Zarówno odlewanie ciśnieniowe w gorącej komorze, jak i odlewanie ciśnieniowe w zimnej komorze to metody odlewania metali. Działają one jednak na różne sposoby. Odlewanie ciśnieniowe z gorącą komorą wykorzystuje wbudowany piec. Działa szybciej i wytwarza części z metali o niskiej temperaturze topnienia, takich jak cynk. Tymczasem odlewanie zimnokomorowe wykorzystuje oddzielny piec do topienia metalu. Może produkować części z metali o średniej i wyższej temperaturze topnienia, takich jak aluminium, ale nie działa szybko.

Decyzja o wyborze zależy od rodzaju metalu i złożoności części. Przeczytaj ten artykuł, aby poznać ich różne aspekty, stopy, zastosowania i procesy.

Odlewanie ciśnieniowe w gorącej komorze

Proces ten nazywany jest gorącymi komorami ze względu na zanurzony system wtrysku (system gęsiej szyi i tłok) w stopionym metalu wewnątrz pieca. Działa szybciej przy użyciu zautomatyzowanej techniki wytwarzania części metalowych.

Producent wtłacza stopiony metal do stalowej formy wielokrotnego użytku pod wysokim ciśnieniem. Cynk, cyna i stopy na bazie ołowiu są podstawowymi metalami używanymi w tym procesie. Proces ten działa przy niższych temperaturach topnienia metalu (poniżej 450°C / 842°F), aby uniknąć uszkodzenia układu wtryskowego. Stopy ołowiu są jednak ograniczone w wielu branżach ze względu na ich toksyczność.

Wtrysk metalu: System Gooseneck

Systemy typu "gęsia szyja" w odlewnictwie ciśnieniowym z gorącą komorą służą do pompowania stopionych stopów do wnęki matrycy. Jest on zanurzony w piecu, aby poprawić przepływ metalu. W tym przypadku hydrauliczny lub pneumatyczny tłok napędzany olejem/gazem o ciśnieniu 7-15 MPa / 1000-2200 psi wtłacza metal do matrycy i w górę gęsiej szyi. Ta konstrukcja jest idealna do masowej produkcji, umożliwiając 2-5 wtrysków na minutę.

Kluczowe wyzwania:

Niektóre zanieczyszczenia, takie jak utleniony metal, mogą gromadzić się w gęsiej szyjce, tworząc kożuch. Blokują one przepływ i w rezultacie obniżają jakość części. Aby tego uniknąć, należy stosować odpowiednie systemy czyszczenia.

Dodatkowo, ciągła ekspozycja na stopiony stop z czasem pogarsza stan tłoka i gęsiej szyjki. Wymaga to wymiany co 50 000-100 000 cykli.

Materiały i trwałość matrycy

Matryce są wykonane z mocniejszych i twardszych materiałów, takich jak stal (np. gatunek H13). Takie matryce mają tendencję do wytrzymywania intensywnego ciśnienia i ciepła. Jednakże, drobne pęknięcia tworzą się wewnątrz matrycy, gdy temperatura przekracza 400°C i stygnie. Każda matryca może wytrzymać 100 000-500 000 cykli przed naprawą.

Jeśli chodzi o koszt, to pozostaje on wysoki i wynosi od $20,000 do $50,000 za matrycę. Alternatywnie staje się to przystępne cenowo, gdy jest używane do masowej produkcji. Regularna konserwacja, powłoki i zarządzanie temperaturą nieuchronnie zwiększają jego żywotność.

Podział czasu cyklu

• Napełnianie: Wprowadzenie stopionego metalu do matrycy zajmuje 0,1-0,5 sekundy. Prędkość zazwyczaj zależy od siły tłoka i lepkości metalu.
• Krzepnięcie: Stopiony metal stygnie i twardnieje w ciągu 2-10 sekund. Grubsze części potrzebują więcej czasu, podczas gdy części cienkościenne (np. 1-3 mm) stygną wystarczająco szybko.
• Wyrzucanie: Kołki wypychające ułatwiają ten proces, usuwając część w ciągu 1-3 sekund. Dodatkowo, użycie smaru w sprayu na matrycy (np. grafitu) zapobiega przywieraniu.

Kontrola temperatury

Aby uzyskać stałą jakość odlewu, cenne jest wybranie precyzyjnej temperatury. Dlatego piec utrzymuje stopiony cynk w temperaturze 410-430°C (770-806°F). Oznacza to, że zmiany temperatury nawet o 10°C mogą powodować wady.

Podczas odlewania elektryczne grzałki oporowe lub palniki gazowe ogrzewają piec. Tymczasem termopary obserwują temperaturę przez cały czas. Dzieje się tak, ponieważ słaba kontrola (zbyt wysoka temperatura) powoduje degradację metalu, a zbyt niska powoduje powstawanie żużlu. Podobnie, przedwczesne krzepnięcie nie wypełnia szczelin ani nie powoduje pęknięć.

System wyrzucania

Część staje się gotowa do usunięcia, gdy jej metal jest w pełni twardy. Producenci otwierają matrycę za pomocą trzpieni wypychających, które wypychają część.

Dodatkowo, siłowniki hydrauliczne kontrolują siłę i zapobiegają uszkodzeniom. Tymczasem ustawione pod kątem trzpienie płynnie uwalniają złożone kształty. Można również użyć mgiełki smarującej, aby schłodzić matrycę i zapobiec przywieraniu. Wszystko to oznacza, że dobrze działające systemy wyrzucania są bardzo wydajne.

Zalety

• Proces ten jest 3-4 razy szybszy niż odlewanie ciśnieniowe w zimnej komorze.
• Wbudowane piece zużywają 20-30% mniej energii niż te, które topią metal oddzielnie.
• Wytwarza części o wąskich tolerancjach (±0,1 mm) i gładkich powierzchniach.
• Odlewanie gorącokomorowe jest idealne do produkcji masowej (ponad 10 000 części).
• Jest szeroko stosowany w zawiasach samochodowych lub obudowach elektronicznych.

Wady

• Technika ta nie jest odpowiednia dla aluminium lub Odlewanie ciśnieniowe magnezu. Ponieważ mają wyższą temperaturę topnienia, co mogłoby uszkodzić gęsią szyję.
• Odchylenia temperatury spowodowane częstymi cyklami naprężają gęsią szyję, w wyniku czego powstają pęknięcia.
• Wymaga odtłuszczania zanieczyszczeń w celu uniknięcia żużlu.

Odlewanie ciśnieniowe w zimnej komorze

Odlewanie w zimnej komorze nie przypomina odlewania w gorącej komorze; ma oddzielny piec do topienia metalu. Zamiast tego producenci przesuwają stopiony metal przez kadzi do tulei odlewniczej. Tam hydrauliczny tłok wtłacza go do gniazda formy. Pozostały proces jest prawie podobny. Proces ten działa dobrze w przypadku umiarkowanych i wysokich temperatur topnienia metali, takich jak aluminium, magnez i stopy na bazie miedzi.

Kadzenie i wtryskiwanie metalu

Rozgrzany metal można przenieść do maszyny za pomocą ręcznej lub automatycznej kadzi.

• Ręczne kadzenie jest wolniejsze i niezbyt spójne. Służy do wlewania stopionego metalu do tulei śrutowniczej. W rezultacie występują różnice w jakości części.
• Zautomatyzowane kadziowanie odnosi się do ramienia robota. Dokładnie odmierza ono i wprowadza rozgrzany metal. Prawidłowo wypełnia szczeliny i redukuje błędy ludzkie. Proces ten pomaga poprawić wskaźniki produkcji o około 10-20%. Dodatkowo usuwa wady, takie jak uwięzienie powietrza i niepełne wypełnienie.

Tuleja strzałowa i tłok

Krótkie tuleje są częścią systemów wtryskowych. Jest to punkt, z którego roztopiony metal jest wylewany przed wtryskiem do matrycy. Producenci wykonują je z twardszych materiałów, takich jak stal, aby mogły wytrzymać wysokie temperatury i ciśnienia.

Natomiast tłok jest jak pręt napędzany siłownikiem hydraulicznym. Wtłacza on stopiony stop do formy. Zwykle może być dwojakiego rodzaju: płaski i stożkowy.

Płaski tłok sprawdza się w przypadku prostszych części o stałej grubości ścianek. Tymczasem stożkowe tłoki są przydatne w przypadku trudnych konstrukcji, zatrzymując turbulencje i uwięzienie powietrza.

Materiały matrycy

Zasadniczo matryce zimnokomorowe zawierają hartowaną stal narzędziową, taką jak H13 lub H11. Materiał ten charakteryzuje się odpowiednim stosunkiem wytrzymałości do masy i odpornością na zużycie. Dzięki temu wytrzymuje on wysokie temperatury (do 700°C) i intensywne ciśnienie wtrysku bez deformacji.

Istnieją jednak pewne wyzwania, przed którymi stoi matryca. Na przykład, kontrole cieplne spowodowane ciągłym ogrzewaniem i chłodzeniem powodują pęknięcia powierzchni. Tymczasem erozja stopów wysokotemperaturowych powoduje stopniowe zużycie.

Dlatego też należy skupić się na regularnej konserwacji, obróbce powierzchni i powlekaniu (azotowanie lub PVD). Mogą one wydłużyć żywotność matrycy i poprawić jej wydajność.

Kanały chłodzące

Inżynierowie strategicznie integrują kanały chłodzące z formą. Dzieje się tak, ponieważ kanały te regulują etap krzepnięcia i skracają czas cyklu. Umieszczenie ich w pobliżu obszarów o wysokiej temperaturze może zapewnić stałe chłodzenie. Nie powoduje to wypaczania, kurczenia się ani wewnętrznych pęknięć.

System wlewów i prowadnic

Te elementy maszyny z zimną komorą pomagają skierować podgrzany stop z tulei do wnęki matrycy.

Część wlewowa jest zwykle punktem wejścia, z którego prowadnice rozprowadzają metal. Należy je odpowiednio zaprojektować, aby wyeliminować główne wady, takie jak uwięzienie powietrza i blokowanie przepływu.

System wyrzucania

Na etapie usuwania zestalonych odlewów z matrycy bez uszkodzeń, systemy wypychania zapewniają płynne działanie. Systemy te obejmują wykorzystanie sworzni wypychaczy, natrysku smaru, siłowników hydraulicznych i skrzynek wypychaczy przypominających gorące komory.

W tym czasie część stygnie, matryca otwiera się, aktywując wyrzutnik, a kołki wyrzutnika wypychają odlaną część.

Zalety

• Może odlewać szerszy zakres stopów, takich jak aluminium, magnez i miedź.
• Szok termiczny jest mniejszy, ponieważ tuleja śrutująca i tłok nie stykają się ze stopionym metalem, co zmniejsza zużycie.
• Może tworzyć bardzo ostre, szczegółowe części o cienkich ściankach.

Wady

• Jest on wolniejszy niż proces gorącej komory i zajmuje 20-60 sekund na część.
• Wymaga więcej energii i konserwacji ze względu na wyższe temperatury i ciśnienia. To sprawia, że jest kosztowny.
• Korzystanie z ręcznej kadzi i konserwacji matrycy często zwiększa zapotrzebowanie na siłę roboczą.

Porównanie odlewania ciśnieniowego w gorącej i zimnej komorze

Studia przypadków

Producenci powszechnie wykorzystują odlewanie ciśnieniowe w gorącej komorze do produkcji klamer i zapięć ze stopu cynku. Wykorzystują tę technikę ze względu na jej zdolność do produkcji części o małych rozmiarach i produkcji masowej.

Podczas gdy zimnokomorowe matryce, odlewanie produkuje aluminiowe bloki silnika. Ta część obejmuje duże rozmiary, złożoną geometrię i potrzebę wysokiej wytrzymałości. Dlatego odlewanie zimnokomorowe jest najlepszym rozwiązaniem.

Zastosowania i branże

Motoryzacja:

Przemysł motoryzacyjny wykorzystuje gorące komory do produkcji części ze stopów cynku, takich jak elementy pasów bezpieczeństwa, części wycieraczek i obudowy samochodowych systemów audio. Imponujące właściwości cynku zapewniają im gładkie wykończenie i wysoką trwałość.

Z kolei odlewanie ciśnieniowe w zimnej komorze pomaga w produkcji aluminiowych wsporników silnika, elementów maszynowni i części oświetleniowych. Dzieje się tak, ponieważ może tworzyć dowolne trudne projekty o wysokiej wytrzymałości.

Aerospace:

Odlewanie ciśnieniowe z gorącą komorą jest rzadko stosowane w przypadku części lotniczych. Wynika to z faktu, że metal odlewniczy (cynk, magnez) ma niższą temperaturę topnienia. Nie oznacza to jednak, że proces ten nie ma zastosowania w tej branży. Wiele małych magnezowych części lotniczych, takich jak wsporniki, obudowy i złącza, jest z niego wykonanych. Zapewnia to lekkość, odporność na korozję i trwałość.

Jednak części odlewane ciśnieniowo na zimno wykonane ze stopów magnezu są stosowane w samolotach. Są to na przykład ramy foteli i elementy kabiny. Części te są lżejsze i mocniejsze.

Dobra konsumpcyjne:

Producenci wytwarzają produkty popularne w modzie i akcesoriach za pomocą odlewania ciśnieniowego w gorącej komorze. Na przykład klamry ze stopu cynku, zamki błyskawiczne i ozdobne wykończenia.

Aluminiowe obudowy elektroniczne i radiatory są szeroko stosowane w elektronice użytkowej. Są one wytwarzane w procesie zimnokomorowym.

Pojawiające się aplikacje

Pojazdy elektryczne (EV):

Odlewanie ciśnieniowe jest coraz częściej wykorzystywane do produkcji lekkich obudów akumulatorów i elementów konstrukcyjnych pojazdów elektrycznych.

Rosnące zapotrzebowanie pojazdów elektrycznych na lekkie części jest powodem szerokiego stosowania techniki odlewania ciśnieniowego. W procesie tym powstają obudowy akumulatorów i elementy konstrukcyjne, które mają mniejszą wagę niż przeciętnie i są mocniejsze.

Technologia 5G:

Odlewy aluminiowe i magnezowe stały się ważnymi komponentami infrastruktury 5G. Na przykład obudowy anten i systemy zarządzania ciepłem.

Wnioski

Odlewanie ciśnieniowe w gorącej komorze działa szybko i jest przystępną cenowo opcją. Radzi sobie z metalami o niższej temperaturze topnienia, takimi jak cynk. Z drugiej strony, odlewanie ciśnieniowe w zimnej komorze zużywa więcej energii, ponieważ topi stop oddzielnie. Proces ten jest jednak skuteczny w przypadku twardych materiałów o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak aluminium, miedź itp. Przy wyborze należy zwrócić uwagę na przydatność metalu, złożoność projektu i wielkość produkcji. W ten sposób uzyskasz pożądane rezultaty.