Делаем форму для литья алюминия

Когда говорят ?делаем форму для литья алюминия?, многие сразу представляют себе простую песчаную оснастку или, наоборот, дорогущую стальную пресс-форму. Реальность, как обычно, где-то посередине, и сильно зависит от того, что именно льем, в каких объемах и, что часто забывают, — какой именно алюминиевый сплав идет в дело. Тут уже не до шаблонов.

С чего на самом деле начинается форма

Не с чертежа, а с вопроса ?а что мы хотим получить в итоге??. Деталь для единичного прототипа, мелкую серию в сотню штук или постоянное производство? Для прототипа часто можно обойтись формой для литья из графитированной стали или даже качественного чугуна — быстрее и в разы дешевле. Но если речь о тысячах отливок, тут уже без инструментальной стали, правильной термообработки и просчитанной системы охлаждения не обойтись. Ошибка на этом этапе — и ресурс формы упадет в разы.

Вот, к примеру, был у нас заказ на корпусные детали для какого-то приборостроения. Заказчик изначально требовал сталь H13, мол, для надежности. Но после анализа — деталь тонкостенная, сложная конфигурация, но серия всего 3000 штук. Уговорили на хорошую легированную сталь попроще, но с усиленным охлаждением каналов. Экономия для клиента — существенная, а форма свою задачу отработала полностью. Это к вопросу о том, что дороже — не всегда адекватнее.

Еще один нюанс — усадка. Не та, общая, из справочника (около 1.2% для Al), а конкретная для вашей конфигурации. Толстая стенка и тонкий ребро будут остывать и сокращаться по-разному. Если не заложить правильные уклоны и не спрогнозировать эти напряжения, отливку или не вынешь без разрушения формы, или ее поведет так, что механическая обработка не спасет. Тут часто помогает не столько софт для симуляции (хотя и он важен), сколько старый добрый опыт и библиотека поправочных коэффициентов, которые копились годами.

Материал формы: не только сталь

Да, для серийного литья под давлением или в кокиль — это почти всегда инструментальная сталь. Но если речь о литье по выплавляемым моделям или в землю, то картина меняется. Мы в своем цехе для мелкосерийного литья в песчаные формы часто используем модельные комплексы из алюминия — легче, дешевле в механической обработке, и при аккуратном обращении выдерживают приличный тираж.

Но вот с алюминием есть тонкость: он мягче стали, поэтому вся форма для литья алюминия должна быть спроектирована так, чтобы минимизировать механические нагрузки на рабочие поверхности. Особенно важно это для разъемных плоскостей — заусенец в 0.1 мм на стали просто сотрется, а на алюминиевой оснастке быстро разрастется в ступеньку, которая будет рвать отливку. Приходится делать более точную подгонку и иногда даже предусматривать сменные вставки из стали в самых нагруженных местах.

Кстати, о вставках. Очень полезная практика. Допустим, делаем форму для литья алюминиевого корпуса с резьбовыми отверстиями. Вместо того чтобы резать саму матрицу, мы фрезеруем под посадочные места и запрессовываем стальные футорки с уже готовой резьбой. И износ меньше, и при поломке (а резьба в алюминиевой отливке — слабое место) меняется не вся форма, а небольшая деталь. Такие решения — они как раз из области практики, а не учебников.

Система литников и выпора: где чаще всего косячат

Самая частая ошибка новичков — сделать литниковую систему ?как у всех? или ?как в той детали?. А ведь каждый сплав течет по-своему. Для литья силуминов (Al-Si) одни подходы, для более тугоплавких и склонных к окислению сплавов, вроде АК7ч или АК9М2 — совершенно другие. Если не обеспечить ламинарный, без турбулентностей, подвод металла к полости формы, в отливке гарантированно появятся оксидные пленки и раковины.

Помню случай, когда мы делали форму для ответственной детали из алюминиево-магниевого сплава. По классике, рассчитали литник на скорость заполнения. Но сплав оказался очень ?липким? к стенкам формы. В итоге первые отливки шли с недоливами в удаленных углах. Пришлось на ходу переделывать — не саму форму, к счастью, а съемный литниковый коллектор. Увеличили сечение и изменили точку входа. Залилось идеально. Вывод: всегда нужно иметь запас по возможности корректировки системы питания на этапе отладки.

С выпорами та же история. Их задача — не просто дать выход воздуху, а создать направленное затвердевание от тонких сечений к массивным, а уже потом к выпорам. Иначе в теле детали останутся внутренние напряженные раковины. Иногда для сложных отливок приходится делать форму для литья с целой системой холодильников — это такие массивные стальные вставки, которые локально отводят тепло, чтобы задать нужную последовательность кристаллизации. Без них просто не обойтись.

Механика: как сделать форму, которая проживет долго

Конструкция формы — это не только отпечаток детали. Это еще и система направляющих, замков, толкателей, система охлаждения. Если что-то из этого сделать ?абы как?, форма либо разобьется после первых циклов, либо будет выдавать брак. Особенно критичны направляющие колонки и втулки. Люфт в пару соток — и у вас уже смещение половинок, а значит, облой на отливке и ускоренный износ самой формы.

Мы для своих проектов стараемся использовать стандартизированные компоненты — плиты, направляющие, узлы выталкивания. Это ускоряет изготовление и повышает надежность. К примеру, часть комплектующих берем у проверенных поставщиков, часть производим сами на своем же станочном парке. Как, например, на нашем производстве ООО Дэян Хунгуан Интеллектуальное Оборудование. У нас там как раз сконцентрированы возможности и для проектирования, и для механической обработки пресс-форм любой сложности. Это позволяет контролировать весь цикл — от модели до готовой оснастки.

Охлаждение — отдельная песня. Каналы должны проходить как можно ближе к рабочей поверхности, но без риска пробить стенку при обработке. И их конфигурация должна обеспечивать равномерный отвод тепла. Иначе в одном месте форма перегреется, алюминий начнет привариваться к стали, а в другом — наоборот, металл недольется. Часто для сложных форм делаем съемные вставки с витыми каналами (их называют ?спиральные сердечники?), которые дают отличную эффективность охлаждения.

Отладка и первые отливки: момент истины

Самая нервная часть работы. Даже идеально сделанная по чертежам форма почти всегда требует доводки. Сначала прогоняем на симуляции, но компьютер — компьютером, а реальный металл в реальной форме — это всегда немного лотерея. Первые отливки мы делаем обычно на пониженных давлениях и температурах, смотрим на заполняемость, на следы от газов.

Частая проблема — воздух, который не успевает выйти через выпоры. Тогда в теле отливки, обычно в самом верхнем по ходу заливки месте, остается раковина. Лечится это либо доработкой вентиляционных каналов (иногда просто прошабриваем их чуть шире), либо изменением траектории заливки. Бывает, помогает установка дополнительных вентиляционных штифтов — тонких стальных стержней, которые создают микроканалы для выхода воздуха.

Еще один этап отладки — работа с усадкой. Отливка остывает и сжимается, плотно обхватывая толкатели и сердечники. Если усилие снятия слишком велико, деталь может деформироваться. Тут подбираем углы на толкателях, полируем поверхности, иногда даже используем локальные покрытия для облегчения выемки. Хорошо зарекомендовали себя стойкие антифрикционные покрытия на основе нитрида титана (TiN). Они, кстати, и общий ресурс формы повышают.

Вместо заключения: практика против догм

Так что, делаем форму для литья алюминия мы, исходя не из абстрактных правил, а из конкретной задачи. Иногда самое правильное решение — это не делать суперсложную и дорогую стальную форму, а изготовить несколько более простых и дешевых оснасток для разных этапов производства. Или комбинировать материалы, как в примере с алюминиевой основой и стальными вставками.

Главное, что я вынес за годы работы — нужно всегда держать в голове всю цепочку: свойства сплава → конструкция отливки → технология литья → конструкция формы → материал оснастки → условия эксплуатации. Сбой в любом звене — и результат будет далек от идеала. И никакой, даже самый продвинутый софт, не заменит понимания физики процесса, которое приходит только с опытом и, увы, с набитыми шишками.

Для тех, кто хочет глубже погрузиться в тему или стоит перед конкретной задачей по проектированию оснастки, всегда можно изучить подходы и технологии, которые мы применяем на практике. Актуальную информацию и примеры наших проектов в области литья цветных металлов можно найти на нашем ресурсе — ООО Дэян Хунгуан Интеллектуальное Оборудование. Там как раз видно, как теория и инженерные расчеты воплощаются в рабочий инструмент, который годами штампует качественные отливки. В конце концов, форма — это не самоцель, а всего лишь инструмент для получения нужной детали. И этот инструмент должен быть адекватен задаче.