Как литье под давлением, так и литье под давлением превращают CAD-модель в готовую металлическую деталь без вырезания из заготовки, и оба метода обещают получение изделий заданной формы в больших объемах. Именно это внешнее сходство объясняет, почему так много переговоров о поставках начинаются со сравнения цен и заканчиваются выбором неправильного процесса. Эти два подхода расходятся в вопросе, который определяет большинство проектов еще до того, как стоимость становится актуальной: какие сплавы можно использовать в каждом из них. Литье под давлением основано на низкоплавких цветных металлах; литье под давлением – на мелкодисперсном порошке и высокотемпературном спекании, что открывает возможности для нержавеющих сталей и других черных металлов.
Данное сравнение построено вокруг критериев, которые покупатель действительно оценивает — совместимость сплавов, размер и геометрия детали, допуски и качество обработки, экономичность оснастки и объёма производства, механические свойства и постобработка — а не вокруг названий технологических процессов. Для читателей, близких к принятию решения, сначала приводится сводная матрица, за которой следует описание каждого критерия по очереди, альтернативные варианты, если ни один из процессов не подходит, как NOBLE поддерживает программы по обоим направлениям, а также ответы на наиболее часто задаваемые вопросы.
Литье металла под давлением Сравнение литья под давлением: краткий обзор
| Критерий | Литье металлов под давлением (MIM) | Умрите литье |
| Семейство сплавов | Мелкодисперсный металлический порошок со связующим веществом; нержавеющие стали, низколегированные стали, специальные системы, включая титан и твердые сплавы, в области исследований и разработок. | Низкоплавкие цветные сплавы: алюминий, цинк, магний, медь/латунь, свинец и оловосодержащие сплавы. |
| Типичный размер детали | Небольшие, сложные компоненты; процесс описывается как предоставляющий практически неограниченные возможности по форме и характеристикам, но в цитируемых источниках не указан сопоставимый потолок размеров. | В миниатюрных тренировочных целях вес составляет от доли унции до примерно 16 унций (454 г); в обычных тренировочных целях — до примерно 20 фунтов (9 кг). |
| Типичная стена | В указанных источниках MIM это не указано. | Номинальная толщина алюминия 0.080–0.120 дюйма (2–3 мм), на практике для мелких деталей 0.050 дюйма (1.2 мм); толщина цинка 0.040–0.060 дюйма (1–1.5 мм), достижимая 0.030 дюйма (0.75 мм). |
| Отказоустойчивость | Технология получения заготовки с хорошим контролем допусков по размерам; конкретные опубликованные значения в прилагаемом материале представляют собой исследовательские значения для MIM-технологии с использованием титана, а не общий стандарт MIM. | Стандартный линейный допуск NADCA составляет ±0.010 дюйма (±0.25 мм) на первый дюйм плюс ±0.002 дюйма на каждый дополнительный дюйм для алюминия; при использовании прецизионного инструмента этот допуск уменьшается примерно вдвое. |
| Чистота поверхности | Спеченная поверхность; исследования Ti-MIM показывают более шероховатую поверхность по сравнению с другими методами MIM из-за большего размера частиц. | Приблизительно 32–63 мкм Ra (0.8–1.6 мкм) в отливке из новой формы, с увеличением зернистости по мере образования трещин в форме. |
| Инструменты | Многогнездная оснастка обеспечивает высокую производительность; заготовки формуются с запасом по размеру и усаживаются в процессе спекания. | Сборка и изготовление образцов усиленного кристалла H13; примерно 10–16 недель. |
| Экономичный диапазон объемов | Предназначен для массового производства деталей сложной формы; указанный материал не обеспечивает безубыточность по объему производства методом MIM. | Окупаемость оснастки редко составляет менее 5,000 деталей в год; для одно- или двухгнездных штампов обычно от 10 000 до 100 000; для многогнездных — более 250 000. |
| Скорость цикла | Традиционная машина для литья под давлением; время цикла не указано в приведенных источниках по технологии MIM. | Время заполнения затвора: 15–60 секунд; время заполнения затвора: 20–100 миллисекунд. |
| Достижимая геометрия | Практически неограниченные возможности по формообразованию и геометрическим характеристикам; подрезы и поперечные отверстия могут быть добавлены к заготовке путем механической обработки. | Сложные контуры с литыми выступами и ребрами; требуется уклон, боковые действия увеличивают стоимость оснастки и время цикла. |
| Постобработка | Чеканка, механическая обработка, термообработка, нанесение покрытий и другие вторичные операции для повышения точности или улучшения свойств. | Обрезка, механическая обработка ответственных отверстий, снятие заусенцев, вибрационная обработка, пропитка и нанесение покрытий. |
Перед использованием таблицы следует учесть следующее: измерения в двух столбцах производятся по-разному. Данные о допусках и чистоте поверхности при литье под давлением взяты из стандартов NADCA и технологических справочников, разработанных для серийного литья под давлением. Данные о допусках при литье под давлением методом MIM, представленные в цитируемом материале, получены в результате исследования технологии MIM для титана, автор которого отмечает, что возможности по обеспечению допусков в этой области пока не соответствуют другим технологиям MIM. Рассматривайте строку, посвященную MIM, как ориентировочную и уточняйте важные значения у поставщика, предлагающего вам деталь.
Критерии оценки: как сравнивать литье металлов под давлением и Литье под давлением
При выборе между литьем металла под давлением и литьем под давлением большую часть работы выполняют пять критериев, которые следует применять в указанном порядке.
Совместимость сплавов стоит на первом месте, потому что это не критерий оценки, а скорее препятствие. Если деталь должна быть из нержавеющей стали, то традиционное литье под давлением не подходит из-за температуры плавления, и никакая оптимизация оснастки этого не изменит. Если деталь представляет собой алюминиевый корпус, то литье под давлением не является естественным вариантом. Решите вопрос о сплаве, прежде чем сравнивать что-либо еще.
Размер и геометрия детали определяют физические параметры. Для литья под давлением существуют опубликованные диапазоны размеров и правила толщины стенок; преимущество MIM заключается в свободе выбора формы в малом масштабе, а в цитируемых источниках не указаны сопоставимые предельные размеры. Здесь принимается решение о том, что деталь слишком велика для одного процесса или имеет элементы, которые невозможно отлить другим способом.
Допуски и качество поверхности определяют объем необходимой дополнительной обработки детали. Размеры отлитой или спеченной детали редко соответствуют всем требованиям, поэтому главный вопрос заключается в том, какие именно элементы необходимо обработать механически и что это добавит к общему результату.
Экономия на оснастке и объеме производства переводит вышеизложенное в деньги. Оба процесса сопряжены со значительными фиксированными затратами на оснастку и низкой себестоимостью одной детали при больших объемах производства, поэтому диапазон объемов производства имеет такое же значение, как и цена за единицу продукции.
Механические свойства и постобработка определяют, будет ли готовая деталь вести себя должным образом — плотность, пористость, свариваемость, термообрабатываемость — и какие этапы финишной обработки требуются для конкретного применения.
Применение критериев в таком порядке позволяет избежать распространенной ошибки, когда для детали, которую физически может изготовить только один из двух процессов, указываются два.
Совместимость сплавов и материалов
Литье под давлением основано на использовании сплавов, температуры плавления которых позволяют выдерживать температуру машины и формы. Большинство отливок изготавливаются из цветных металлов — цинка, меди, алюминия, магния, свинца, олова и сплавов на основе олова — и конструкция машины зависит от температуры плавления.
Нормальный срок службы штампов в зависимости от сплава для литья, согласно руководству по литью под давлением Uddeholm. Значения представляют собой типичные диапазоны для производственных штампов и стержней; фактический срок службы зависит от материала штампа, термообработки и контроля процесса и не является гарантией.
В машинах с горячей камерой инжекционный цилиндр постоянно погружен в расплав. В них используются сплавы цинка, магния и свинца, температуры плавления которых достаточно низки, чтобы не вызывать коррозию стального поршня; сплав Zamak 3 плавится при температуре около 730 °F (390 °C). В машинах с холодной камерой печь отделена от плавильной, и в каждом цикле в необогреваемую гильзу подается отмеренное количество расплавленного металла. Алюминий, разлитый при температуре примерно 1,150–1,250 °F (620–675 °C), растворил бы погруженный в расплав цилиндр в горячей камере, поэтому алюминий всегда отливают в холодной камере.
Литье металлов под давлением начинается с другого принципа. Очень мелкие порошки элементарных или предварительно легированных металлов — обычно размером менее 30 микрометров — смешиваются в горячем состоянии с термопластичным связующим до тех пор, пока каждая частица не будет покрыта, а затем гранулируются в гранулы исходного материала. Связующие вещества обычно составляют 40% по объему исходного материала. Деталь формуется на обычной литьевой машине, удаляется связующее вещество, и она спекается в контролируемой атмосфере при температуре, составляющей приблизительно 85% от температуры плавления металла. Деталь из нержавеющей стали может быть нагрета до 1,350–1,400 °C.
Именно этот метод спекания позволяет получать сплавы методом MIM, которые практически невозможно получить методом литья под давлением. Компромисс заключается в многоступенчатом процессе — смешивание, формование, удаление связующего, спекание, — где удаление связующего описывается в литературе как наиболее важный этап, поскольку он определяет успех или неудачу процесса.
Почему при литье под давлением обычно не используется нержавеющая сталь?
Диапазон плавления нержавеющей стали значительно превышает допустимый для системы с погруженной горячей камерой, и даже литье в холодной камере при такой температуре создаст значительную тепловую нагрузку на штамповую сталь. Данные о сроке службы штампов наглядно это демонстрируют. В алюминии, отлитом при температуре около 700 °C, образование трещин, эрозия и вмятины ограничивают нормальный срок службы штампа примерно 60 000–200 000 литьевых циклов и 40 000–150 000 циклов на сердечнике. В меди/латуни при температуре около 970 °C те же механизмы сокращают нормальный срок службы до 5,000–50 000 литьевых циклов на штампе и 1,000–5,000 циклов на сердечнике. Нержавеющая сталь плавится при температурах значительно выше обоих значений.
Ограничение носит скорее практический, чем абсолютный характер: срок службы штампа сокращается с повышением температуры литья, а при температурах, характерных для нержавеющей стали, экономическая целесообразность использования закаленного штампа рушится. Именно поэтому данный процесс описывается как работа с цветными сплавами, и именно поэтому стальные отливки в сравнительных таблицах процессов указаны как неприменимые для литья под давлением.
Что можно сделать с помощью литья под давлением металлов, в частности черных металлов и специальных сплавов?
В области материалов, получаемых методом MIM, основное внимание уделяется системам из черных металлов — нержавеющим и низколегированным сталям — а также специальным материалам. С помощью MIM производится цементированный карбид вольфрама (WC-Co), а исследования сосредоточены на методах спекания, таких как микроволновое спекание, которые ограничивают рост зерен и сохраняют твердость. Активным направлением исследований является MIM-технология для титана: сплав Ti-6Al-4V является наиболее распространенным, и в обзоре отмечается, что при горячем изостатическом прессовании сплав Ti-6Al-4V показал прочность на растяжение 975 МПа с удлинением 14%, что аналогично кованым материалам, в то время как спеченный титан в лучшем из описанных случаев достиг 920 МПа с удлинением 11% при плотности 98%. Усталостная прочность и трещиностойкость, как правило, были ниже, чем у сопоставимого кованого изделия.
Будьте объективны: указанные данные по содержанию титана взяты из обзора именно технологии Ti-MIM, и в этом же обзоре говорится, что допуски в технологии Ti-MIM пока не соответствуют уровню других технологий MIM, а спеченная поверхность получается более шероховатой из-за большего размера частиц.
Размер детали, толщина стенки и геометрия.
В литье под давлением существуют хорошо документированные диапазоны размеров. Как правило, размеры деталей варьируются от нескольких граммов до примерно 9 кг (20 фунтов); в миниатюрном литье под давлением размеры деталей составляют от доли унции до примерно 454 г (16 унций). Толщина стенки зависит от сплава: для алюминиевых отливок номинальная толщина стенки составляет 0.080–0.120 дюйма (2–3 мм), при этом для небольших деталей практичной является толщина 0.050 дюйма (1.2 мм), тогда как для цинковых отливок она тоньше – 0.040–0.060 дюйма (1–1.5 мм) номинальная и достижимая 0.030 дюйма (0.75 мм). Толстые участки здесь хуже тонких, поскольку тяжелые участки затвердевают последними и обладают усадочной пористостью; любой участок, толщина которого превышает номинальную толщину стенки более чем в 1.5 раза, следует вырезать.
Технология MIM описывается как обеспечивающая практически неограниченные возможности по формообразованию и геометрическим характеристикам, а также высокую производительность при использовании многогнездной оснастки. В цитируемых источниках не указан сопоставимый предельный размер для MIM, поэтому данное сравнение не может его предоставить. Можно лишь сказать, что преимущество MIM заключается в сложности на малых масштабах, а не в габаритах.
Уклон, ребра и элементы стержня в литье под давлением
Правила проектирования литья под давлением формируют деталь до того, как будет изготовлен инструмент. Для алюминия требуется примерно 1° уклона на внешних стенках и 2° на внутренних поверхностях стержня; для цинка, который менее агрессивно сцепляется со стержнем, достаточно примерно половины этого значения, а для глубоких стержней требуется больший уклон. Минимальный радиус скругления составляет около 0.060 дюйма (1.5 мм), и лучше, чтобы радиус скругления был равен радиусу прилегающей стенки — острые внутренние углы являются концентраторами напряжений в отливке и местами начала образования трещин в форме. Ребра должны проходить примерно на 0.6 × номинальную толщину стенки, чтобы не проседать, с уклоном 1–2° с каждой стороны. Минимальный диаметр стержня составляет около 0.10 дюйма (2.5 мм) для алюминия и 0.060 дюйма (1.5 мм) для цинка, при этом глубина стержня не должна превышать примерно 4 × диаметр; небольшие или глубокие отверстия дешевле сверлить после отливки, чем сверлить стержнем.
Линии разъема приводят к увеличению допуска. Размеры, пересекающие линию разъема, зависят от того, насколько плотно смыкаются половины матрицы, и имеют больший допуск, чем размеры, заключенные внутри одной половины матрицы, а подвижные компоненты матрицы добавляют свой собственный допуск сверх линейного допуска.
Подрезы, поперечные отверстия и элементы, добавленные после формования.
Технология MIM обеспечивает геометрическую свободу иным путем. Если дополнительные элементы конструкции невозможны во время формования — например, подрезы или поперечные отверстия — их можно добавить к заготовке на этом этапе с помощью механической обработки или другой вторичной операции, до удаления связующего и спекания. Заготовка еще мягкая и полностью сформированная, поэтому это практичный способ получить элементы, которые не удалось извлечь из формы.
В литье под давлением та же проблема связана с боковыми механизмами: направляющими и стержнями, которые тянут в направлении, отличном от основного отверстия штампа. Каждый боковой механизм увеличивает стоимость оснастки, время цикла и точку обслуживания, поэтому в рекомендациях по проектированию литья под давлением сокращение количества направляющих находится в числе главных мер по снижению затрат. Переориентация детали или перемещение элемента на плоскость разъема часто обходится дешевле, чем добавление направляющей.
Толерантность, Чистота поверхности и воспроизводимость
Допуски при литье под давлением стандартизированы. Стандартный линейный допуск NADCA для алюминия составляет ±0.010 дюйма (±0.25 мм) на первом дюйме плюс ±0.002 дюйма на каждом последующем дюйме; для цинка и магния установлены те же стандартные значения, в то время как для меди допуск меньше — ±0.014 дюйма (±0.36 мм). Использование прецизионной оснастки и более жесткий контроль процесса позволяют примерно вдвое снизить эти показатели. Чистота поверхности после литья составляет примерно 32–63 мкм Ra (0.8–1.6 мкм) от новой формы и увеличивается по мере образования трещин при нагреве формы, поскольку рисунок трещин от термической усталости переносится на поверхность детали.
Сообщается об усадке при спекании металла при литье под давлением. Заготовка отливается с запасом по размеру и изотропно сжимается в процессе спекания; точное значение зависит от объема связующего вещества, поэтому для компенсации производится вырезание оснастки, а не корректировка чертежа.
Технология MIM описывается как процесс получения детали с заданной формой и хорошим контролем допусков размеров, однако конкретные значения для поставляемого материала — это исследовательские значения для титана, полученного методом MIM: коэффициент вариации 0.1% в одном из описанных случаев и 0.08%–0.65% в менее подробных отчетах, а также отклонения массы от 0.5% до более 1%. Это не является общим стандартом MIM, и в самом обзоре говорится, что титан, полученный методом MIM, потенциально приближается к другим методам MIM, а не соответствует им. Для серийной детали, изготовленной методом MIM, допуск, который необходимо учитывать при проектировании, определяется вашим поставщиком.
Усадка: проектирование инструмента для получения окончательных размеров
Усадка является определяющим фактором при проектировании оснастки методом MIM. Заготовка примерно на 20% больше по всем размерам, чем готовая деталь, в зависимости от объема связующего вещества, а усадка при спекании обычно составляет 18–22%, также в зависимости от объема связующего вещества, при этом деталь изотропно сжимается до своих проектных размеров по мере устранения пор и сплавления металлических частиц. Поэтому оснастка изготавливается с запасом по размеру, чтобы деталь после спекания соответствовала чертежу.
В литье под давлением действуют те же физические принципы, но с коэффициентом сжатия — множителем, применяемым к размерам отливки для получения размеров матрицы, учитывающим различные коэффициенты теплового расширения стали и сплава, а также рабочую температуру матрицы.
В обоих процессах компенсация принадлежит изготовителю инструмента, а не заказчику. Чертеж детали сохраняет окончательные размеры; припуск на усадку учитывается в полости пресс-формы или штампа. Заказчик должен предоставить четкий чертеж с допусками и критически важными элементами, а поставщик — инструмент, разработанный таким образом, чтобы изготовленная деталь соответствовала этому чертежу.
Вторичные операции для ужесточения допусков
Ни один из этих процессов не обеспечивает сохранение всех характеристик в соответствии с окончательными допусками после литья. Детали, изготовленные методом MIM, проходят чеканку, механическую обработку, термообработку, нанесение покрытий и другие вторичные операции, когда требуются более жесткие допуски или улучшенные свойства. Литые детали проходят обрезку, механическую обработку критически важных отверстий, удаление заусенцев, вибрационную обработку, пропитку смолой для герметичных деталей и нанесение покрытий.
Стоимость этих операций часто недооценивается. В литье под давлением обрезка, механическая обработка, удаление заусенцев и пропитка часто увеличивают затраты больше, чем сам цикл литья, поэтому смета, учитывающая только этап литья, не учитывает детали, которые вы фактически будете устанавливать.
Инструменты, Объём и экономика затрат
Различия в структуре затрат заключаются не только в объеме выделяемых средств, но и в том, куда именно они направляются.
В литье под давлением решающее значение имеет форма пресс-формы. Производственная пресс-форма представляет собой закаленную сталь H13, изготовление и тестирование которой занимает примерно 10–16 недель, а затем еще 2–4 недели на выпуск каждой последующей партии продукции. При объеме производства менее 5,000 деталей в год затраты на оснастку редко окупаются, и вместо этого выигрывают литье по выплавляемым моделям, литье в песчаные формы или механическая обработка из заготовки. При объеме производства от 10 000 до 100 000 деталей обычно используется одно- или двухгнездная пресс-форма; при объеме производства более 250 000 многогнездные пресс-формы и станки большей грузоподъемности пропорционально сокращают время обработки одной детали. Стоимость оснастки составляет порядка 10–20% от общей стоимости готовой алюминиевой отливки, а на саму пресс-форму приходится всего 5–15% стоимости пресс-формы — остальное приходится на механическую обработку, термообработку и изготовление.
Экономическая целесообразность MIM-технологии основана на использовании многогнездной оснастки, обеспечивающей высокие темпы производства, поэтому этот процесс идеально подходит для массового производства деталей сложной формы. Приведенный материал не дает данных о точке безубыточности при увеличении объема производства MIM-технологии, поэтому это честное утверждение носит ориентировочный характер: MIM-технология имеет фиксированные затраты на оснастку и сырье, а также низкую себестоимость одной детали при больших объемах производства, и эта стоимость улучшается по мере роста объемов и увеличения сложности геометрии.
Куда уходят деньги на каждом этапе процесса
При литье под давлением стоимость одной детали определяется машинным временем, весом сплава и дополнительными операциями. Машинное время короткое — циклы 15–60 секунд, заполнение литникового канала занимает 20–100 миллисекунд, — поэтому этап литья редко является самой дорогой деталью. Дополнительные операции: обрезка, механическая обработка, удаление заусенцев и пропитка часто увеличивают стоимость больше, чем сам цикл литья. Выбор сплава также влияет на стоимость, поскольку цинковые формы служат примерно на порядок дольше алюминиевых и работают быстрее, часто компенсируя более высокую стоимость металла для мелких деталей.
В технологии MIM основными факторами, определяющими стоимость, являются исходное сырье, термическая обработка и вторичные операции. Исходное сырье представляет собой мелкодисперсный порошок плюс связующее, при этом содержание связующего обычно составляет 40% по объему. Удаление связующего и спекание занимают время в печи и требуют контролируемой атмосферы, а спекание представляет собой длительный, точно контролируемый температурный профиль, а не быстрый цикл. Вторичные операции — чеканка, механическая обработка, термообработка, нанесение покрытия — добавляются к себестоимости. Если в литье под давлением фиксированные затраты сосредоточены в изготовленной стальной форме, то в технологии MIM они распределяются между оснасткой, порошком и производительностью печи.
Выбор диапазона громкости
В целом: при малых объемах предпочтительны механическая обработка, литье по выплавляемым моделям или литье в песчаные формы, где оснастка мала или отсутствует; при средних объемах предпочтительны простые штампы или литье под давлением (MIM) в зависимости от сплава, поскольку одно- или двухгнездные штампы обычно используются при производстве от 10 000 до 100 000 деталей, а амортизация оснастки для MIM-литья составляет примерно такой же порядок величины; при больших объемах предпочтительны многогнездные штампы в обоих процессах. Это диапазоны, взятые из указанных источников, а не универсальные пороговые значения — размер детали, сплав, допуск и количество гнезд смещают точку пересечения, и единственным надежным показателем для конкретной детали является ценовое предложение.
Механические свойства и постобработка
Детали, изготовленные методом MIM, достигают 96–99% от теоретической плотности при спекании в контролируемой атмосфере, а полученный металл, как описывается, обладает механическими и физическими свойствами, аналогичными отожженным деталям, изготовленным традиционными методами металлообработки — аналогичным деталям, обработанным из прутка. При необходимости более высоких свойств диапазон свойств расширяется за счет дополнительных операций, таких как термообработка.
Литье под давлением имеет другую структуру. Затвердевание начинается на поверхности формы и распространяется внутрь, образуя мелкозернистую, низкопористую пленку толщиной обычно 0.015–0.020 дюйма (0.38–0.50 мм), при этом пористость концентрируется в сердцевине между пленками. Толщина пленки относительно постоянна и не зависит от общей толщины стенки, поэтому тонкостенные участки могут быть фактически прочнее и однороднее, чем толстостенные. Практическое следствие этого заключается в том, что обычные отливки, полученные методом литья под высоким давлением, как правило, не могут быть сварены или подвергнуты термообработке Т6, поскольку захваченный газ расширяется при температуре и образует пузыри на детали. Вакуумное литье под давлением, которое снижает давление в полости до 50 миллибар или менее, и варианты без пор уменьшают количество захваченного газа настолько, что позволяют использовать оба метода, хотя и с более высокой стоимостью процесса. Если требуется сварка или термообработка Т6, сообщите об этом до проектирования формы.
Можно ли обрабатывать и собирать детали, изготовленные методом литья под давлением?
Да, и то, и другое является стандартной процедурой. Литье под давлением проходит через этапы обрезки, механической обработки критически важных отверстий, удаления заусенцев, вибрационной обработки, пропитки смолой для герметичных деталей и нанесения покрытия. Литье под давлением также предоставляет значительные возможности для повышения эффективности сборки: литые выступы, ребра и самофиксирующиеся элементы могут уменьшить количество деталей, а подшипниковые поверхности иногда могут быть включены в отливку, что исключает необходимость изготовления и сборки подшипников отдельно.
Важно соблюдать осторожность в отношении глубины обработки. Допускается глубина обработки примерно 0.010–0.030 дюйма (0.25–0.75 мм) на обработанных поверхностях, и не больше, чем необходимо. Охлаждающая оболочка — это самый плотный, герметичный металл в отливке; глубокая резка через неё обнажает подповерхностную пористость, которая обычно является причиной утечек в обработанных уплотнительных поверхностях. Там, где важна герметичность, тщательно выбирайте обрабатываемые поверхности и указывайте площади, объем и глубину вторичной обработки до начала изготовления штампа.
Применение: где каждый процесс находится в рамках
Область применения литья под давлением определяется используемыми сплавами и их вязкостью. Типичные детали включают корпуса, картеры редукторов, кронштейны, оболочки разъемов и крепежные элементы, весом от нескольких граммов до примерно 9 кг. По объему преобладает алюминий A380; цинковые сплавы, такие как Zamak 3 и 5, позволяют получать более тонкие стенки, более тонкую детализацию и значительно больший срок службы пресс-форм; магний AZ91D обеспечивает снижение веса за счет более высокой стоимости металла. Литье под давлением используется в сельскохозяйственной технике, автомобилях, строительной фурнитуре, электротехническом и электронном оборудовании, ручном инструменте, бытовой технике, промышленных изделиях, приборах, садовой технике, офисной мебели и оборудовании, портативных электроинструментах и оборудовании для отдыха.
Компоненты, изготовленные методом MIM, используются в медицинской и стоматологической, аэрокосмической, оборонной, автомобильной и сельскохозяйственной отраслях, а также в производстве твердосплавных деталей и износостойких элементов. Списки частично совпадают, и именно это совпадение является сутью: ни одна из отраслей не относится исключительно к одному процессу. Выбор материала, а не отраслевая принадлежность, определяет решение.
Автомобильная и промышленное оборудование
В автомобильной и промышленной отраслях, где требуется массовое производство тонкостенных корпусов из цветных металлов, кронштейнов, корпусов коробок передач, оболочек разъемов, литье под давлением подходит, поскольку детали достаточно большие, чтобы требовать использования штампа, достаточно простые для извлечения, и достаточно многочисленные, чтобы окупить его стоимость. Там, где в тех же отраслях требуются небольшие, сложные компоненты с более высокой температурой плавления, подходит метод MIM: свобода выбора формы и контроль допусков по форме имеют большее значение, чем габариты, а в качестве сплава может использоваться нержавеющая или низколегированная сталь, которую литье под давлением не может производить.
МедСтоматологические и прецизионные инструменты
Небольшие компоненты из нержавеющей стали и специальных сплавов в медицинских и стоматологических приборах указывают на возможность применения технологии MIM (литье под давлением), поэтому медицинская и стоматологическая промышленность являются одним из рынков, обслуживаемых этим процессом. Корпуса, изготовленные методом литья под давлением, по-прежнему используются в корпусах медицинских приборов, где несущую функцию выполняют алюминиевые или цинковые корпуса с литыми элементами. Опять же, требования к материалу определяют процесс раньше, чем это сделает отрасль: компоненты из нержавеющей стали и алюминиевые корпуса не конкурируют за один и тот же технологический процесс.
Альтернативные методы, когда ни литье под давлением, ни литье под давлением металла не подходят.
Когда сплав исключает литье под давлением, а объем или геометрия исключают литье методом MIM, обычно предлагается один из пяти вариантов. Они частично совпадают, а не расположены в фиксированном порядке.
Обработка заготовок на станках с ЧПУ выгодна при мелкосерийном производстве, жестких допусках и отсутствии бюджета на оснастку. Она практически не требует оснастки, имеет высокую себестоимость детали и позволяет изготавливать детали еще до начала обработки инструментом.
Литье по выплавляемым моделям выгодно для стали, нержавеющей стали и суперсплавов, для небольших объемов производства, а также для геометрических форм с подрезами или нулевым уклоном, которые стальная матрица не может извлечь. Оно позволяет получать стенки толщиной всего 0.25–1 мм (0.010–0.040 дюйма) в зависимости от сплава, а стоимость оснастки значительно ниже, чем при литье под давлением.
Литье в песчаные формы выигрывает при изготовлении крупных, простых деталей в небольших объемах, поскольку минимальные затраты на оснастку и дополнительные операции позволяют снизить стоимость там, где требуется высокая точность.
Метод порошковой металлургии с прессованием и спеканием выигрывает при массовом производстве более простых геометрических форм, где матрица может напрямую задавать нужную форму, и нет необходимости в свободе формообразования, характерной для литья под давлением.
Литье пластмасс под давлением выгодно в тех случаях, когда деталь вообще не обязательно должна быть металлической.
Механическая обработка и литье по выплавляемым моделям как промежуточные варианты.
Механическая обработка играет особую роль в программах литья или MIM-литья: она позволяет изготавливать детали до создания оснастки, что дает возможность протестировать и доработать конструкцию во время составления сметы или изготовления производственной оснастки. После стабилизации конструкции обработанную деталь можно заменить литьем или MIM-литьем. В руководстве по литью под давлением тот же принцип применяется и с другой стороны — когда необходимо сначала решить вопросы проектирования или сроки выполнения заказа сжаты, для приближения к конечному изделию, полученному методом литья под давлением, используются альтернативные методы прототипирования, такие как гравитационное литье или механическая обработка заготовки.
Литье по выплавляемым моделям охватывает диапазон сплавов, недоступный для литья под давлением, и геометрию, которую может не оправдать использование оснастки для MIM-литья при малых объемах производства. Это естественный переходный этап, когда деталь должна быть изготовлена из нержавеющей стали или суперсплава, объем производства ниже порога возможностей оснастки для MIM-литья, а геометрия имеет подрезы или поверхности с нулевым уклоном.
Литье пластмасс под давлением, когда металл не требуется
Если технологическая задача допускает использование полимера, то литье пластмасс под давлением имеет ту же архитектуру, что и MIM-литье, но исключает этапы удаления связующего и спекания, а также затраты на металлический порошок. Поэтому перед тем, как предлагать какой-либо процесс литья металла, стоит задаться вопросом, обязательно ли деталь должна быть металлической — и если да, то является ли это требование к металлу конструкционным, термическим, электрическим или эстетическим, поскольку каждый ответ указывает на необходимость применения различных процессов.
Выбирайте NOBLE для поддержки ваших проектов по литью металлов под давлением и литью под давлением.
NOBLE — это китайский контрактный производитель и китайско-британское совместное предприятие, признанное правительством «Национальным высокотехнологичным предприятием». Наши обширные услуги и технологический опыт помогают клиентам эффективно переходить от прототипирования к серийному производству в рамках программ литья металлов под давлением и литья под давлением, а также в сопутствующих работах по механической обработке, отделке и сборке.
Программа литья под давлением (MIM) редко ограничивается лишь этапом формования. Она включает в себя проектирование с учетом технологичности изготовления до начала изготовления пресс-формы, координацию оснастки, вторичную механическую обработку для приведения критически важных элементов в соответствие с допусками, чистовую обработку поверхности, контроль качества по чертежу и сборку, если деталь поставляется в виде узла. Роль NOBLE заключается в том, чтобы охватить весь этот объем работ, чтобы программа не разрознелась между поставщиками, поскольку каждая передача детали добавляет время и увеличивает объем допусков.
От прототипа к серийному производству
Процесс включает в себя проверку проекта и анализ технологичности изготовления, составление сметы, отбор образцов, а затем серийное производство, при этом на каждом этапе применяется одна и та же система контроля качества. На практике это означает загрузку CAD-файлов и отправку запроса на коммерческое предложение с необходимой информацией, получение результатов анализа проекта и прозрачного ценообразования, а затем переход к производству и доставке. Услуги NOBLE по быстрому прототипированию и мелкосерийному производству призваны преодолеть разрыв между первым образцом и окончательным производством, позволяя проверить проект до начала серийного производства.
Системы качества и полный спектр услуг
Компания NOBLE имеет сертификаты ISO 9001:2015 и ISO 13485:2016. Для покупателя ISO 9001:2015 означает документированную систему управления качеством, регулирующую планирование, производство и проверку деталей; ISO 13485:2016 добавляет систему качества, ориентированную на медицинские изделия, что важно, когда деталь используется в программе регулирования медицинских изделий. В производстве NOBLE применяет полный процесс контроля качества на этапах IQC, IPQC и FQC/OQC, используя собственное испытательное и измерительное оборудование для проверки компонентов на соответствие техническим требованиям.
Предлагаемый комплекс услуг охватывает весь процесс от проектирования до сборки, а не только производство. Для проектов, связанных с литьем под давлением или MIM-литьем, это означает наличие одного партнера для учета требований к технологичности изготовления (DFM), координации оснастки, вторичной механической обработки, финишной обработки, контроля качества и сборки. Это сокращает количество этапов передачи заказов между поставщиками и обеспечивает подотчетность в одном месте. Чтобы начать проект, предоставьте свои чертежи, информацию о сплаве, объемах и требованиях к качеству, и команда NOBLE ответит вам, предоставив информацию о технологичности и ценообразовании.
Часто задаваемые вопросы о литье металлов под давлением и литье под давлением
Какой технологический процесс следует выбрать для изготовления десятков тысяч мелких сложных деталей из нержавеющей стали в год?
Нержавеющая сталь исключает традиционное литье под давлением из-за температуры плавления, поэтому реальное сравнение — это MIM (литье под давлением) с механической обработкой и литьем по выплавляемым моделям. При производстве десятков тысяч изделий в год со сложной геометрией затраты на оснастку MIM окупаются за счет объема, а свобода формообразования и контроль допусков по готовой форме делают его предпочтительным вариантом. Механическая обработка остается альтернативой с минимальными затратами на оснастку, а литье по выплавляемым моделям подходит для мелкосерийного производства или изделий с нулевым уклоном. Перед заключением договора необходимо уточнить у поставщика требования к допускам и качеству обработки, поскольку от них зависит объем вторичной механической обработки детали.
Почему литье под давлением обычно не позволяет производить детали из нержавеющей стали?
В машинах с горячей камерой используются только низкоплавкие сплавы цинка, магния и свинца. Алюминий, плавящийся при температуре примерно 620–675 °C, необходимо отливать в холодной камере, поскольку погруженный в него цилиндр растворится. Нержавеющая сталь плавится при гораздо более высоких температурах, и тепловая нагрузка превысит допустимую для штамповочной стали H13 — срок службы штампа уже снижается с примерно 60 000–200 000 циклов в алюминии при температуре около 700 °C до 5 000–50 000 в медь/латунь при температуре около 970 °C. При температурах нержавеющей стали экономическая целесообразность штампов рушится, поэтому этот процесс рассматривается как способ обработки цветных металлов.
При каком объеме производства литье металлов под давлением становится экономически предпочтительнее механической обработки или литья по выплавляемым моделям?
Фиксированного значения нет. Технология MIM предполагает фиксированные затраты на оснастку и сырье, но низкую себестоимость одной детали при больших объемах производства, поэтому ее эффективность повышается по мере роста объемов и увеличения сложности геометрии. Механическая обработка практически не требует оснастки, но имеет высокую себестоимость одной детали; литье по выплавляемым моделям занимает промежуточное положение. Переход зависит от размера детали, сплава, допуска и количества полостей, и единственным надежным показателем является расчет стоимости вашей конкретной детали.
Какой размер усадки необходимо предусмотреть в конструкции инструмента для MIM-печати, и кто его компенсирует?
Необработанная деталь примерно на 20% больше по всем размерам, чем готовая деталь, а усадка при спекании обычно составляет 18–22%, зависит от объема связующего вещества и является изотропной. Инструментальщик компенсирует это в полости пресс-формы, чтобы спеченная деталь соответствовала чертежу. Вы предоставляете размеры готовой детали; инструмент учитывает этот припуск.
Можно ли обрабатывать литые детали на станках и собирать их в готовое изделие?
Да. Литье под давлением обычно проходит обрезку, механическую обработку критически важных отверстий, снятие заусенцев, вибрационную обработку, пропитку и нанесение покрытия, а литые выступы, ребра и самофиксирующиеся элементы могут уменьшить количество деталей при сборке. Следует оставлять зазор для механической обработки около 0.010–0.030 дюйма (0.25–0.75 мм) и избегать глубокой резки за пределы охлаждающей оболочки, так как это обнажает подповерхностную пористость и вызывает протечки в уплотнительных поверхностях.
Какие есть альтернативы, если ни метод литья под давлением (MIM), ни литье под давлением не подходят?
- Обработка на станках с ЧПУ из заготовки — Малый объем производства, жесткие допуски, отсутствие бюджета на оснастку.
- Литье — сталь, нержавеющая сталь и суперсплавы; меньшие объемы; подрезы или геометрия с нулевым уклоном.
- Пескоструйная обработка — крупные, простые, малосерийные детали.
- Порошковая металлургия, прессование и спекание — более простые геометрические формы при увеличении объема.
- Литье пластмасс под давлением — когда деталь не обязательно должна быть металлической.
Что мне нужно подготовить, прежде чем запрашивать ценовое предложение для проекта по литью под давлением или MIM-литью?
- 3D-чертежи CAD и 2D-чертежи с указанием допусков и критически важных элементов.
- Технические характеристики сплавов и материалов
- Годовые и пиковые объемы
- Требования к отделке поверхности и последующей обработке
- Объем сборки, если деталь поставляется в виде узла в сборе.
- Требования к качеству и сертификации
- Целевые сроки
Наибольшее влияние на стоимость оснастки оказывают сложность геометрии и боковые воздействия при литье под давлением, а также размер детали и количество элементов при литье под давлением; объем и требования к допускам определяют сравнение стоимости одной детали в обоих случаях.
