Литье под давлением: особенности технологии, достоинства и область применения

Литье под давлением — это процесс, в рамках которого с помощью автоматизированного оборудования изготавливаются детали с тонкими стенками из цветных металлов, пластмассы и стали. Данная технология отличается высокой производительностью. При создании деталей жидкий расплав, полученный из указанных материалов, с высокой скоростью подается в специальную пресс-форму, после чего под действием давления получается отливка заданной конфигурации.

Особенности технологического процесса

В рамках данного процесса используются специальные стальные пресс-формы, предназначенные для заливки расплавленного материала, который под воздействием высокого давления кристаллизуется, приобретая заданную конфигурацию.

Данное устройство представляет собой литейную оснастку, в конструкции которой предусматриваются подвижные и неподвижные детали. Первые перемещаются по направляющим цилиндрам, вторые крепятся на стационарной плите.

Перед началом технологического процесса подвижная часть пресс-формы плотно фиксируется к неподвижным с помощью гидроцилиндра. Затем, чтобы предотвратить перемещение этих деталей, последние крепятся посредством специальных замков. После заливки и застывания расплавленного материала подвижную часть устройства сдвигают в сторону. Полученная под высоким давлением заготовка удаляется из оборудования с помощью механических толкателей.

Перед началом процесса внутренние детали, которые контактируют с расплавленным материалом, предварительно обрабатываются специальной разделительной смазкой. Данный состав применяется для исключения негативного влияния высоких температур на стальные детали оборудования и беспрепятственного отделения созданных заготовок от стенок.

Литье под давлением ведется в автоматическом режиме с использованием промышленных установок. Основным узлом данного оборудования считается камера, в которой происходит прессование материала. Этот элемент конструкции бывает двух типов: холодный и горячей. Конструктивно первая камера представлена в виде горизонтально уложенного цилиндра, внутри которого располагаются поршень воронка, используемая для заливки расплавленного материала.

Процесс изготовления деталей в таком оборудовании сводится к следующему: после заполнения установки металлом запускается поршень, который, двигаясь внутри цилиндра, нагнетает расплав в пресс-форму. После заполнения последней внутри камеры увеличивается давление. Это происходит за счет повышения усилия на поршень, что приводит к кристаллизации металла.

Горячая камера пресс-форм представлена в виде ванны, расположенной в чугунном тигле, который в ходе создания заготовок постоянно подогревается. В таких установках также используется поршень, который двигаясь выталкивает расплав из тигля. Далее металл поднимается по специальному каналу с подогреваемым мундштуком (предупреждает затвердевание материала), через который поступает в пресс-форму. По окончании процесса остатки расплава возвращаются в ванну.

Пресс-формы с горячей камерой применяются при создании заготовок из сплавов цинка и магния.

Температура нагрева материала

Температура, до которой нагревается материал, подбирается с учетом двух параметров: марка сплава и геометрических параметров создаваемой детали. Несоблюдение этого правила ведет к серьезным последствиям. Из-за перегрева материала при заливки пресс-формы вылетают брызги, которые перекрывают отверстия для вентиляции, вследствие чего нарушается газоотведение, что ведет к появлению пор в заготовке после затвердевания последней.

Превышение допустимой температуры ведет к увеличению продолжительности кристаллизации металла, из-за чего на завершение технологического процесса уходит больше времени. Это приводит к росту нагрузки на оборудования, что повышает износ пресс-формы. В подобных условиях увеличиваются риски приваривания металла к внутренним стенкам. Вследствие этого растет вероятность повреждения детали при выталкивании.

Данный технологический процесс предполагает выполнение прессовки при минимальной температуре. Цветные металлы можно нагревать на 10-300 градусов выше той отметки, по достижении которой сплав начинает затвердевать. При этом, если техническое задание требует изготовление деталей с тонкой стенкой, температура нагрева увеличивается. При создании отливок простой конфигурации применяется обратный подход. В подобных случаях материал нагревается до температуры, немного превышающей точку плавления.

Если в ходе данного технологического процесса изготавливаются детали высокой прочности, то металл заливают в пресс-форму в твердо-жидком состоянии. Такой подход позволяет добиться следующих результатов:

• исключить появление усадочного эффекта в создаваемой заготовке;
• уменьшить негативное влияние высокой температуры на оборудование;
• сократить продолжительность процесса затвердевания отливки;
• снизить риски приваривания металла к внутренним стенкам.

Металл с включениями твердой фазы прессуется исключительно в установках с холодной камерой. Это объясняется тем, что при изготовлении деталей из данного материала в другом оборудовании повышаются риски застывания расплава в подводящем канале. В частности, в ходе литья под давлением алюминия объем твердых частиц должен составлять 40-60% при условии, если пресс-формы беспрепятственно заполняется, а качество отливки остается на высоком уровне.

Скорость подачи расплавленного материала

Скорость, с которой поршень спрессовывает расплавленный материал, определяется с учетом характеристики сплава и геометрии изготавливаемой детали:

1. Деталь простой формы и с толстыми стенками. В этом случае не требуется быстрая прессовка расплава.
2. Деталь сложной геометрической формы и с тонкими стенками. При создании подобной заготовки расплав прессуется с высокой скоростью. Такое требование объясняется тем, что жидкий материал должен успеть заполнить все полости до начала затвердевания.

Превышение допустимой скорости прессовки приводит к тому, что подаваемая струя разлетается на мелкие капли, вследствие чего в расплав попадает воздух. В случае если в конструкции предусматривается недостаточное количество каналов, предназначенных для отвода газов, либо те закупорены, в отливаемой заготовке останутся пустоты. Во избежание подобных последствий литье под давлением проводится в вакууме, в который помещается пресс-форма.

То, с какой скоростью проводится прессовка, определяет качество отливок и продолжительность срока службы оборудования. Если расплав подается слишком быстро, то из-за этого смазка, которой обработана ванна, смывается. Из-за этого металл прикипает к внутренним стенкам, что при выталкивании приводит к повреждению заготовки.

При слишком медленной скорости ухудшается качество детали. В этом случае металл начинает затвердевать до того момента, как будет увеличено давление внутри оборудования. Во избежание описанных последствий расплавленный материал подается в пресс-форму со скоростью 10-50 м/с. Меньший параметр выбирается при создании заготовок из стали и медных сплавов. Расплавленные олово и цинк подаются с большей скоростью.

Давление на расплав при затвердевании

После заполнения пресс-формы металлом на поршень многократно увеличивается давление. Материал испытывает такое воздействие до того момента, пока не затвердеет. Благодаря давлению:

• увеличивается плотность заготовки;
• улучшаются механические характеристики отливки;
• исключается образование усадочных дефектов;
• повышается качество отливки;
• снижается риск появления брака;
• растет чистота поверхности металлической детали.

Усилие прессования определяется в зависимости от требований, предъявляемых к прочностным характеристикам детали: чем выше второй параметр, тем больше должно быть давление. Данный показатель также зависит от типа сплавов:

• алюминиевые прессуются под давлением 40-200 МПа;
• на основе магния — 40-180 МПа;
• цинковые — 10-50 МПа.

Чем толще стенка изготавливаемой детали, тем выше должно быть давление при кристаллизации.

Температура нагрева пресс-формы

Перед подачей расплава пресс-форма нагревается до температуры, определяемой в зависимости от типа сплава и толщины стенок:

• цинковые — 120-1600 градусов;
• на основе магния — 200-2400 градусов;
• алюминиевые — 180-2500 градусов;
• на основе стали — 200-2800 градусов;
• латунные — 280-3200 градусов.

При изготовлении деталей с тонкими стенками пресс-форма прогревается до верхней границы указанных диапазонов, с толстыми — до нижней. Это обусловлено тем, что в первом случае такой подход позволяет предупредить затвердевание металла до заполнение формы, во втором — увеличить скорость застывания материала.

Преимущества и недостатки технологии

К достоинствам литья под давлением относится следующее:

• детали получаются с низкой шероховатостью и высокой точностью исполнения;
• детали не требуют механической обработки после окончания прессовки;
• процесс можно полностью автоматизировать;
• процесс отличается высокой производительностью.

К недостаткам данной технологии относят сложность и высокую стоимость оборудования, необходимого для литья под давлением. Поэтому этот метод изготовления деталей не применяется при мелко- и среднесерийном производстве. Также данную технологию не используют при литье тугоплавких металлов (плавятся при температуре выше, чем сталь). Кроме того, такой метод не подходит для создания крупных отливок из-за неравномерного затвердевания материала.

Область применения

Литье под давлением позволяет создавать тонкостенные изделия толщиной от 1 мм со сложной геометрией из пластика и следующих сплавов:

• медных;
• алюминиевых;
• цинковых;
• на основе магния;
• на основе стали.

В связи с этим литье под давлением нашло применение в приборо-, автомобиле-, самолето- и станкостроении, при производстве бытовой техники и элементов для смесителей. Также данная технология используется при создании продукции из синтетических материалов (полиэтилена, полипропилена и других).