Støping - Die casting

En motorblokk med støpte aluminium og magnesium

Støping er en metallstøpeprosess som er preget av å tvinge smeltet metall under høyt trykk inn i et formhulrom . Den formhulrom dannes ved hjelp av to herdet verktøystål dør som har blitt maskinert i form og arbeide på samme måte som en sprøytestøpeform under prosessen. De fleste dø støpte er laget av ikke-jernholdige metaller , spesielt sink , kobber , aluminium , magnesium , bly , tinn og tinn -baserte legeringer. Avhengig av typen metall som støpes, brukes en maskin med varmt eller kaldt kammer.

Støpeutstyret og metallmatrisene representerer store kapitalkostnader, og dette har en tendens til å begrense prosessen til høyvolumsproduksjon. Produksjon av deler ved hjelp av formstøping er relativt enkel, og involverer bare fire hovedtrinn, noe som holder inkrementskostnaden per vare lav. Den er spesielt egnet for en stor mengde små til mellomstore støpegods, og derfor produserer presstøpet flere avstøpninger enn noen annen støpeprosess. Støbegods er preget av en meget god overflatebehandling (av støpestandarder) og dimensjonal konsistens.

Historie

Støpeutstyr ble oppfunnet i 1838 med det formål å produsere flyttbar type for trykkeribransjen . Det første støperelaterte patentet ble gitt i 1849 for en liten håndbetjent maskin for mekanisert produksjon av utskriftstype. I 1885 oppfant Otto Mergenthaler Linotype -maskinen , som støpte en hel type linje som en enhet, ved hjelp av en støpeprosess . Den erstattet nesten helt innstillingstype for hånd i forlagsbransjen. Soss-støpemaskinen, produsert i Brooklyn, NY, var den første maskinen som ble solgt på det åpne markedet i Nord-Amerika. Andre applikasjoner vokste raskt, med støping for å lette veksten av forbruksvarer og apparater, ved å redusere produksjonskostnadene for intrikate deler i store mengder. I 1966 ga General Motors ut Acurad -prosessen.

Støpt metall

De viktigste formstøpingslegeringene er: sink, aluminium, magnesium, sink, kobber, bly og tinn; Selv om det er uvanlig, er støping av jern også mulig. Spesifikke formstøpingslegeringer inkluderer: sinkaluminium ; aluminium til f.eks . Aluminiumsforeningens (AA) standarder: AA 380, AA 384, AA 386, AA 390; og AZ91D magnesium. Følgende er en oppsummering av fordelene med hver legering:

• Sink : det enkleste metallet å støpe; høy duktilitet; høy slagstyrke; lett belagt; økonomisk for små deler; fremmer lang dør.
• Aluminium : lett; høy dimensjonsstabilitet for svært komplekse former og tynne vegger; god korrosjonsbestandighet; gode mekaniske egenskaper; høy termisk og elektrisk ledningsevne; beholder styrke ved høye temperaturer.
• Magnesium : det enkleste metallet å bearbeide; utmerket styrke-til-vekt-forhold; letteste legering vanligvis støpt.
• Kobber : høy hardhet; høy korrosjonsbestandighet; legeringens høyeste mekaniske egenskaper; utmerket slitestyrke; utmerket dimensjonsstabilitet; styrke som nærmer seg den til ståldeler.
• Silicon tombac : høyfast legering laget av kobber, sink og silisium. Ofte brukt som et alternativ for investeringer i støpte ståldeler.
• Bly og tinn : høy tetthet; ekstremt nær dimensjonsnøyaktighet; brukes til spesielle former for korrosjonsbestandighet. Slike legeringer brukes ikke i matserveringsapplikasjoner av folkehelsemessige årsaker. Type metall, en legering av bly, tinn og antimon (med noen ganger spor av kobber) brukes til å støpe håndsett i boktrykk og varm folieblokkering. Tradisjonelt støpt i støpeformer støper nå hovedsakelig støpt etter industrialiseringen av støperiene. Rundt 1900 slug avstøpning maskiner kom på markedet og lagt ytterligere automatisering, med noen ganger dusinvis av avstøpning maskiner på en avis kontor.

Fra og med 2008 er maksimale vektgrenser for aluminium, messing , magnesium og sinkstøp estimert til omtrent 32 kg, 4,5 kg, 20 kg og 34 kg, henholdsvis. I slutten av 2019 ble Giga Press- maskiner i stand til å støpe enkeltstykker på over 100 kilo (220 lb) brukt til å produsere aluminiums chassis-komponenter til Tesla Model Y elbil.

Materialet som brukes definerer den minste seksjon tykkelse og minimumstrekk som kreves for et støpestykke som vist i tabellen nedenfor. Den tykkeste delen skal være mindre enn 13 mm (0,5 tommer), men den kan være større.

Design geometri

Det er en rekke geometriske trekk som må tas i betraktning når du oppretter en parametrisk modell av en presstøping:

• Utkast er mengden skråning eller avsmalning som gis til kjerner eller andre deler av formhulrommet for å muliggjøre enkel utstøting av støpingen fra formen. Alle formstøpte overflater som er parallelle med dørens åpningsretning krever trekk for riktig støping av støpingen fra formen. Støpejern som har riktig trekk er lettere å fjerne fra formen og resulterer i overflater av høy kvalitet og et mer presist ferdig produkt.
• Filet er det buede krysset mellom to overflater som ellers ville ha møtt i et skarpt hjørne eller en kant. Rett og slett kan fileter legges til en presstøping for å fjerne uønskede kanter og hjørner.
• Skillelinje representerer punktet der to forskjellige sider av en form kommer sammen. Plasseringen av skillelinjen definerer hvilken side av dysen som er lokket og som er ejektoren.
• Sjefer legges til støpegodsene for å fungere som avstand og monteringspunkter for deler som må monteres. For maksimal integritet og styrke til støpestykket må sjefene ha universell veggtykkelse.
• Ribber legges til en formstøping for å gi ekstra støtte for design som krever maksimal styrke uten økt veggtykkelse.
• Hull og vinduer krever spesiell omtanke ved støping fordi omkretsen til disse egenskapene vil gripe fast på formstålet under størkning. For å motvirke denne effekten, bør generøs trekk legges til hull- og vindusfunksjoner.

Utstyr

Det er to grunnleggende typer støpemaskiner: varmekammermaskiner og kaldkammermaskiner . Disse er vurdert etter hvor mye klemkraft de kan bruke. Typiske karakterer er mellom 400 og 4000 st (2500 og 25 400 kg).

Støping av varmt kammer

Skjematisk oversikt over en varmekammermaskin

Støping av varmt kammer, også kjent som svanehalsmaskiner , er avhengige av et basseng av smeltet metall for å mate matrisen. I begynnelsen av syklusen trekkes stemplet til maskinen tilbake, noe som gjør at det smeltede metallet kan fylle "svanehalsen". Det pneumatiske - eller hydraulisk drevne stempelet tvinger deretter dette metallet ut av svanehalsen inn i matrisen. Fordelene med dette systemet inkluderer raske syklustider (ca. 15 sykluser i minuttet) og bekvemmeligheten ved å smelte metallet i støpemaskinen. Ulempene med dette systemet er at det er begrenset til bruk med metaller med lavt smeltepunkt og at aluminium ikke kan brukes fordi det tar opp noe av jernet i det smeltede bassenget. Derfor brukes varmekammermaskiner hovedsakelig med sink-, tinn- og blybaserte legeringer.

Støping av kaldkammer

En skjematisk oversikt over en støpemaskin for kaldkammer.

Disse brukes når støpe-legeringen ikke kan brukes i varmekammermaskiner; disse inkluderer aluminium, sinklegeringer med en stor sammensetning av aluminium, magnesium og kobber. Prosessen for disse maskinene starter med å smelte metallet i en egen ovn. Deretter transporteres en presis mengde smeltet metall til kaldkammermaskinen hvor den mates inn i et uoppvarmet skuddkammer (eller injeksjonssylinder). Dette skuddet blir deretter drevet inn i matrisen av et hydraulisk eller mekanisk stempel. Den største ulempen med dette systemet er den langsommere syklustiden på grunn av behovet for å overføre det smeltede metallet fra ovnen til kaldkammermaskinen.

• 

  Åpen verktøy- og injeksjonsdyse

• 

  Komplett arbeidscelle

Form eller verktøy

Ejektoren dør halvparten

Omslaget dør halvparten

To dør brukes i støping; den ene kalles "cover die half" og den andre "ejector die half". Der de møtes kalles skillelinjen . Dekselformen inneholder sprue (for varmekammermaskiner) eller skuddhull (for maskiner med kaldt kammer), som gjør at det smeltede metallet kan strømme inn i matrisene; denne funksjonen stemmer overens med injeksjonsdysen på varmekammermaskinene eller skuddkammeret i maskinene med kaldt kammer. Ejektordysen inneholder ejektorpinnene og vanligvis løperen , som er banen fra granen eller skuddhullet til formhulen. Dekselet dysen er festet til den stasjonære, eller foran, trykkplaten fra støpemaskinen, mens ejektoren dysen er festet til den bevegelige trykkplaten. Den formhulrom er skåret i to hulromsinnsatsene , som er separate deler som kan byttes ut forholdsvis lett og bolten inn i formhalvdelene.

Matrisene er utformet slik at den ferdige støpingen vil gli av dekselet halvdel av formen og forbli i ejektorhalvdelen når dørene åpnes. Dette sikrer at støpingen vil bli kastet ut hver syklus fordi ejektorhalvdelen inneholder ejektorpinnene for å skyve støpingen ut av den halvdelen. Ejektorpinnene drives av en ejektorstiftplate , som driver alle pinnene nøyaktig samtidig og med samme kraft, slik at støpingen ikke blir skadet. Ejektorstiftplaten trekker også inn pinnene etter at støpingen er kastet ut for å forberede neste skudd. Det må være nok ejektorpinner til å holde den totale kraften på hver pinne lav, fordi støpet fortsatt er varmt og kan bli skadet av overdreven kraft. Pinnene etterlater fortsatt et merke, så de må være plassert på steder der disse merkene ikke vil hindre støpingens formål.

Andre dørkomponenter inkluderer kjerner og lysbilder . Kjerner er komponenter som vanligvis produserer hull eller åpninger, men de kan også brukes til å lage andre detaljer. Det er tre typer kjerner: faste, bevegelige og løse. Faste kjerner er de som er orientert parallelt med trekkretningen til dysene (dvs. retningen dørene åpner), derfor er de festet eller festet permanent til matrisen. Bevegelige kjerner er de som er orientert på annen måte enn parallelt med trekkretningen. Disse kjernene må fjernes fra dørhulen etter at skuddet har størknet, men før matrisene åpnes ved hjelp av en egen mekanisme. Lysbilder ligner på bevegelige kjerner, bortsett fra at de brukes til å danne underskårne overflater. Bruken av bevegelige kjerner og lysbilder øker kostnadene for dørene kraftig. Løse kjerner, også kalt pick-outs , brukes til å støpe intrikate funksjoner, for eksempel gjengede hull . Disse løse kjernene settes inn i matrisen for hånd før hver syklus og kastes deretter ut med delen på slutten av syklusen. Kjernen må deretter fjernes for hånd. Løse kjerner er den dyreste kjernetypen, på grunn av ekstra arbeidskraft og økt syklustid. Andre funksjoner i dysene inkluderer vannkjølende passasjer og ventiler langs skillelinjene . Disse ventilasjonsåpningene er vanligvis brede og tynne (ca. 0,13 mm eller 0,005 tommer), slik at metallet raskt størkner og minimerer skrap når det smeltede metallet begynner å fylle dem. Ingen stigerør brukes fordi høytrykket sikrer en kontinuerlig mating av metall fra porten.

De viktigste materialegenskapene for matrisene er termisk sjokkmotstand og mykning ved forhøyet temperatur; andre viktige egenskaper inkluderer herdbarhet , bearbeidbarhet , varmekontrollmotstand, sveisbarhet, tilgjengelighet (spesielt for større dyser) og kostnad. Levetiden til en matrise er direkte avhengig av temperaturen på det smeltede metallet og syklustiden. Matrisene som brukes i støping er vanligvis laget av herdet verktøystål , fordi støpejern ikke tåler det høye trykket, derfor er matrisene svært dyre, noe som resulterer i høye oppstartskostnader. Metaller som støpes ved høyere temperaturer krever dyser laget av høyere legerte stål .

Hovedfeilmodusen for dørstøping er slitasje eller erosjon . Andre feilmoduser er varmekontroll og termisk tretthet . Varmekontroll er når overflatesprekker oppstår på matrisen på grunn av en stor temperaturendring i hver syklus. Termisk tretthet er når overflatesprekker oppstår på matrisen på grunn av et stort antall sykluser.

Prosess

Følgende er de fire trinnene i tradisjonell støping , også kjent som høytrykksstøping , disse er også grunnlaget for noen av dørstøpsvariasjonene: forberedelse av matrise, fylling, utkastning og shakeout. Matrisene tilberedes ved å sprøyte formhulen medsmøremiddel. Smøremiddelet hjelper både med å kontrollere temperaturen på matrisen, og det hjelper også med å fjerne støping. Matrisene lukkes deretter og smeltet metall injiseres i matrisene under høyt trykk; mellom 10 og 175megapascal(1500 og 25,400 psi). Når formhulen er fylt, opprettholdes trykket til støpet størkner. Matrisene åpnes deretter og skuddet (skudd er forskjellige fra støpegods fordi det kan være flere hulrom i en matrise, noe som gir flere avstøpninger per skudd) blir kastet ut av ejektorpinnene. Til slutt innebærer shakeout å skille skrotet, som inkludererporten,løpere,spruesogflash, fra skuddet. Dette gjøres ofte ved hjelp av en spesiell trimform i en kraftpresse eller hydraulisk presse. Andre metoder for å riste ut inkluderer saging og sliping. En mindre arbeidskrevende metode er å tumle skudd hvis portene er tynne og lett kan brytes; separasjon av porter fra ferdige deler må følge. Dette skrotet resirkuleres ved å smelte det på nytt. Utbyttet er omtrent 67%.

Høytrykksinnsprøytningen fører til en hurtig fylling av dysen, noe som er nødvendig, slik at hele hulrommet fylles før noen del av støpet størkner. På denne måten unngås diskontinuiteter , selv om formen krever vanskelige å fylle tynne snitt. Dette skaper problemet med luftinnfangning, for når formen fylles raskt er det liten tid til luften kan slippe ut. Dette problemet minimeres ved å inkludere ventilasjonsåpninger langs skillelinjene, men selv i en svært raffinert prosess vil det fortsatt være en viss porøsitet i midten av støpingen.

De fleste dørhjul utfører andre sekundære operasjoner for å produsere funksjoner som ikke lett kan støpes, for eksempel å trykke på et hull, polere, plate, polere eller male.

Undersøkelse

Etter at støpet har ristet, inspiseres det for defekter. De vanligste feilene er feilfunksjoner og kaldt lukk . Disse feilene kan være forårsaket av kalde dyser, lav metalltemperatur, skittent metall, mangel på ventilasjon eller for mye smøremiddel. Andre mulige feil er gassporøsitet, krympeporøsitet , varme tårer og strømmer. Flytemerker er merker som er igjen på overflaten av støpestykket på grunn av dårlig porting, skarpe hjørner eller overdreven smøremiddel.

Smøremidler

Vannbaserte smøremidler er den mest brukte typen smøremiddel på grunn av helse-, miljø- og sikkerhetsmessige årsaker. I motsetning til løsemiddelbaserte smøremidler, vil det ikke etterlate noe biprodukt i matrisene hvis vann blir riktig behandlet for å fjerne alle mineraler fra det. Hvis vannet ikke er riktig behandlet, kan mineralene forårsake overflatedefekter og diskontinuiteter.

I dag brukes "vann-i-olje" og "olje-i-vann" emulsjoner , fordi når smøremidlet påføres, avkjøler vannet matrisen ved å fordampe og avsette oljen som hjelper til med å frigjøre skuddet. En vanlig blanding for denne typen emulsjon er tretti deler vann til en del olje, men i ekstreme tilfeller brukes et forhold på hundre til ett. Oljer som brukes inkluderer tung restolje (HRO), animalsk fett , vegetabilsk fett , syntetisk olje og alle slags blandinger av disse. HRO er geléaktig ved romtemperatur, men ved de høye temperaturene som finnes i støping, danner de en tynn film. Andre stoffer tilsettes for å kontrollere viskositeten og termiske egenskapene til disse emulsjonene, f.eks. Grafitt , aluminium , glimmer . Andre kjemiske tilsetningsstoffer brukes til å hemme rust og oksidasjon . I tillegg tilsettes emulgatorer for å forbedre emulsjonens produksjonsprosess, f.eks. Såpe , alkoholestere , etylenoksider .

Historisk sett ble det ofte brukt løsemiddelbaserte smøremidler, som diesel og parafin . Disse var flinke til å frigjøre delen fra matrisen, men en liten eksplosjon skjedde under hvert skudd, noe som førte til en oppbygging av karbon på mugghulens vegger. Imidlertid var de lettere å påføre jevnt enn vannbaserte smøremidler.

Fordeler

Fordeler med støping:

• Utmerket dimensjonsnøyaktighet (avhengig av støpemateriale, men vanligvis 0,1 mm for de første 2,5 cm (0,004 tommer for den første tommer) og 0,02 mm for hver ekstra centimeter (0,002 tommer for hver ekstra tomme).
• Glatte støpte overflater (Ra 1–2,5 mikrometer eller 0,04–0,10 tusen rms ).
• Tynnere vegger kan støpes i forhold til sand og permanent støping (ca. 0,75 mm eller 0,030 tommer).
• Innsatser kan støpes inn (for eksempel gjengede innsatser, varmeelementer og høyfast bærende overflater).
• Reduserer eller eliminerer sekundære bearbeidingsoperasjoner.
• Raske produksjonshastigheter.
• Casting strekkfasthet så høye som 415 MPa (60 ksi).
• Støpevæskelengden påvirkes ikke av størkningsområdet, i motsetning til permanente former, sandstøping og andre typer.
• Korrosjonshastigheten for støpeformene er langsommere enn for sandstøpingen på grunn av den jevnere overflaten på støpeformene.

Ulemper

Den største ulempen ved støping er den svært høye kapitalkostnaden . Både det nødvendige støpeutstyret og matrisene og relaterte komponenter er svært kostbare, sammenlignet med de fleste andre støpeprosesser. Derfor er et stort produksjonsvolum nødvendig for å gjøre støping til en økonomisk prosess. Andre ulemper er:

• Prosessen er begrenset til metaller med høy fluiditet. Økte skraphastigheter kan skyldes fluiditetssvikt, og kostnadene for skrap i støping er høye.
• Støping støper et stort antall deler, så spørsmål om repeterbarhet er spesielt viktige.
• Støpevekter har tidligere vært begrenset til mellom 30 gram og 10 kg, men fra 2018 har skudd på 80 kilo blitt mulig.
• I standardstøpeprosessen vil den endelige støpingen ha en liten porøsitet. Dette forhindrer varmebehandling eller sveising, fordi varmen får gassen i porene til å ekspandere, noe som forårsaker mikrosprekker inne i delen og eksfoliering av overflaten. Noen selskaper har imidlertid funnet måter å redusere porøsiteten til delen, slik at begrenset sveising og varmebehandling tillates. Således er en beslektet ulempe med formstøping at det bare er for deler der mykhet er akseptabel. Deler som trenger herding (gjennom herding eller herding ) og herding støpes ikke inn.

Varianter

Acurad

Acurad var en støpeprosess utviklet av General Motors på slutten av 1950- og 1960 -tallet. Navnet er et akronym for nøyaktig, pålitelig og tett. Den ble utviklet for å kombinere en stabil fylling og retningsbestemt størkning med de raske syklustidene til den tradisjonelle støpeprosessen. Prosessen var banebrytende for fire banebrytende teknologier for støping: termisk analyse , strømnings- og fyllingsmodellering, varmebehandlingsbar og høy integritet formstøpning og indirekte pressekasting (forklart nedenfor).

Den termiske analysen var den første som ble utført for enhver støpeprosess. Dette ble gjort ved å lage en elektrisk analog av det termiske systemet. Et tverrsnitt av dysene ble trukket på Teledeltos- papir, og deretter ble termiske belastninger og kjølemønstre tegnet på papiret. Vannlinjer ble representert av magneter i forskjellige størrelser. Den termiske ledningsevne ble representert ved det gjensidige av papirets resistivitet.

Acurad-systemet brukte et bunnfyllingssystem som krevde en stabil strømningsfront. Logiske tankeprosesser og prøving og feiling ble brukt fordi datastyrt analyse ikke eksisterte ennå; denne modellen var imidlertid forløperen til datastyrt flyt- og fyllmodellering.

Acurad-systemet var den første støpeprosessen som med hell kunne støpe aluminiumslegeringer med lavt jern, for eksempel A356 og A357 . I en tradisjonell støpeprosess ville disse legeringene lodde til formen. På samme måte kan Acurad-avstøpninger varmebehandles og oppfylle den amerikanske militærspesifikasjonen MIL-A-21180-D .

Til slutt benyttet Acurad -systemet et patentert dobbeltskuddstempel. Tanken var å bruke et andre stempel (plassert i det primære stempelet) for å påføre trykk etter at skuddet delvis hadde størknet rundt omkretsen av støpehulen og skuddhylsen. Selv om systemet ikke var veldig effektivt, førte det til at produsenten av Acurad -maskinene, Ube Industries , oppdaget at det var like effektivt å påføre tilstrekkelig trykk til rett tid senere i syklusen med hovedstemplet; dette er indirekte pressekasting.

Porefri

Når ingen porøsitet er tillatt i en støpt del, brukes den porefrie støpeprosessen . Det er identisk med standardprosessen bortsett fra at oksygen injiseres i matrisen før hvert skudd for å rense luft fra formhulen. Dette får små dispergerte oksider til å dannes når det smeltede metallet fyller matrisen, noe som praktisk talt eliminerer gassporøsitet. En ekstra fordel med dette er større styrke. I motsetning til vanlige støpegods, kan disse støpene varmebehandles og sveises . Denne prosessen kan utføres på aluminium-, sink- og blylegeringer.

Vakuumassistert høytrykksstøping

I vakuumassistert høytrykks formstøping , aka vakuum høytrykks formstøping (VHPDC), en vakuumpumpe fjerner luft og gasser fra pressformrommet og metallleveringssystem før og under injeksjon. Vakuumstøping reduserer porøsitet, tillater varmebehandling og sveising, forbedrer overflatebehandling og kan øke styrken.

Oppvarmet manifold direkte injeksjon

Oppvarmet manifold direkte injeksjon av støping , også kjent som direkte injeksjon die casting eller runnerless die casting , er en sinkstøpeprosess der smeltet sink tvinges gjennom en oppvarmet manifold og deretter gjennom oppvarmede minidyser, som leder inn i støpeformen hulrom. Denne prosessen har fordelene med lavere kostnad per del, gjennom reduksjon av skrap (ved eliminering av graner, porter og løpere) og energibesparelse, og bedre overflatekvalitet gjennom langsommere kjølesykluser.

Halvfast

Halvfast formstøping bruker metall som er oppvarmet mellom liquidus og enten solidus eller eutektisk temperatur, slik at det er i sin "grøtaktig region". Dette gir mulighet for mer komplekse deler og tynnere vegger.

Se også

• Smeltbar sprøytestøping
• Støpt leketøy

Merknader

Referanser

Bibliografi

• Davis, J. (1995), Tool Materials , Materials Park: ASM International, ISBN 978-0-87170-545-7.
• Degarmo, E. Paul; Svart, J T .; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9. utg.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
• Andresen, Bill (2005), Die Casting Engineering , New York: Marcel Dekker, ISBN 978-0-8247-5935-3.

Eksterne linker

• North American Die Casting Association
• Toleranser for støping (i henhold til DIN 1688 GTA 13, tyske standarder)
• Generelt databeskyttelsesdesignark