализирующихся на продаже полимеров. Обычно у них можно приобрести сырье не только отечественного, но импортного производства. Средняя цена на полиэтилен высокого давления на данный момент составляет около 35 руб. за килограмм, полипропилен от 40 руб. и выше.

Центробежное литье полимерных композиционных материалов

Формуемый полимерный композиционный материал  загружается в нагретую форму, подвергаемую после этого вращению вокруг вертикальной оси (для изделий с диаметром большим, чем высота) или вокруг горизонтальной оси (для изготовления длинных труб, гильз). Под действием центробежной силы полимерный композитный материал располагается на внутренней поверхности формы плотным слоем, принимая требуемую конфигурацию. После охлаждения и остановки формы изделие извлекают и с помощью механической обработки доводят до нужных размеров. Подвижная часть установки для двухосного вращения форм состоит из карусели, на которой закреплены шпиндели. Последние представляют собой конструкцию из внутреннего и наружного полого валов с приводом. Частота вращения наружного вала не более 32мин-1, внутреннего – не более 12 мин-1.

Формы нагревают в печи горячим воздухом, в открытом газовом пламени, инфракрасными лучами или расплавом солей.

Параметры процесса центробежного литья ПКМ: (температура формы, длительность выдержки) определяются типом формуемого материала, размерами и толщиной стенки формуемого изделия.

Оборудование для центробежного литья ПКМ: специальные установки и машины.

Центробежное литье применяется: для изготовления изделий типа тел вращения (втулок, шкивов, зубчаток, подшипников, шестерен из полимерных композиционных материалов.

Советы по удешевлению производства

Далее приведены ценообразующие факторы литья под давлением и три рекомендации, которые помогут снизить стоимость изготовления изделий.

Ценообразующие факторы литья под давлением

Основными ценообразующими факторами для литья под давлением являются:

• Стоимость производства формы, определяемая стоимостью разработки и изготовления формы
• Расходы на материалы, определяемая объёмом закупки и цены за кг материала
• Стоимость производства изделия, определяемая общим количеством использований литьевой машины

Стоимость производства формы является постоянной (начинаясь в диапазоне от 3 до 5 тыс. долларов) и не зависит от общего числа произведенных изделий, тогда как расходы на материалы и стоимость производства являются переменными, зависящими от объёма производства.

Для мелкого производства (от 1000 до 10000 изделий) стоимость производства формы имеет наибольшее влияние на общий производственный бюджет (приблизительно 50-70%). Следовательно, стоит изменить конструкцию формы в сторону упрощения процесса её изготовления (и, соответственно, стоимости).

Для больших объёмов производства вплоть до промышленных масштабов (от 10000 до 100000+ изделий), вклад стоимости производства формы значительно перекрывается стоимостью материалов и самого производства изделий. Следовательно, основные усилия стоит приложить для минимизации объёмов материала и времени производственного цикла литья.

Ниже приведены рекомендации по минимизации стоимости производства изделий литьём под давлением.

Совет №1: используйте формы прямой выемки

Применение стержней бокового действия и прочих внутриформовых механизмов увеличивает стоимость изготовления формы на 15-30%. В стоимостном выражении это составляет возрастание цены на 1000-1500$. В предыдущем разделе рассматривались методы . Для удержания проекта в рамках бюджета избегайте применения стержней бокового действия и других механизмов, если в этом нет крайней необходимости.

Совет №2: используйте одну форму для нескольких изделий

В предыдущем разделе было показано, что использование одной формы для изготовления нескольких изделий сразу является обычной практикой. Как правило, от 6 до 8 одинаковых деталей могут поместиться в одну форму, значительно снижая время производства, в ряде случаев — на 80%.

Изделия с разной геометрией также могут помещаться в одну форму (например, модель самолета). Это отличное решение для снижения общей стоимости сборки.

Пример продвинутой техники литьяВ ряде случаев основная часть изделия состоит из двух идентичных половин. С определённым творческим подходом можно создать места соединения или шарниры в симметричных точках, тем самым делая одну часть отражением другой. Таким образом, одна и та же форма может быть использована для производства обеих половин, снижая стоимость изготовления формы вдвое.

Совет №3: уменьшайте объём изделия, снижая толщину стенок

Уменьшение толщины стенок изделия является лучшим способом минимизации объёма изделия. Тем самым снижается не только потребление материалов, но и значительно ускоряется производственный цикл.

Например, снижение толщины стенок с 3 до 2 мм может сократить время производственного цикла на 50—75%.

Более тонкие стенки означают более быстрое заполнение формы. Что ещё важнее, более тонкие изделия быстрее застывают и отвердевают

Важно помнить, что большая часть производственного цикла при литьё под давлением отводится на затвердевание изделия, в то время как машина простаивает

Тем не менее снижение толщины стенок должно выполняться с осторожностью, поскольку снижение жёсткости изделия может привести к снижению его механических характеристик. Установка рёбер в ключевых местах может значительно увеличить жёсткость изделия

Охлаждение пресс-формы и извлечение изделия

После того, как расплавленный пластик перенесен в форму, ему позволяют оставаться внутри полостей. На этом этапе давление впрыска заменяется удерживающим давлением для уплотнения расплавленного пластика во время его затвердевания.

Охлаждение начинается, когда расплавленный пластик соприкасается с поверхностью полостей. Охлаждению способствует система охлаждающей жидкости внутри формы для отвода тепла. При охлаждении может произойти усадка детали и дополнительный расплав может течь, чтобы компенсировать усадку, которая происходит во время охлаждения. После охлаждения в течение достаточного времени половины формы отделяются, и отформованная деталь выталкивается.

На этапе извлечения детали охлажденная часть отделяется от формы. Система выталкивания, содержащаяся в узле смыкания, облегчает удаление отформованной детали из полостей формы.

Система выталкивания состоит из приводной штанги выталкивателя, которая толкает пластину с помощью выталкивающих штифтов. Выталкивающие штифты удаляют затвердевшую деталь из открытых плит формы в конце цикла формования. Необходимо приложить достаточное усилие выталкивания, потому что деталь прилипает к форме во время охлаждения.

Смазка для пресс-формы используется для облегчения извлечения отформованных деталей из полостей пресс-формы. Его можно повторно нанести до начала этапа зажима после нескольких циклов формования, или он может быть постоянно закреплен на поверхности полостей формы.

Общие конструктивные особенности

Ниже приведены практические рекомендации по разработке наиболее распространённых конструктивных особенностей, встречающихся при изготовлении деталей методом литья под давлением. Они полезны для улучшения функциональности конструкции изделий, и они сочетаются с общими правилами проектирования.

Рёбра

В случаях, когда даже максимальной толщины стенок недостаточно для обеспечения функциональных требований к изделию, для увеличения жёсткости можно использовать рёбра.

При проектировании рёбер:

• Толщина соответствует 0,5 × толщина основных стенок
• Высота соответствует менее 3 × толщина ребра
• Радиус скругления основания должен превышать ¼ × толщина ребра
• Угол конусности составляет мин. 0,25°—0,5°
• Минимальное расстояние от ребра до стенки составляет 4 × толщина ребра

Рёбра

Бобышки

Бобышки используются в роли точек присоединения или затяжки (в сочетании с самонарезными винтами или резьбовыми втулками). Бобышки напоминают круговые рёбра – к ним применимы те же общие рекомендации.

Также необходимо учитывать следующее:

• Рекомендуется избегать использования бобышек, врастающих в основные стенки
• Бобышки поддерживаются рёбрами или соединяются с основной стенкой.

Для бобышек с вкладышами:

Внешний диаметр бобышки должен быть равен 2 × номинального размера вкладыша

Бобышки

Защёлкивающиеся соединения

Защёлки являются экономичным и быстрым способом соединения двух деталей без использования креплений или инструментов. При разработке защёлок для литья под давлением:

• Боковые стороны защёлки должны иметь конусность
• Толщина составляет 0,5 × толщина основных стенок
• Ширина и высота подбираются с учётом гибкости и зажимной силы
• Необходимо продумать способ работы с подрезом

Для более детальных рекомендаций см.статью из MIT.

Защёлкивающиеся соединения

Гибкие соединения

Гибкие соединения – это тонкие пластиковые соединения, позволяющие двум соединённым половинам изделия гнуться.

Рекомендации по работе с гибкими соединениями:

• Материал должен быть гибким (например, PP, PE или нейлон)
• Толщина тонкого участка должна составлять от 0,20 до 0,35 мм
• Толщина плеча должна равняться толщине основной стенки
• Закругления должны быть максимально возможными

Для более детальных рекомендаций см. руководство MIT.

Гибкие соединения

Посадочные рёбра

Посадочные рёбра за счёт деформации создают трение между изделием и вставленным компонентом, закрепляя его неподвижно. Это быстрый и недорогой способ добавления подшипников и прочих вкладышей в изделие. Для более технологичных изделий лучше подойдёт запрессовка.

При работе с посадочными рёбрами:

• Устанавливаются три посадочных ребра диаметром 2 мм
• Минимальное перекрытие между ребром и вкладышем должно составлять 0,25 мм
• Конусность добавляется к отверстию, но не к рёбрам

Посадочные рёбра

Резьба

Резьба может быть добавлена напрямую к литому изделию, но с применением поднутрений. В качестве альтернативы могут использоваться вкладыши.

При разработке изделий с резьбой:

• Спад затылка резьбы по кромке составляет 0,8 мм
• Шаг резьбы должен превышать 0,8 мм (32 нареза на дюйм)
• Предпочтительными являютсятрапециевидная илиупорная резьбы

Для работы с создаваемыми поднутрениями:

• Для внутренней резьбы рекомендуется использование дополнительных вставок в пресс-форму
• Для внешней резьбы они располагаются вдоль линии разъёма

Резьба

Буквы и символы

Текст, логотипы и прочие символы могут быть нанесены тиснением или гравировкой на поверхности отлитых под давлением изделий.

Рекомендации при добавлении текста:

• Тиснение предпочтительнее гравировки
• Текст должен быть перпендикулярен линии разъёма
• Высота (или глубина) должна превышать 0,5 мм
• Толщина букв шрифта должна быть равномерной
• Размер шрифта должен составлять минимум 20 пт.

Буквы и символы

Допуски

Литье под давлением позволяет производить изделия с допусками ± 0,500 мм (0.020’’). Более строгие допуски возможны при определённых условиях (вплоть до ± 0,125 мм – и даже до ± 0,025 мм), но это ведёт к значительному росту стоимости изделия.

Для малых объёмов производства (< 10000 изделий), рекомендуется рассмотреть дополнительные операции (например, сверление) для повышения точности. Это обеспечит корректное зацепление изделия с другими компонентами или вкладышами (например, при запрессовке).

Допуски

Перевод статьи Design for Injection molding из Injection molding: The definitive engineering guide

Виды специального литья

Литье металла в песок (землю) связано с определенными сложностями, в частности, подобное производство требует большого оборота формовочного материала. Кроме того, применение такого способа литья не всегда приводит к получению заготовок требуемого качества. Развитие металлургической науки привело к тому, что появились новые, специальные способы литья металлов.

Главное достоинство названных специальных методов литья то, что металлурги стали получать качественные детали, снизили количество некондиционной продукции, подняли производительность на производстве. Разумеется, вводимые в эксплуатацию специальные методы литья оказывают положительное влияние на улучшении условий труда рабочих и инженеров. 

 Рассмотрим некоторые из этих специальных способов подробнее.

Процесс литья металла

1. Литье по образцу

Выкройка обычно является точной копией внешней части отливки. Большинство конструкций будет из пластика, дерева, металла, гипса или пластика. Процесс изготовления моделей необходим для изготовления промышленных деталей. Вы выполните конкретные расчеты, чтобы детали подходили друг к другу.

Хорошая выкройка должна иметь точные размеры. Любая ошибка в процессе может стать причиной неудачного литья. Другими словами, создание выкройки – это обычно искусство конструирования паттернов. Это первый процесс литья металла, который также имеет большое значение.

Выкройки будут различаться по форме, размеру и сложности. Используются несколько направлений. Вот некоторые из ярких примеров:

a) Свободные узоры

Вы можете легко создавать рыхлые узоры на дереве. Вылепляя рыхлые выкройки, вы будете вручную разрезать систему подачи на песок. Кроме того, вы можете разделить некоторые из этих рыхлых узоров на две половины, чтобы облегчить лепку.

b) Закрытые шаблоны

Процесс более сложный, чем разрозненные шаблоны. Вы будете устанавливать шаблоны для включения литников. Процесс исключает ручную резку. Он имеет усовершенствованные формы, что позволяет получать отливки высокого качества.

2. Изготовление сердечника

Если отливка полая, вам понадобится дополнительный кусок металла или песка, также известный как сердечник. Они сформируют внутреннюю форму и сделают ее полой. Ядро складное, но обычно прочное. В результате вы сможете с комфортом снять его с готовой гипсовой повязки.

3. молдинг

Формование – это обычно многоэтапный процесс. Он использует формовочный песок для формирования слепка вокруг узора. Во время литья вы помещаете металлическую литейную форму в рамку, которую мы называем опокой. Затем вы положите формовочный песок или зеленый песок в колбу вокруг шаблона. Этот метод широко известен как литье металла в песчаные формы.

Когда вы плотно наберете песок, вы можете удалить узор. В конце концов, гипс будет стоять. В качестве альтернативы вы можете создать неразрушающую металлическую форму, состоящую из двух частей. Затем можно многократно использовать пресс-форму для создания идентичных деталей для конкретных промышленных целей.

4. Заливка расплавленного металла

По мере того, как вы расплавляете металл, начните заливать его в полость формы и дайте ему затвердеть. Когда он завершит процесс затвердевания, запустите процесс взбалтывания. Подвергните форму вибрации, чтобы удалить песок с отливки.

Следовательно, вы будете собирать удаленный песок. Вы можете вернуть его и использовать в будущих задачах.

5. Уборка

Это последний шаг. Вы будете отделять отлитый металлический предмет от формы. Это произойдет позже при зачистке, которая включает в себя очистку объекта от любых расплавленных материалов. Здесь вы также можете удалить неровности.

Оборудование для ротационного литья

На практике применяют несколько видов ротационных машин.

Однопозиционные ротационные машины

К машинам этого класса относят те, у которых имеется один ротор, размещаемый непосредственно в термической камере. Производят модели, которые способны перемещаться одновременно с ротором из зоны нагрева, в зону охлаждения.

Двухпозиционные машины

Более эффективными машинами считают двухпозиционные агрегаты. В конструкцию входят два независимых друг от друга ротора, поочередно перемещающиеся от камеры нагрева в зону охлаждения и обратно. То есть, пока на одном роторе происходит нагрев и формование изделия, на другом происходит охлаждение и съем детали.

Ротационная формовка

Ротационная формовка – это довольно простой техпроцесс, имеющий ряд преимуществ, который позволяет занимать этой технологии одно из лидирующих мест на рынке переработки пластмасс.

Такая обработка пластмассы позволяет:

1. Выполнять литье полых деталей.
2. Производить детали с объемом более 35 кубометров.
3. Выполнять детали сложно формы и при этом изменять толщину стенки без изменения формы детали.
4. Возможность армирования пластмассовых изделий металлическими деталями.
5. Конструкция машины позволяет одновременно производить несколько деталей.
6. Конструкция отливаемых деталей может содержать в своем составе клапана, резьбовые соединения и пр.

Процесс ротационного литья состоит из нескольких этапов.

1. Приготовленный (просушенный) полимер загружают в форму. Как правило, для ротационной формовки применяют полиэтилен низкого давления.
2. Придание формы изделию в камере нагрева. Камера вращается в двух плоскостях со скоростью 10 оборотов в минуту. Полимер становиться жидким и равномерно распределяется по форме.

По истечении времени, определенного технологическим процессом, на камеру нагрева подают охлаждение. Для этого применяют техническую воду или принудительный обдув воздухом. Между тем вращение продолжается до того момента, пока пластик не застынет. Готовое изделие можно доставать только после того, как изделие остынет и примет окончательную форму.

Изделия ротационной формовки

Методом ротационного литья производят канистры, контейнеры, лодки многую другую продукцию, которая может быть использована и в быту, и в промышленности.Особенности производства некоторых изделийРотационное литье широко применяют при производстве емкость для жидкостей как воды, так и технических составов. Для производства такой продукции применяют полиэтилен низкого давления (ПНД). Размеры производимых изделий ограничены только размерами самой машины.

Своеобразный мировой рекорд установлен в США, где за одну операцию была изготовлена емкость, вмещающая 151 тысячу литров жидкости.

Принцип ротационного формования

С помощью ротационного литья производят емкости и компоненты, используемые в системах подачи питьевой и технической воды. Дренажных устройствах, системах подачи сыпучих грузов и пр.

Обработка полиуретана на устройствах ротационного литья

Полиуретан применяют во многих машинах и устройствах, его широко применяют в обувной промышленности, при производстве узлов качения и пр. Для обработки полиуретана применяют несколько методов литья. Один из них это ротационное литье полиуретана.Ротационный метод обработки полиуретана позволяет покрывать детали до 8-ми метров в длину и 2-х метров в диаметре. Такой способ нанесения покрытия называют гуммированием. Его твердость составляет 60 – 70 ед. по Шору.

Для гуммирования валов нет необходимости в использовании каких-либо форм. Для нанесения полиуретана применяют специальные дозаторы, подающие материал непосредственно на поверхность вала. Процесс не требует дополнительного нагрева. Использование ротационного метода литья резины – это процесс малоотходен, не требует большого количества электричества. Кстати, для процесса нанесения резины можно использовать модернизированный токарный станок.Ротационное оборудование, как правило, оснащается компьютером, который регулирует вращение барабана, скорость подачи смеси и параметры подачи. Полиуретан подается на вал в виде ленты определенной толщины и поэтому возможно потребуется не один проход подающей головки вдоль детали.

Свойства формовочных смесей

Формовочную смесь характеризуют основные свойства:

• Прочность определяет способность формы сохранять свою конфигурацию
• Пластичность — важна для способности формы повторять подробности контура и деталей поверхности модели.
• Газопроницаемость. Крупнозернистые составы легче пропускают газы.
• Огнеупорность. Материал не должен плавиться или спекаться, ухудшая однородность поверхности отливки
• Податливость
• Гомогенность. Однородность смеси гарантирует постоянство ее свойств в пространстве.
• Теплопроводность. Качественный материал имеет низкую теплопроводность. Это не дает примыкающему к форме слою отливки слишком быстро остывать, ухудшая свои свойства
• Долговечность особенно важна для многоразовых форм. Для одноразовых форм долговечность означает число циклов повторного использования земли после измельчения и просеивания.

Свойства формовочных смесей

Для смесей разных назначений на первый план выходят разные свойства. Так, для облицовочных важны пластичность, огнеупорность и теплопроводность, а для наполнительных важнее прочность и газопроницаемость.