Pressione, velocità, temperatura: il "triangolo impossibile" del processo di pressofusione
Il metallo fuso viene immesso nella cavità dello stampo ad alta velocità e ad alta pressione e solidificato sotto pressione. Questa frase riassume l'intero principio di funzionamento della pressofusione. Nello specifico, si tratta dei "tre elementi chiave": alta velocità, alta temperatura e alta pressione.
La velocità del canale di colata interno è generalmente di 30-50 metri al secondo, che si traduce in una velocità di 108-180 chilometri all'ora, ovvero la velocità di una corsa in autostrada. Bastano solo 0,01-0,1 secondi perché il metallo fuso entri nella cavità e la riempia. In un batter d'occhio, il metallo fuso ha percorso l'intero stampo.
Nella produzione reale, la velocità del canale di iniezione interno non dovrebbe superare i 60 metri al secondo: una velocità eccessiva corroderebbe lo stampo. Tuttavia, a volte il prodotto è grande e sottile e la velocità non è sufficiente a riempirlo completamente, quindi l'unica opzione è aumentarla. In questo caso, è necessario stabilire una priorità: prima si realizza il prodotto, poi si pensa all'ottimizzazione della durata dello stampo.
La temperatura di colata della lega di alluminio è di 580-650 °C, mentre la temperatura di lavoro dello stampo è di soli 120-220 °C, con una differenza di temperatura che può arrivare fino a 300-400 gradi. Nel controllo della temperatura vige il "principio della moderazione": se è troppo alta, il metallo fuso assorbirà facilmente aria e si attaccherà allo stampo; se è troppo bassa, si solidificherà prima di essere riempito. È necessario poter fluire e riempire lo stampo controllando il rischio di inglobamento d'aria: questa è la finestra di temperatura ottimale.
L'intervallo di pressione è generalmente compreso tra 30 e 100 MPa, e i prodotti convenzionali si attestano intorno ai 50 MPa. Cosa si intende con 50 MPa? 1 MPa ≈ 10 kg/cm², quindi 50 MPa significa 500 kg per centimetro quadrato. Un'area delle dimensioni di un'unghia può sopportare un peso di mezza tonnellata.
pressofusioneIl nucleo è "in pressione". Da dove proviene la pressione? Innanzitutto, è necessario comprendere le tre componenti principali:
Tre elementi sono collegati per formare una catena di trasmissione della pressione: energia idraulica → energia cinetica del punzone → pressione idraulica del metallo
C'è un altro dettaglio hardware: sulla macchina per pressofusione sono presenti due accumulatori di energia: l'accumulatore di iniezione rapida è responsabile del riempimento (richiede velocità), mentre l'accumulatore di energia di spinta è responsabile dell'alimentazione (richiede forza). Due sistemi, ognuno con la propria funzione specifica.
La pressione non è costante durante l'intero processo di iniezione. Si articola in due fasi:
La tempistica della commutazione è fondamentale: se si taglia troppo presto, la cavità non sarà completamente riempita; se si taglia troppo tardi, sarà già solida. Questo è un aspetto cruciale nella fase di debug del processo.
L'indicatore che determina realmente l'effetto di riempimento. Pressione specifica = forza di iniezione ÷ area della sezione trasversale del punzone (MPa)
L'elevato tonnellaggio della vostra macchina non significa che la forza esercitata sul metallo fuso sia elevata. Il fattore chiave è considerare la pressione specifica, ovvero la forza per unità di area. A parità di forza di iniezione, se il diametro del punzone viene raddoppiato, la pressione specifica si riduce a un quarto. Pertanto, nella scelta del diametro del punzone, non è necessario considerare solo la sua compatibilità con la camera di pressione, ma anche se la pressione specifica è sufficiente.
Questo è uno dei contenuti fondamentali dell'intero corso. Una volta che il metallo fuso entra nella cavità dello stampo, non scorre in modo casuale. Il suo metodo di flusso determina direttamente se il prodotto presenta pori e isolamento termico.
La contraddizione fondamentale del processo di pressofusione: La velocità deve essere sufficientemente elevata da impedire che il metallo fuso si solidifichi prima di essere riempito; ma se la velocità è eccessiva, il flusso passerà da laminare a getto, aspirando aria. Progettisti e tecnici specializzati cercano quotidianamente questo equilibrio.
L'iniezione non inizia ad alta velocità. Il metodo prevede prima una bassa velocità, poi un'alta velocità, con un punto di commutazione nel mezzo:
- Tratto a bassa velocità: Consentire al metallo fuso di entrare nel canale di flusso senza intoppi e di espellere l'aria dalla camera di pressione e dal canale di colata in modo ordinato.
- Tratto ad alta velocità: Quando l'aria è quasi completamente esaurita vicino al punto di iniezione, passare all'alta velocità. Dopo che la sezione trasversale del punto di iniezione si restringe bruscamente, la velocità sale istantaneamente a 30-50 m/s, riempiendo rapidamente la cavità dello stampo.
Allora perché non rallentare l'intero processo? Perché il metallo fuso si raffredderà. Se si utilizza una bassa velocità per riempire la cavità, questa si solidificherà a metà e non verrà riempita affatto. Pertanto, il riempimento della cavità deve essere completato entro pochi decimi di secondo. Commutazione troppo anticipata → L'aria non viene espulsa → Aspirazione d'aria | Commutazione troppo tardiva → Raffreddamento del metallo → Isolamento a freddo
La "valvola di controllo del flusso" del progettista dello stampo. Sebbene il punto di iniezione sia piccolo, ha un effetto enorme: innanzitutto, aumenta la velocità. L'area della sezione trasversale del punto di iniezione è molto più piccola di quella del canale di colata, come un imbuto - largo all'ingresso e stretto all'uscita, e la velocità aumenta bruscamente. L'area della sezione trasversale del punzone e del punto di iniezione è generalmente 15-25 volte maggiore, punzone 2 m/s × 15 volte = punto di iniezione 30 m/s.
In secondo luogo, è fondamentale controllare la direzione. La posizione del canale di colata, la sua direzione, le sue dimensioni e il numero di canali aperti determinano direttamente il punto di ingresso e la direzione del flusso del metallo fuso. Un buon design del canale di colata garantisce che il metallo fuso si distribuisca uniformemente, che la cavità si riempia quasi istantaneamente e che il gas venga spinto verso la posizione di scarico in modo ordinato. Un design scadente, al contrario, prevede che una certa area venga riempita per prima, bloccando lo scarico e impedendo al gas di fuoriuscire porosamente, con conseguente formazione di pori nel prodotto.
La cavità viene riempita e si procede alla solidificazione. Questo processo determina se il prodotto presenta cavità da ritiro e se la struttura è densa o meno.
Non appena il metallo fuso entra in contatto con la parete interna dello stampo (la differenza di temperatura è di trecento-quattrocento gradi), lo strato superficiale viene immediatamente "risucchiato" dal calore e si solidifica all'istante in uno strato di raffreddamento con uno spessore di soli 0,3-0,8 mm. Le caratteristiche di questo strato di raffreddamento sono la presenza di grani fini, una struttura densa e un'elevata durezza. Successivamente, la solidificazione procede dall'esterno verso l'interno, il metallo fuso interno si raffredda e si contrae, riducendo il volume e dando luogo alla formazione di cavità di ritiro.
Una volta riempita la cavità, il punzone non può ritirarsi immediatamente, ma deve continuare a spingere in avanti applicando un'elevata pressione. Spinge il metallo ancora liquido presente nel punto di iniezione nella cavità dello stampo, che si sta restringendo, per riempire i fori di ritiro. È come un'iniezione con una siringa: quando manca il farmaco, si spinge lo stantuffo e il farmaco viene iniettato. Il punzone è questo pistone.
Perché il punto di iniezione deve solidificarsi per ultimo? Perché il punto di iniezione funge da canale di alimentazione. Il punto di iniezione si solidifica per primo, il canale viene chiuso, la cavità continua a restringersi e il materiale è ancora necessario, ma non può più entrare: le cavità di ritiro rimangono nel prodotto.
Pertanto, nella progettazione dello stampo: la zona più lontana dal punto di iniezione viene raffreddata per prima, mentre la zona più vicina viene raffreddata per ultima. Anche il manico del materiale deve essere sufficientemente spesso: è l'ultimo "caricatore" del punzone. Il sovrametallo di lavorazione non deve essere eccessivo!
Lo strato superficiale di tempra ha una densità di soli 0,3-0,5 mm e, con il rallentamento del raffreddamento, i grani diventano più grossolani e possono verificarsi ritiri e porosità. Se si rimuove lo strato di tempra, si vedranno solo porosità superficiali: più si lavora, più queste porosità diventeranno evidenti.
Valore di tolleranza di lavorazione basato sull'esperienza: 0,3 mm per lato per i prodotti di piccole dimensioni, 0,3~0,5 mm per i prodotti di grandi dimensioni. Quanto basta per garantire la lavorabilità, ma non eccessivo: un eccesso aumenterebbe la probabilità di formazione di bolle di sabbia.
Il metallo fuso si contrae durante la solidificazione e, contraendosi, aderisce saldamente al nucleo dello stampo. Senza un angolo di sformo adeguato, il prodotto non può essere espulso. Nei casi più gravi, il prodotto potrebbe rompersi e non essere nemmeno possibile estrarlo dallo stampo. pressofusione Non è come la plastica: anche se è profonda 1 mm, bisogna aggiungere uno sfiato. Generalmente da 1 a 3 gradi, almeno 1 grado.
L'aspirazione è altrettanto fondamentale. Nella cavità sono presenti aria e gas volatili dell'agente distaccante. Se questi gas non possono essere espulsi, impatteranno ripetutamente sulla superficie dello stampo come un'esplosione ad alta temperatura e pressione, causando erosione.
Abbiamo già parlato di pressione, velocità e temperatura, ma questi elementi non sono mai separati, si influenzano sempre a vicenda.
Risultati diversi:
Il punto chiave è che questi tre parametri influenzano tutto il corpo:
- Aumentare la temperatura → la fluidità migliora → riempimento più rapido alla stessa velocità → la velocità deve essere regolata di conseguenza
- Aumentando la velocità → il tempo di riempimento si riduce → la caduta di temperatura diminuisce → la finestra di temperatura cambia
- La pressione aumenta → il comportamento di riempimento cambia → velocità e temperatura devono essere nuovamente adattate
L'essenza del debug di processo: nello spazio composto dalle tre dimensioni di pressione, velocità e temperatura, individua la "finestra di processo": la temperatura è sufficientemente alta da impedire la condensazione prematura, la velocità è sufficientemente elevata da non aspirare aria e la pressione è sufficientemente alta da consentire l'alimentazione. Se tutte e tre le condizioni sono soddisfatte contemporaneamente, quel punto rappresenta la finestra di processo.
Il metallo fuso riempie la cavità dello stampo ad alta velocità, spinto dal punzone, e completa la solidificazione sotto pressione.
I quattro anelli chiave sono collegati tra loro per formare un ciclo di lavoro completo di pressofusione:
- ① Generazione di pressione - energia idraulica → energia cinetica del punzone → pressione idraulica del metallo, tre componenti più due dispositivi di accumulo di energia.
- ② Riempimento guidato - prima scarico a bassa velocità, poi riempimento ad alta velocità, flusso laminare vs. flusso a getto, controllo dell'accelerazione e della direzione della valvola.
- ③ Alimentazione a pressione: il riempimento non significa che il processo sia terminato. La pressurizzazione continua ad applicare pressione per "comprimere" i fori di ritiro fino alla solidificazione.
- ④ Raffreddamento e formatura: solidificazione dall'esterno verso l'interno, il canale di alimentazione si solidifica infine e lo strato superficiale denso ha uno spessore di 0,3~0,5 mm.
1) Pressione di riempimento (iniezione di primo stadio): bassa pressione, spingendo lentamente il liquido della lega in avanti per espellerlo, e poi accelerando per riempire la cavità;
2) Aumento della pressione (iniezione/mantenimento della pressione in due fasi): durante la solidificazione del metallo viene applicata istantaneamente un'elevata pressione e un'enorme forza meccanica, il metallo fuso in ingresso si contrae e le cavità di ritiro e la porosità vengono eliminate;
3) Forza di serraggio: La forza di serraggio esercitata dal cilindro di serraggio dello stampo sullo stampo impedisce che quest'ultimo si espanda e che il materiale fuoriesca durante l'iniezione ad alta pressione.
Temperatura: la temperatura dell'alluminio fuso è leggermente bassa e la temperatura dello stampo è media;
Velocità: ridurre la velocità di iniezione ad alta velocità per evitare l'aspirazione di aria;
Pressione: Aumentare significativamente la pressione di mantenimento della pressione di sovralimentazione ed estendere il tempo di mantenimento della pressione per l'alimentazione.