Acest articol va discuta în detaliu turnarea sub presiune a aluminiului. Aflați aplicațiile cheie ale acestei tehnici, împreună cu prezentarea generală a procesului său, tipurile de aliaje, considerații de proiectare, provocări etc.

Ce este turnarea sub presiune a aluminiului?

Turnarea sub presiune a aluminiului utilizează o presiune ridicată (100-1000 bar) în timpul alimentării cu aluminiu topit în matrițe. Aceste matrițe sunt de obicei realizate din oțel și pot fi reutilizabile.

Umplerea matriței depinde de fluiditatea metalului topit. Forma lichidă optimă umple matrița instantaneu (în câteva secunde). Acest material ia forma reală a piesei în timp ce se răcește. De exemplu, blocuri de motoare auto, cadre de smartphone-uri sau componente de drone.

Acest proces de fabricație este optim pentru fabricarea rapidă și ieftină a peste 10.000 de produse identice.

Fizica procesului

Presiune ridicată (100-1000 bar):

Cu cât presiunea este mai mare, cu atât aluminiul se întinde mai uniform în interiorul matriței, umplând cele mai mici spații. Această presiune elimină apariția bulelor și menține tranziția netedă în suprafețe. De exemplu, 500 de bari pot umple matrița în doar 0,02 secunde.

Răcire rapidă (500-1000°C pe secundă):

Aluminiul se răcește de 100 de ori mai repede în HPDC decât în turnarea în nisip, luând forma unui produs real. Acesta este efectul vitezei de răcire: crearea unei microstructuri dense cu granulație cristalină fină (0,01 mm). Aceasta le conferă 20-30% mai multă rezistență decât celor realizate prin opțiuni mai lente.

Tipuri de mașini de turnare sub presiune

Mașini cu cameră fierbinte:

Mașinile cu cameră fierbinte utilizează în principal metale cu puncte de topire mai scăzute, cum ar fi zincul (420°C). Acest lucru se datorează faptului că nu pot gestiona aliaje cu puncte de topire ridicate, cum ar fi aluminiul la 660°C. Chiar dacă încă mai turnați aluminiu într-o mașină cu cameră fierbinte, acest lucru poate deteriora echipamentul.

Mașini cu cameră rece:

Mașinile cu cameră rece funcționează bine cu metale cu temperatură moderată, cum ar fi aluminiul. În acest proces, turnătorii sub presiune pregătesc forma topită a aliajului. Ei îl încarcă în piston pentru a injecta materialul în matriță sub o presiune de până la 1000 de bar. Cu toate acestea, această tehnică durează mai mult (durata ciclului: 30-60 de secunde), dar este mult mai sigură pentru materialele dure.

Adecvare pentru aliaje de aluminiu

Aliajele de aluminiu adecvate includ A380 (85% aluminiu, 8% siliciu) și A383 (84% aluminiu, 10,5% siliciu). Aceste aliaje pot suporta presiuni ridicate și evită fisurarea în timpul răcirii. De exemplu, metalul A380 umple ușor matrița, creând o grosime fină a peretelui de până la 1 mm.

Comparație între tehnicile de turnare sub presiune

Detalii cheie despre turnarea sub presiune

• Viteza de producție a unei singure mașini HPDC poate produce 100-200 pe oră.
• Configurațiile inițiale costă aproximativ 50.000-1 milion. Cu toate acestea, costul pe unitate scade cu până la $0,50 pentru comenzile mari de peste 50.000 de unități.
• Puteți face găuri de până la 1,5 mm.
• Acest proces produce piese cu pereți subțiri de până la 0,8 mm.
• Utilizarea oțelului poate crește durabilitatea acestuia la aproximativ 50.000-500.000 de cicluri.

Procesul de turnare sub presiune a aluminiului

1. Proiectarea și fabricarea sculelor

Designul matriței:

Proiectele matrițelor conțin forma aproape netă a produsului care urmează să fie fabricat. Principala sa sarcină este de a converti aluminiul topit în aceste forme. Aceasta înseamnă că perfecțiunile de proiectare (dimensiune, grosime etc.) vă permit să obțineți piese de calitate superioară.

Sisteme de grilaj

Canalele de gating sunt căile prin care aluminiul topit curge spre matriță. Acestea au de obicei o lățime de 3-8 mm. Pentru a regla viteza de curgere a metalului (1-5 m/s), se evită turbulențele și prinderea aerului.

Runner Design:

Sistemele de rulare distribuie sau împrăștie metalul uniform în interiorul matriței. Grosimea lor variază de la 5 la 15 mm. De asemenea, reduce inconsecvențele în cazul evitării formei greșite.

Ventilație:

Pe mașină sunt montate orificii mici, cu lățimea de 0,1-0,3 mm. Acestea ajută la eliminarea aerului prins pentru a reduce defectele precum porozitatea și buzunarele de aer.

Canale de răcire:

Canalele de răcire sunt ca niște tuburi. Acestea curg apă de turnare sub presiune 10-20 de litri pe minut. Sistemele lor mențin temperaturi între 200-300°C pentru a pregăti piesele pentru ejecție. Această menținere a temperaturii este importantă pentru a preveni supraîncălzirea și obținerea unor structuri uniforme.

Materiale pentru matrițe:

Materialul de oțel H13 utilizat în mod obișnuit oferă o duritate de 45-50 HRC. De asemenea, există deja proprietăți naturale de înaltă rezistență și rezistență la uzură ale acestui metal. Care există pentru a rezista la 50.000-500.000 de cicluri de turnare.

Software de simulare:

Instrumente precum AutoCAST sunt utile în procesul HPDC, prezicând din timp raționamentul de defectare a sculei. Puteți optimiza fluxul de metal și plasa mai bine canalul de gating. În acest fel, devine posibilă reducerea defectelor cu până la 30% înainte de începerea producției.

Întreținerea matrițelor:

Pentru a întreține matrița, este utilă aplicarea unui spray lubrifiant la fiecare 5 până la 10 cicluri. Acesta oprește lipirea metalului și face ca ejecția să fie lină.

2. Selectarea și pregătirea materialelor

Aliaje de aluminiu:

Cel mai important lucru nu este doar să alegeți aliaje de aluminiu. Depinde de cerințele de turnare, care influențează rezistența, fluiditatea și adecvarea la aplicație.

• A380: Acesta curge ușor și oferă rezistență ridicată. Producătorii îl utilizează în mod obișnuit în piesele auto.
• ADC12: Acest metal funcționează bine pentru carcasele electronice și piesele cu pereți subțiri (1-2 mm grosime). Curge ușor și reduce defectele. De asemenea, poate produce piese de o precizie profundă.

Calitatea topiturii:

Logic vorbind, menținerea purității aluminiului oferă piese fără defecte și rezistente. Acesta este motivul pentru care se lucrează la cuptoarele de menținere. Acestea mențin aluminiul topit la 660-700°C, împiedicând solidificarea. În plus, hidrogenul prins care degazare îndepărtează folosind azot gazos reduce de fapt porozitatea cu 90% și previne golurile interne.

3. Topirea și turnarea

• Melterul este un cuptor alimentat cu gaz. Producătorul îl utilizează pentru a topi granule solide de aluminiu la temperaturi de 700-750°C. Acesta asigură o stare topită consistentă.
• Cuptorul de retenție stochează aluminiul topit. Acesta îl păstrează în lichiditate la temperaturi controlate până când ciclul de producție este finalizat.
• Piulițele și manșoanele de injecție ale procesului forțează pur și simplu metalul în cavitatea matriței la 4-10 m/s sub presiune ridicată. Sarcina lor este să umple complet matrița și să realizeze o compactare corespunzătoare.
• Mașinile de turnare sub presiune automatizează sistemele mecanice de injecție. Acestea asigură rezultate foarte detaliate și repetabilitate în piesele turnate.
• Mașinile cu cameră rece utilizează un piston. Acesta injectează metalul și finalizează ciclurile în 30-60 de secunde pentru o eficiență ridicată.

4. Injectare și solidificare

Prima etapă: Materialul topit umple 80-90% din cavitatea matriței. Este nevoie de 0,01-0,1 secunde pentru injectare. Asigurați-vă că materialul umple uniform golurile și ajunge în fiecare colț al matriței.

Etapa a doua: Producătorul aplică presiune ridicată (200-400 bar). Aceasta elimină golurile de aer și conferă calitate densă și integritate structurală.

Răcirea: Apa de turnare sub presiune sau aerul de răcire răcește rapid metalul injectat la 500-1000°C pe secundă. În acest timp, acestea capătă eficient o microstructură puternică cu granulații fine (0,01-0,05 mm).

5. Ejectare și post-procesare

Odată ce piesa se solidifică, pinii de ejecție ajută la scoaterea piesei turnate din matriță în siguranță. Acesta exercită o forță de 5-20 de tone.

Între timp, rezervorul de călire utilizează apă pentru a răci rapid piesele turnate timp de 10-30 de secunde. Acest proces suplimentar evită deformarea și crește atributele materialului.

În plus, mașinile de tăiat utilizează 20-50 de tone de forță pentru a tăia reziduurile metalice (porți, scântei). Acestea vă ajută să realizați piese de calitate superioară.

Departamentul de finisare:

Producătorii folosesc tehnica de debavurare pentru a îndepărta marginile ascuțite. Aceste procese oferă suprafețe netede, atingând o valoare a rugozității Ra de 1,6-3,2 µm.

Găurile și caracteristicile precise pe care le realizează prelucrarea creează toleranțe strânse (±0,05 mm). Ca urmare, produsul îndeplinește în cele din urmă specificațiile speciale.

7. Gestionarea deșeurilor

Turnătorii de matrițe au topit sau reutilizat 5-10% de deșeuri de aluminiu. Deoarece reciclarea deșeurilor reduce costurile metalelor brute.

Deșeurile care provin din lubrifianți și reziduuri metalice pot fi tratate în sistemul de tratare a apelor reziduale. Această tratare a nămolului și uleiului îndepărtează 95% de contaminanți înainte de eliminare.

În plus, producătorii folosesc epuratoare de gaze de eșapament. Sarcina acestora este de a gestiona emisiile prin filtrarea gazelor nocive. Aceste instrumente ajută la obținerea unei rate de succes 99% în reducerea poluării aerului.

Resursele durabile precum turnurile de răcire recirculă 80% din apa utilizată. Aceste tehnici minimizează, de asemenea, impactul asupra mediului.

Aplicații și industrii

Automobile

S-a descoperit că peste 200 kg per vehicul din mașinile produse în Europa utilizează în mod obișnuit conținut de aluminiu. Pe lângă aceasta, sectoarele auto produc diverse piese ușoare și rezistente cu ajutorul procesului HPDC. De exemplu, blocuri motor, carcase ale motoarelor ștergătoarelor, controlere AC/DC, carcase ale bateriilor etc.

Industria aerospațială

Piesele aerospațiale produse cu aluminiu turnat sub presiune ar fi mai puternice și mai ușoare în greutate. De exemplu, suporturile aeronavelor și sateliții au o rezistență la tracțiune de până la 300 MPa. Ca urmare, piesa funcționează bine și consumă mai puțin combustibil.

Bunuri de larg consum

Procesul de turnare sub presiune este util în realizarea pieselor cu pereți subțiri. Acest lucru este valabil mai ales pentru categoriile de bunuri de consum. De exemplu, se pot realiza carcase electronice pentru laptopuri și telefoane cu pereți subțiri de 1 mm. Producătorii produc peste 50 de mii (pe an) de unități de mașini de spălat prin această tehnică.

Echipamente industriale

Pentru componentele care pot rezista la presiuni mai mari (până la 100 bar), alegerea pieselor turnate sub presiune, cum ar fi carcasele pompelor și supapele, este valoroasă. Aceste piese au substanțe etanșe și rugozități de finisare care fluctuează în jurul Ra 1,6 și 3,2 µm.

Avantajele turnării sub presiune a aluminiului

• Acest proces poate turna piese cu o toleranță strânsă de ± 0,1 mm (de 5 ori mai bună decât turnarea în nisip).
• Oferă o potrivire perfectă.
• Piesele au suprafețe netede (Ra 1,6 µm)
• Reducerea post-procesării.
• Aliajele de aluminiu sunt 100% reciclabile.
• Acest proces utilizează 40-50% mai puțină energie decât turnarea cu nisip.
• Reduce amprenta de carbon.
• Piesele turnate sunt puternice la jumătate din greutatea oțelului.
• Producția în masă reduce costul per piesă.

Provocări și limitări

Dimensiunea și complexitatea pieselor:

Există o limitare a dimensiunii maxime, deoarece poate produce aproximativ 600 x 600 mm (aproximativ dimensiunile unei uși de mașină).

Pereții subțiri sub 0,8-1,5 mm vor cauza o umplere incompletă. Această necesitate depășește vitezele de injecție de până la 4 m/s. În plus, poate fi dificil să se reproducă caracteristici complicate sub 0,5 mm.

Limitele materialului:

Acest proces este potrivit numai pentru aliaje speciale precum A380. Acest lucru se datorează fluidității sale bune și caracteristicilor de turnare.

Defecte comune

Prinderea aerului cauzează porozitate gazoasă, iar atunci când aceste gaze se dilată, se transformă în defecte cum ar fi bășicarea. Acest lucru se întâmplă în mod obișnuit la piesele mai groase (sub 10 mm) și poate fi controlat prin degazare.

În mod similar, porozitatea de contracție și fisurile apar atunci când rata de răcire este neuniformă și scade sub 500°C/s. Pentru a evita acest lucru, presiunea de 200-400 bar poate menține densitatea și integritatea în timpul solidificării.

Testare și control:

Trebuie doar să vă preziceți performanța proiectului și să fiți cu câțiva pași înainte prin încercări nedistructive. Un sistem de inspecție cu raze X utilizează un cap tubular. Acesta este punctul în care spotul focal emite raze asupra piesei turnate. Prezența unui gol modifică penetrarea razelor X. Aceasta produce o imagine unică pentru a simplifica analiza.

De asemenea, testarea cu ultrasunete ajută la localizarea fisurilor interne în 2-5 secunde per piesă. Senzorii lor monitorizează viteza de injecție (±0,1 m/s) și presiunea (±10 bar). Prin urmare, acest lucru oferă garanția unei calități constante.

Concluzie:

Aluminiu turnare sub presiune este un proces fiabil. Majoritatea sectoarelor, inclusiv cel auto, aerospațial și electronic, îl utilizează datorită accesibilității sale și a conductivității ridicate pentru comenzi mari.

Aceasta este opțiunea care funcționează pentru a obține forme precise și finisaje netede, folosind în același timp mai puțină energie. Deși nu este asta, există provocări precum limitele de dimensiune și defectele ocazionale. Pentru aceasta, utilizarea testelor și controalelor moderne menține producția constantă.