Литье и штамповка: исчерпывающее руководство 

Литье и литье под давлением - два важных производственных процесса, которые необходимы для изготовления металлических деталей с требуемой точностью, долговечностью и эффективностью. Литье подразумевает заливку расплавленного материала в форму, его охлаждение и застывание. Литье в песчаные формы, литье по выплавляемым моделям и литье в постоянные формы - вот некоторые виды литья. Однако литье под давлением - это особый вид литья, при котором используется высокое давление для впрыска расплавленного металла в полость формы с высокой точностью и хорошей отделкой поверхности. В автомобильной, аэрокосмической, электронной и смежных отраслях промышленности, где требуются легкие, прочные, устойчивые к коррозии детали, широко используется литье под давлением. С течением времени были разработаны различные варианты литья под давлением для удовлетворения различных потребностей отраслей промышленности. Гравитационное литье под давлением (GDC) зависит от силы тяжести для заполнения формы, а литье под низким давлением (LPDC) устраняет турбулентность для достижения более высокого качества целостности материала. Экстремальное давление, применяемое при литье под давлением, создает высокопрочные детали без пористости, а при вакуумном литье удаляется воздух, чтобы получить бездефектный компонент. Кроме того, полутвердое литье под давлением (Rheocasting) достигается за счет использования частично затвердевшего металла для улучшения механических свойств и точности. Общий термин "литье" в производстве используется для обозначения формы металла путем заливки его в форму и застывания. Этот метод обычно используется в литье в песчаные формы, литье по выплавляемым моделям и литье в постоянные формы. Формой в литье под давлением называется металлическая форма, используемая в процессе литья под высоким давлением, а формой в процессе литья под давлением - металлическая форма, прикрепленная к поверхности формы. Обычно изготавливаются штампы из закаленной стали, предназначенные для массового производства.

В этой статье мы рассмотрим понятия "литье" и "литье под давлением", различия между этими двумя понятиями, а также типы каждого из них, возможные области применения, а также плюсы и минусы, связанные с этим процессом.

1. Что такое кастинг?

Литье - это промышленный процесс, при котором жидкий материал заливается в форму, где он застывает. В качестве жидкости может выступать любой металл, пластик или другой расплавляемый материал. После застывания материал принимает форму, соответствующую полости формы. За последние несколько тысяч лет с помощью этой техники были созданы инструменты, оружие и замысловатые скульптуры.

Процесс литья

Несколько из этих этапов играют существенную роль в характере процесса литья металлических или пластмассовых деталей.

• 1. Модель конечного продукта изготавливается из дерева, пластика или металла. На основе этой модели определяется форма и размеры полости пресс-формы.
• 2. При подготовке формы полость формы проектируется в соответствии с образцом. Метод литья определяет, будет ли она изготовлена из песка, металла или керамики. Вентиляционные и литниковые системы, обеспечивающие беспрепятственное поступление расплавленного материала, должным образом предусмотрены.
• 3. Это плавление исходного материала, обычно металла или пластика, при высокой температуре в печи. Температура зависит от типа используемого материала.
• 4. Расплавленный материал аккуратно заливается в полость формы в нужном количестве, что позволяет избежать дефектов, так как заливка происходит равномерно. При этом может использоваться ручная заливка или автоматизированные системы заливки.
• 5. Затвердевание - материал охлаждается и затвердевает внутри формы, формируя форму полости. Известно, что именно скорость охлаждения влияет на конечные свойства литого изделия.
• 6. После затвердевания отливку извлекают из формы, обрезают излишки материала, такие как литники, бегунки или вспышки, а затем сборку подвергают удалению и отделке. Впоследствии они могут быть подвергнуты дополнительным процессам отделки, таким как шлифовка, полировка или термообработка, чтобы улучшить внешний вид и механические свойства конечного продукта.

Благодаря такому структурированному подходу отливки получаются более надежными и качественными.

2. Что такое литье под давлением? 

Dies означает "формы", отсюда и название процесса литья под давлением, в ходе которого расплавленный металл под высоким давлением заполняет полость формы. Этот способ лучше всего подходит для изготовления больших объемов, сложных и точных по размерам деталей.

Процесс литья под давлением

Литье под давлением - это производственный процесс, в котором металлические детали формируются в форме полости штампа под высоким давлением, при этом требуется высокая точность и аккуратность размеров и обработки поверхности. Для этого необходимо выполнить следующие действия:

• 1. Впрыск расплавленного металла - высокое давление от 1 500 до 25 000 фунтов на квадратный дюйм применяется для впрыска расплавленного металла (например, алюминия, цинка или магния) в стальную форму (матрицу), которая расплавляет выбранный металл в печи. В результате все детали формы заполняются расплавленным металлом.
• 2. Форма или штамп - расплавленный металл охлаждается и застывает в штампе, в результате чего получается прочная и точная деталь. Механические свойства конечного продукта зависят от скорости охлаждения.
• 3. Выталкивание и обрезка - После затвердевания литая деталь выталкивается из формы выталкивающими штифтами. Избыточный материал, включая вспышки, бегунки и литники, обрезается до нужной формы.
• 4. Отделка поверхности - в зависимости от применения, отливка может нуждаться в дальнейшей отделке Шлифовка, полировка, покраска, анодирование или порошковое покрытие для улучшения внешнего вида, долговечности и коррозионной стойкости.

В результате этого процесса получаются высокопрочные, невесомые, сложные детали с минимальной последующей обработкой. Наиболее распространенные материалы, используемые для литья под давлением, включают цветные металлы, такие как алюминий, цинк и магний.

Виды процессов литья 

Существуют различные виды литья в зависимости от используемого метода

1 Литье в песок

• Это один из самых универсальных и экономичных методов литья с использованием песчаных форм.
• Распространен в автомобильной, аэрокосмической и художественной промышленности.

2 Инвестиционное литье

• Этот метод, также известный как литье с потерей воска, позволяет создавать высокодетализированные и сложные детали.
• Используется в ювелирных изделиях, медицинских имплантатах и аэрокосмических компонентах.

3 Центробежное литье

• При этом форма вращается, чтобы расплавленный металл полностью вошел в нее.
• Обычно используется для изготовления труб, цилиндров и колец.

4 Литье в постоянные формы

• Сокращает количество отходов и уменьшает использование форм благодаря повторному применению.
• Он идеально подходит для многократного производства высококачественных металлических деталей.

Виды литья под давлением

Существует два основных способа литья под давлением:

1. Горячее камерное литье под давлением

• Используется для металлов с низкой температурой плавления, таких как цинк и магний.
• Ускоренный процесс с высокой производительностью.

2. Холодное камерное литье под давлением

• Он используется для металлов с высокой температурой плавления, таких как алюминий и латунь.
• Замедляет этапы плавления и впрыска, а также подходит для изготовления прочных деталей.

5. Различия между литьем и штамповкой

Области применения литья и штамповки 

Литье и литье под давлением играют огромную роль в различных отраслях промышленности и являются экономически эффективными, поскольку способствуют изготовлению сложных металлических деталей с высокой точностью.

• В автомобильной промышленности производятся блоки двигателей, корпуса коробок передач, ступицы колес, детали тормозов и подвески. Что касается легких алюминиевых деталей, то для этих целей особенно предпочтительно литье под давлением, поскольку оно отвечает более высоким требованиям к топливной эффективности.
• Аэрокосмическая промышленность: Аэрокосмические компоненты, такие как лопатки турбин, структурные элементы планера, корпуса и детали шасси, отливаются для обеспечения долговечности и прочности при небольшом весе.
• В электронике литье и штамповка играют важную роль, поскольку корпуса и компоненты литья под давлением, такие как радиаторы, разъемы и экранирующие устройства, необходимы для отвода тепла и обеспечения безопасности хрупких электронных схем.
• Строительство - Трубы, фитинги, кронштейны, клапаны и перила для строительства зданий, мостов и т.д., обеспечивающие стабильность и долговечность конструкции.
• Медицинское оборудование - прецизионные литые компоненты находят широкое применение в медицинской сфере для изготовления хирургических инструментов, корпусов оборудования для визуализации, ортопедических имплантатов и т.д.
• Промышленное оборудование - Литье необходимо для обеспечения прочности и износостойкости редукторов, насосов и других деталей тяжелых машин, работающих в суровых условиях. 

Применение литья и штамповки широко распространено, поэтому они являются незаменимыми компонентами современной обрабатывающей промышленности.

Разновидности литья под давлением

Одним из самых популярных производственных процессов является литье под давлением, при котором расплавленный металл попадает в форму для изготовления деталей со сложными и заданными характеристиками. С течением времени были разработаны различные варианты литья под давлением для соответствия материалам, требованиям производства и стандартам качества. Каждый метод имеет свои преимущества и в большей или меньшей степени подходит для различных видов применения. Ниже перечислены основные варианты литья под давлением с соответствующими процессами и преимуществами.

Гравитационное литье под давлением (GDC) 

Обзор

Гравитационное литье под давлением (GDC) заключается в заливке расплавленного металла в форму без использования высокого давления. Скорее, гравитация помогает направить металл в полость и организовать его как бы самостоятельно. Этот процесс предпочтителен для сплавов с низкой температурой плавления и обычно используется, когда требуется более контролируемый процесс затвердевания.

Основные характеристики

• Он более эффективен, чем литье в песчаные формы, так как в нем используются многоразовые формы.
• Медленнее, чем литье под давлением, но деталь получается более прочной за счет более плотного фасона.
• Ограничивается определенными сплавами, такими как алюминий и магний.

Общие приложения

• Автомобильные компоненты (головки цилиндров, детали двигателей).
• Трубная арматура и корпуса клапанов.
• Промышленное оборудование и детали конструкций.

Литье под низким давлением (LPDC)

Обзор

Литье под низким давлением (LPDC) - это когда расплавленный металл подается в форму под низким давлением порядка 0,1-1 МПа. При таком контролируемом заполнении турбулентность сводится к минимуму, а поток становится более плавным, что сводит к минимуму такие дефекты, как воздушные карманы и включения.

Основные характеристики

• Улучшенная целостность материала благодаря снижению турбулентности.
• Этот вариант подходит для больших, сложных деталей, требующих высокой структурной прочности.
• В случае массового производства - это надежность (неизменное качество).

Общие приложения

• Алюминиевые диски для автомобилей.
• Конструктивные детали самолетов.
• Жаропрочные компоненты в промышленном оборудовании.

Литье под давлением

Обзор

В процессе литья по технологии Squeezedie на расплавленный металл внутри полости формы оказывается высокое давление. Поскольку прилагаемое усилие превышает 20 000 фунтов на квадратный дюйм (psi), металл заполняет даже самые мелкие детали формы и устраняет пористость.

Основные характеристики

• Создает чрезвычайно плотные и прочные детали.
• Уменьшает пористость и обеспечивает лучшие механические свойства.
• Применяется в высокопрочных областях, где важна долговечность.

Общие приложения

• Компоненты подвески для автомобилей.
• Высокопроизводительные аэрокосмические детали.
• Сверхмощные промышленные инструменты и оборудование.

Вакуумное литье под давлением

Обзор

Вакуумное литье под давлением использует свою конструкцию для удаления воздуха и газов из полости формы до и во время процесса литья. Этот метод реализуется путем создания вакуума и позволяет значительно уменьшить пористость, которая является распространенным дефектом при стандартном литье под давлением. В результате получается более точная, прочная и бездефектная отливка.

Основные характеристики

• Улучшает механические свойства конечного продукта.
• Он минимизирует захват воздуха, что делает его пригодным для обработки тонкостенных и высокоточных деталей.
• Улучшает общее качество отливки, уменьшая необходимость в постобработке.

Общие приложения

• Сварка конструктивных деталей автомобилей для обеспечения их легкой прочности.
• Компоненты медицинского оборудования с высокой точностью.
• Целостность аэрокосмических деталей.

Литье в полутвердые формы (реокастинг)

Обзор

Реокастинг или полутвердое литье под давлением использует частично затвердевший, а не полностью жидкий металл. Благодаря этому металл находится в полужидком или суспензионном состоянии, что позволяет ему плавно поступать в форму и снижает турбулентность и пористость.

Основные характеристики

• Изготавливает детали с превосходными механическими свойствами.
• Уменьшает усадочные дефекты и пористость.
• Идеально подходит для сложных, высокоточных деталей.

Общие приложения

• Любые автомобильные детали, требующие высокой прочности и легкости.
• Электронные корпуса с мелкими деталями.
• Для промышленного оборудования с компонентами, которые должны быть износостойкими.

Распространенные металлы, используемые в литье под давлением

Производственный процесс, при котором расплавленный металл впрыскивается в форму под высоким давлением, - это литье под давлением. Металл, выбранный для этого процесса, также играет важную роль в прочности, долговечности и применении конечного продукта. Для такого литья могут использоваться различные металлы, но чаще всего применяются цветные металлы (или металлы, не содержащие железа), поскольку они имеют более низкую температуру плавления и лучше поддаются литью.

Ниже приведены наиболее часто используемые металлы для литья под давлением с указанием их свойств и областей применения.

1. Алюминий 

Среди металлов, используемых в литье под давлением, Однако наиболее широко используется алюминий, обладающий идеальным сочетанием высокой прочности, малого веса и коррозионной стойкости. Обладая относительно низкой плотностью, он является хорошим кандидатом для использования в отраслях, где требуются компоненты с низкой плотностью и высокой прочностью.

Преимущества алюминия при литье под давлением

• Легкий и прочный, он используется в автомобильной и аэрокосмической промышленности для снижения веса.
• Коррозионная стойкость - подходит для наружного и морского применения.
• Хорошая тепло- и электропроводность - используется в электронных корпусах и радиаторах.

Распространенные области применения алюминиевых отливок

• Блоки двигателей, корпуса коробок передач, колеса и т.д. (автомобильные запчасти).
• Аэрокосмические компоненты (рамы самолетов, кронштейны).
• Потребительская электроника (корпуса смартфонов, корпуса ноутбуков).

Из-за высокой температуры плавления алюминий обычно отливается методом холодного литья под давлением.

2. Цинк

Другим популярным металлом для литья под давлением является цинк, который известен своей высокой точностью, прочностью и простотой литья. Однако температура плавления цинка ниже, чем у алюминия, что делает его хорошо подходящим для горячего камерного литья под давлением и позволяет ускорить производственные циклы.

Преимущества использования цинка в литье под давлением

• Высокая прочность и долговечность - идеально подходит для механических компонентов.
• Низкая температура плавления - позволяет ускорить производство и продлить срок службы формы.
• Хорошая обработка поверхности - снижает необходимость в тщательной постобработке.

Общие области применения цинкового литья под давлением

• Мелкие механические детали (шестеренки, крепежи, петли).
• Электрические и электронные разъемы.
• В комплект входят такие дополнительные компоненты, как автомобильные запчасти (кронштейны, ручки, дверные замки).

Кроме того, цинк дешевле алюминия, а значит, именно ему отдается предпочтение при производстве небольших деталей.

3. Магний

В качестве конструкционного металла для литья под давлением магний является самым легким из используемых металлов и обеспечивает исключительное соотношение прочности и веса. Он весит на 30% меньше по сравнению с алюминием, что делает его хорошим вариантом для приложений, требующих снижения веса.

Преимущества использования магния в литье под давлением

• Чрезвычайно легкий - идеально подходит для аэрокосмической и автомобильной промышленности.
• Хорошая прочность и ударопрочность - выдерживает механические нагрузки.
• Он очень легко поддается обработке (механической обработке) по сравнению с другими металлами.

Распространенные области применения магниевых отливок

• Используется в автомобильной промышленности (рулевые колеса, каркасы приборных панелей).
• Аэрокосмическая промышленность (беспилотники и детали для самолетов).
• Бытовая электроника (ноутбуки и корпуса фотоаппаратов).

Хотя порошкообразная форма магния довольно легко воспламеняется, литые детали достаточно устойчивы и безопасны для промышленного использования.

4. Медь и медные сплавы (латунь и бронза) 

Она обладает высокой тепло- и электропроводностью, поэтому медь и ее сплавы (латунь, бронза) используются в электротехнике и сантехнике. Хотя они дороже и тяжелее цинка и алюминия, они обладают большей коррозионной стойкостью и износостойкостью.

Преимущества меди и ее сплавов при литье под давлением

• Отличная электропроводность - используется в электронных и электрических компонентах.
• Он устойчив к коррозии и хорошо подходит для использования в водопроводных и морских системах.
• Превосходная износостойкость - обеспечивает более длительный срок службы деталей.

Общие области применения литья под давлением из меди и медных сплавов

• Электрические разъемы и клеммы.
• Сантехническая арматура и клапаны.
• Компоненты промышленного оборудования.

Несмотря на то, что медь обычно используется не так часто, как алюминий или цинк при литье под давлением, она все же имеет решающее значение для таких специализированных применений, где требуется высокая прочность и электропроводность.

5. Также свинец и олово (не слишком распространены сегодня)

Для специализированных применений когда-то широко использовалось литье под давлением свинца и олова, поскольку они имеют низкую температуру плавления и отличную коррозионную стойкость. Тем не менее в последние годы их использование резко сократилось по причинам, связанным с охраной здоровья и окружающей среды.

Преимущества свинца и олова при литье под давлением (исторически)

• Хорошая коррозионная стойкость - используется в сантехнике и компонентах батарей.
• Мягкие и податливые - подходят для применения в условиях низких нагрузок.
• Они обладают высокой плотностью, поэтому их используют для защиты от радиации и звукоизоляции.

Общие области применения литья под давлением из свинца и олова (теперь ограниченно)

• Клеммы аккумулятора.
• Подшипники и детали для мягкой пайки.
• Экранирующие компоненты в радиационной защите.

Поскольку экологические нормы продолжают расти, производителям приходится искать более безопасные материалы, такие как алюминий, цинк и магний. 

Преимущества и недостатки

Преимущества литья

• Низкая цена производства - Литье является экономически эффективным методом производства, особенно при небольших партиях, так как требуется небольшое количество оснастки (инструмент и штамп) по сравнению с другими производственными процессами.
• Можно создавать большие или сложные формы - Литье позволяет создавать формы, с которыми трудно справиться на токарном станке или с помощью механической обработки, или слишком большие для них.
• Отливки из самых разных материалов - железа, стали, алюминиевой бронзы и т.д.
• Эффективное использование материала - при литье не происходит отходов материала, поскольку расплавленный металл заливается непосредственно в формы, и при этом не теряется много лишнего материала.
• Возможность массового производства - после создания формы можно относительно легко производить множество одинаковых деталей.

Недостатки литья

• Менее точные, чем литье под давлением. Традиционные методы литья обычно приводят к дефектам поверхности и отклонениям в размерах, которые приходится обрабатывать.
• Более длительное время охлаждения, а также процесс охлаждения и затвердевания могут повлиять на общую эффективность производства.
• Требуется больше отделочных работ - литые детали имеют шероховатую поверхность или излишки материала (вспышки), которые необходимо удалить с помощью механической обработки, такой как шлифовка и полировка.
• Проблемы с пористостью - это может быть проблема воздушных карманов или пустот, которые образуются в процессе литья и создают слабость в структурной целостности.
• Деградация пресс-форм - использование многоразовых пресс-форм со временем приводит к их деградации и увеличению толщины стенок деталей, что влечет за собой производственные дефекты и увеличение затрат на обслуживание.

Преимущества литья под давлением

• Литье под давлением обеспечивает как высокоскоростное производство, подходящее как для крупносерийного, так и для мелкосерийного.
• Создание прочных деталей с точными размерами - Благодаря процессу впрыска под высоким давлением детали получаются стабильными, с жесткими допусками и хорошим качеством, что сводит к минимуму дальнейшие корректировки.
• Не требует значительной последующей обработки - литые детали обычно имеют гладкие поверхности и чистые детали, которые не требуют вторичной обработки.
• Литье под давлением обладает превосходной повторяемостью, обеспечивая однородность продукции в многочисленных производственных циклах, что является причиной того, что этот метод является предпочтительным для массового производства.
• Хорошая обработка поверхности - не требует финишной обработки, что делает его очень подходящим для изготовления изделий, в которых важна эстетика.

Недостатки литья под давлением

• Более высокая первоначальная стоимость (штампы дорогие) - проектирование и изготовление форм для литья под давлением может быть дорогостоящим и, следовательно, неэкономичным, если производство небольшое по масштабу.
•  Не подходит для черных металлов - литье под давлением застывает на алюминии, цинке и магнии, что ограничивает диапазон возможных материалов.
• Не подходит для крупных или толстых деталей - тонкостенные детали лучше подходят для литья под давлением, чем массивные или толстостенные. Литье под давлением предполагает быстрый процесс охлаждения.
• Пористость - возможно, что в процессе литья под давлением в изделие может попасть воздух, что приведет к пористости, которая сделает конечный продукт непрочным.
• Меньшая гибкость при внесении изменений в конструкцию - После изготовления формы внесение изменений в конструкцию отливки будет дорогостоящим и длительным по сравнению с другими методами литья.

8. Будущее литья и литья под давлением 

Литье и штамповка перспективны для будущего (по крайней мере, в ближайшее время) благодаря автоматизации и 3D-печати. Некоторые ключевые тенденции включают:

• Экологически чистые материалы - экологичные и пригодные для вторичной переработки сплавы.
• Умное производство - автоматизация на основе искусственного интеллекта для повышения эффективности.
• Интеграция аддитивного производства в виде гибридных процессов литья и 3D-печати.

В современной промышленности эти инновации повышают производительность, сокращают количество отходов и снижают затраты на производство, делая производственные процессы еще более незаменимыми.

Заключение

В различных отраслях промышленности процесс производства высококачественных металлических компонентов остается одним из основных. Варианты литья под давлением имеют множество разновидностей, каждая из которых обеспечивает различные преимущества для конкретных областей применения. Прочные и плотные детали получаются при гравитационном литье под давлением; детали с минимальными дефектами - при литье под низким давлением. Литье под давлением обладает замечательной прочностью и долговечностью, в то время как вакуумное литье экономит на пористости. Однако полутвердое литье под давлением имеет преимущества в механических свойствах и точности для высокопроизводительных применений. Выбор метода литья под давлением зависит от выбора материалов, сложности детали, объема детали и типа желаемых механических свойств. Процесс продолжает совершенствоваться с учетом новых разработок в области автоматизации, разработки сплавов и точного машиностроения, что делает его использование все более эффективным, менее затратным и экологически безопасным.

В связи с потребностью промышленности в более легких, прочных и жестких компонентах технология будет постоянно развиваться. Однако производители могут предотвратить плохое качество продукции, отходы и неэффективность производства, выбрав подходящий метод литья под давлением. Чтобы выбрать наилучший вариант производства, необходимо разобраться в этих разновидностях литья под давлением и добиться наивысшего качества, надежности и эффективности производства.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как функционирует литье под давлением и в какой форме оно применяется?

Литье металла по технологии, известной как литье под давлением, - это процесс, при котором расплавленный металл впрыскивается в форму под высоким давлением. Это позволяет производителям изготавливать сложные, высокоточные металлические детали с превосходной отделкой поверхности и минимальной механической обработкой.

2. Сколько видов литья под давлением?

Основными видами литья под давлением являются гравитационное литье под давлением (GDC), литье под низким давлением (LPDC), литье под давлением, вакуумное литье под давлением и полутвердое литье под давлением. Различные преимущества и недостатки каждого метода зависят от материала и области применения.

3. Какие металлы обычно используются в процессе литья под давлением?

Алюминий, цинк, магний, медь и их сплавы - наиболее часто используемые металлы в литье под давлением. Металл выбирают по весу, прочности, коррозионной стойкости и теплопроводности.

4. Почему литье под давлением так выгодно?

Высокая эффективность производства, отличная точность размеров, минимальные отходы материала, гладкая поверхность и возможность изготовления сложных форм с минимальной последующей обработкой.