Литье под давлением позволяет получать большие объемы продукции сложной формы, но отличается более низкой точностью. Обработка с ЧПУ - это точное и универсальное решение для прототипов и небольших объемов производства. При литье под давлением используется расплавленный металл в формах, в то время как ЧПУ вычитает материал из цельных блоков. Выбирайте литье под давлением для массового производства, а ЧПУ - для точности и гибкости.
Сравнив обе процедуры и их основные параметры, вы сможете найти лучший вариант. Поэтому в этой статье мы подробно рассказываем о сравнении литья под давлением и обработки с ЧПУ.
Литье под давлением: Обзор и преимущества
Производители плавят выбранные металлы в соответствии с их температурой плавления. Например, цинк плавится при 385°C, а алюминий - при 660°C. Затем происходит следующий этап - литье под давлением.
При этом методе расплавленный металл подается в постоянную форму под давлением 10-175 МПа. Подача металла осуществляется по прогонам, а стояки собирают остатки.
Застывание расплавленного металла занимает 5-30 секунд и позволяет выбрасывать его при температуре 200-300°C. Вы должны знать, что каждый цикл завершается за 15 - 60 секунд.
Благодаря своей способности к быстрому производству вы можете изготавливать большие партии продукции литьем под давлением в 10-100 раз быстрее, чем обработкой с ЧПУ.
Области применения литья под давлением
Литье под давлением помогает в производстве сложных деталей. Например, с его помощью можно изготовить блоки двигателей из алюминия со стенками толщиной 1,5 мм. Кроме того, этот метод обеспечивает долговечность и термостойкость.
Электронные детали отливают из цинка, чтобы сделать их тонкостенные корпуса намного легче. Кроме того, в аэрокосмической отрасли магний используется для снижения веса 30% и повышения эффективности использования топлива.
Процессы литья под давлением
1. Литье под высоким давлением (HPDC):
Как правило, HPDC работает под давлением 10-175 МПа. Он впрыскивает металл со скоростью 10-50 м/с. Этот процесс отлично подходит для производства заявленных алюминиевых деталей для электроники или автомобилей. Он может добавлять тонкие стенки (1,5-5 мм).
2. Литье под низким давлением (LPDC):
Производители используют давление 0,3-1,5 МПа при работе с LPDC. При этом процесс заполнения формы происходит очень медленно, чтобы избежать дефектов. Он лучше подходит для деталей большой глубины около 5-15 мм (ступицы колес). Они также обеспечивают определенную прочность и долговечность.
3. Гравитационное литье:
Метод использует силу тяжести для заполнения формы, которая предварительно нагревается до 150-300°C. С его помощью можно изготавливать очень простые алюминиевые детали с тонкими поверхностями по доступным ценам.
Типы сплавов и их свойства
| Сплав | Температура плавления | Прочность на разрыв | Теплопроводность | Стоимость |
| Алюминий | 660°C | 220-330 МПа | 120-180 Вт/м-К | Умеренный |
| Цинк | 385°C | 280-440 МПа | 110-130 Вт/м-К | Меньше |
| Магний | 650°C | 160-240 МПа | 80-100 Вт/м-К | Дорого |
Процесс литья под давлением
Производители создают штампы, которые в 10 раз прочнее, используя сталь (марки H13), выдерживающую воздействие 50 000-1 000 000 циклов. Их стоимость может составлять 10 000-200 000 в зависимости от конструкции, сплава и других факторов. Кроме того, к их ключевым аспектам относятся:
- Усилие зажима составляет около 100-5 000 тонн (в зависимости от размера детали).
- Каждый цикл занимает 15-60 секунд (в зависимости от охлаждения детали).
- Их выталкивающая сила может составлять около 5-20% от силы зажима.
Ограничения литья под давлением
- Для проверки пористости необходим рентгеновский контроль, поскольку воздушные карманы могут образовываться на глубине до 1-2 мм.
- Для снятия деталей используйте углы тяги 1-3°.
- Максимальный размер детали может достигать 600 мм за счет стоимости штампа.
Обработка с ЧПУ: Обзор и преимущества
Обработка с ЧПУ (компьютерное числовое управление) компьютерные технологии. Эта технология с помощью компьютеров вырезает формы и превращает необработанный металл в четко очерченные детали.
При литье под давлением горячий металл подается внутрь, а на выходе получается твердая форма. И наоборот, при обработке с ЧПУ используются режущие инструменты для послойного удаления материала (металлов, пластмасс и композитов).
Тем не менее, эта процедура подходит для небольшого количества заказных деталей, прототипов и заказов низкой и средней степени сложности (1-1 000 единиц).
Процесс программирования ЧПУ
При обработке на станках с ЧПУ используется инструмент, который удерживается шпинделем. Этот инструмент разрезает сырье на рабочем столе. Приводной двигатель получает сигналы от MCU и соответствующим образом перемещает шпиндель. При этом устройство обратной связи подтверждает правильность работы.
Обработка на станках с ЧПУ
Станки с ЧПУ выполняют три общие задачи:
- Фрезерование
- Поворот
- Бурение
Фрезерование
При фрезеровании производители используют вращающиеся инструменты (500-15 000 об/мин). Они вырезают плоские и изогнутые формы. Например, используется 10-миллиметровая твердосплавная концевая фреза. Она помогает резать алюминиевые сплавы на скорости 2 000 об/мин для изготовления кронштейнов двигателя.
Поворот
Вращающийся шпиндель фиксирует заготовку в месте, где она вращается со скоростью до 3 000 об/мин.) В это время режущий или неподвижный инструмент вращается вокруг оси шпинделя и придает материалу цилиндрическую (винтовую или трубную) форму.
Бурение
В процессе сверления необходимо сделать отверстия в деталях. Обычно производители используют буровые коронки (диаметром 1-25 мм) на скорости 500-1500 об/мин. Например, они проделывают отверстия в пластиковом корпусе с помощью сверл диаметром 5 мм.
Примеры деталей, обработанных с помощью ЧПУ
Обработка с ЧПУ занимает 3 часа, чтобы изготовить прототип 100-миллиметрового алюминиевого шарнира для робота. Эта деталь может обеспечить точность до 0,02 мм.
В медицинских имплантатах производители полируют кобальт-хромовые коленные протезы до Ra 0,4 мкм. Это позволяет им двигаться плавно.
Лопатки турбин из авиационного титана выдерживают температуру 800°C. Эти детали изготавливаются на 5-осевых фрезерных станках с ЧПУ с точностью 0,01 мм.
Типы станков с ЧПУ и их возможности
3-осевые фрезерные станки с ЧПУ
Он содержит три основные оси (X, Y, Z). Он перемещается влево-вправо, вперед-назад и вверх-вниз. Несмотря на ограниченные возможности перемещения, он может работать с деталями длиной около 600 мм. 3 оси позволяют создавать 3D-формы для таких деталей, как коробки передач, с точностью ±0,05 мм.
5-осевые фрезерные станки с ЧПУ
Этот станок наклоняет и вращает инструменты. Эти инструменты могут вырезать очень сложные формы (например, лопатки турбин) за одну установку. Вы можете получить детали с точностью ±0,02 мм.
Токарные станки с ЧПУ
Этот вид станков с ЧПУ специализируется на обработке круглых деталей. Он может обрабатывать материалы шириной до 300 мм. С его помощью можно нарезать резьбу с шагом до 0,5 мм.
Инструмент для обработки на станках с ЧПУ
Производители изготавливают режущие инструменты с ЧПУ, как правило, из твердого сплава (хватает на 200-400 минут). Материалом для другого инструмента может быть быстрорежущая сталь (HSS, 100-200 минут) или керамика (для сильного нагрева).
Кроме того, вы можете увеличить срок службы этих инструментов, используя несколько видов покрытий, таких как нитрид титана (TiN). Слои покрытия делают инструмент 50% быстрее и не дают ему изнашиваться. Например, сверла с покрытием способны сделать 500 отверстий в нержавеющей стали со скоростью 0,2 мм за один оборот.
Держатели инструментов используют гидравлическое усилие (до 200 бар). Эти усилия плотно зажимают инструменты, сводя к минимуму вибрации во время резки.
Материалы для обработки на станках с ЧПУ
| Материал | Пример | Характеристики | Скорость обработки (м/мин) | Требования |
| Металлы | Алюминий (6061) | Прочность: 270 МПа | 200-300 | Стандартные режущие инструменты |
| Пластмассы | PEEK | Температура плавления: 343°C | 50-100 | Не снижайте скорость, чтобы избежать плавления |
| Композиты | Углеродное волокно | Хрупкая, склонная к истиранию | Варьируется (например, 1 500 об/мин) | Инструменты с алмазным покрытием, неглубокая резка |
Ограничения механической обработки с ЧПУ:
- Обработка с ЧПУ снимает материал медленно.
- Скорость подачи обычно составляет от 0,1 до 0,5 мм/зуб, что неэффективно при выполнении крупных заказов.
- Резка материалов на высокой скорости приводит к износу инструмента.
- Для ЧПУ может оказаться сложной задачей получение сложных геометрических форм с глубокими элементами (например, соотношение глубины и ширины >5:1).
Сравнение литья под давлением и обработки с ЧПУ
1. Сравнение свойств материалов
Как мы уже выяснили, и в технике литья под давлением, и в технике ЧПУ используются разные материалы. Это означает, что они обладают уникальными свойствами. Например, распространенным сплавом для литья под давлением является алюминий А380. Этот сплав имеет предел прочности на растяжение около 310 МПа и предел текучести до 159 МПа.
В станках с ЧПУ также используется алюминий 6061. Он обеспечивает предел прочности на разрыв 310 МПа и предел текучести 276 МПа.
2. Сравнение допусков
При литье под давлением можно получить допуски около 0,004 дюйма (0,1 мм) для небольших деталей. Однако усадка материала и эффект охлаждения увеличивают допуски с ростом размера детали.
И наоборот, обработка с ЧПУ дает очень жесткие допуски, часто менее 0,001 дюйма (0,025 мм). Это означает, что она может хорошо работать при строгом соблюдении шаблона.
Однако для получения точных результатов требуются более высокие затраты. Если вам нужно добиться допуска 0,003 дюйма (0,075 мм), это может стоить 100 единиц. В то время как допуск 0,0005 дюйма (0,012 мм) может увеличить стоимость втрое. Это связано с увеличением времени обработки, износом инструмента и мерами по контролю качества.
3. Анализ затрат
Литье под давлением включает в себя первоначальные установки и оснастку. Поэтому его стоимость составляет около $5 000-$50 000. Однако при большом заказе это снижает стоимость каждой единицы продукции ($1-$5 за деталь).
Обработка с ЧПУ не требует затрат на оснастку. Стоимость ее производства зависит от выбора материала и уровня сложности конструкции.
4. Сравнение сроков выполнения заказа
Настройка оснастки для литья под давлением занимает 4-8 недель до начала процесса. Однако, как только инструменты готовы, они могут быстро производить большие партии.
При обработке на станках с ЧПУ нет задержки на изготовление инструмента. Этот процесс позволяет изготовить прототипы за 1-3 дня. Кроме того, серийное производство занимает 5-10 дней в зависимости от сложности конструкции.
5. Сложности деталей
Литье под давлением позволяет создавать конструкции от простых до умеренно сложных. Оно поддерживает тонкие стенки и интегрированные элементы, такие как ребра. Этот процесс затруднен при выполнении глубоких разрезов, острых внутренних углов и длинных заявленных деталей.
Станки с ЧПУ могут работать с более глубокими конструкциями и сложной геометрией. Этот процесс более медленный, поэтому он увеличивает стоимость больших партий.
6. Сравнение воздействия на окружающую среду
В процессе литья образуется меньше отходов материала, но остатки не всегда 100% можно переработать. Это связано с окислением и примесями. Кроме того, изготовление формы требует значительных затрат энергии.
При обработке на станках с ЧПУ образуется больше отходов. В частности, можно повторно использовать металлическую стружку. Однако ее охлаждающий агент оказывает воздействие на окружающую среду. Это можно сократить до 50% с помощью современных систем фильтрации.
Матрица принятия решений для выбора правильного процесса
| Критерии | литье под давлением | Обработка с ЧПУ |
| Лучше всего подходит для крупного производства | ✅ Да | ❌ Нет |
| Идеально подходит для прототипов | ❌ Нет | ✅ Да |
| Предложите высокоразмерное состояние | ❌ Нет (±0,1 мм) | ✅ Да (±0,005 мм) |
| Варианты материалов | ❌ Только литые металлы | ✅ Работает с металлами, пластмассами и композитами |
| Короткое время выполнения заказа | ❌ Нет (4-8 недель на изготовление инструмента) | ✅ Да (1-3 дня для прототипов) |
Конструкторские соображения для литья под давлением и обработки с ЧПУ
Правила проектирования для литья под давлением
Для литья под давлением необходимы углы вытяжки. Эти углы делают процесс выталкивания более плавным. Угол вытяжки можно рассчитать по формулам.
В формулах учитываются константы для конкретного сплава, обычно 1°-3° на сторону. На его расчет также влияет материал и сложность детали.
Кроме того, толщина стенок также может варьироваться. Например, алюминий может использоваться 1-1,5 мм, а цинк - 0,5-1 мм. Толщина обеспечивает надлежащий поток и предотвращает появление дефектов.
Кроме того, основная задача галтелей и радиусов - снизить концентрацию напряжений и увеличить срок службы пресс-формы.
Конструкторские соображения для обработки с ЧПУ
Как правило, конструкции станков с ЧПУ не нуждаются в черновых углах. Они могут создавать острые внутренние углы и вертикальные стенки. В их конструкцию могут входить Т-образные пазы, "ласточкины хвосты" и глубокие карманы. Они имеют более высокое соотношение глубины и ширины.
Учитывайте доступ к инструменту, поскольку для глубоких полостей требуются более длинные инструменты. Это также может увеличить вибрацию и не обеспечить точных результатов. Кроме того, крепление обеспечивает стабильность во время обработки.
Использование программного обеспечения для моделирования
Вы можете использовать инструменты моделирования, чтобы еще больше улучшить характеристики конструкции. Эти инструменты позволяют сделать поток литья под давлением и траектории движения инструмента с ЧПУ максимально функциональными. Они также помогают выявить такие дефекты, как пористость при литье под давлением и дребезг при механической обработке.
Сотрудничество между дизайнерами и инженерами
Старайтесь общаться с дизайнерами заблаговременно. Подтвердите свои требования, чтобы изготовить экономически эффективные и пригодные для производства детали. Этот шаг также позволяет избежать нескольких модификаций и проблем с производством.
Заключение:
Вариант литья под давлением хорошо подходит для крупного производства. Он позволяет изготавливать детали быстрее при низкой скорости, но не обеспечивает высокой точности. Обработка с ЧПУ, напротив, использует множество материалов и обеспечивает высокую точность. Однако эта технология медленная и дорогостоящая.
Оба процесса имеют различные плюсы и минусы. Выбор полностью зависит от типа материала или продукции, которую вы производите.