Затраты на инструмент, продолжительность производственного цикла и стабильность размеров одной и той же детали могут значительно различаться в зависимости от того, используется ли одноразовая форма или многоразовая форма. В первом случае после каждой заливки требуется новая форма, тогда как во втором используется многоразовая металлическая форма. В данной статье сначала рассматриваются основные характеристики этих двух процессов, сравниваются их различия по сроку службы формы, точности, материалам и эффективности производства, а далее объясняется, как объем производства и затраты влияют на окончательный выбор.
Что такое литье в расходные формы?
Литье в одноразовых формах означает, что каждая форма позволяет изготовить только одно изделие: после извлечения изделия форма уничтожается. Литье в песок, литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы и литье по методу «потерянной пены» относятся к этой категории. Их общей особенностью является то, что формы изготавливаются из недорогих материалов, таких как песок, воск или гипс, и могут использоваться только один раз.
Типичный процесс состоит из шести этапов:
- Изготовление формы: с помощью формовочного песка или воска формируется полость, повторяющая форму детали.
- Завершение: соберите и закрепите верхнюю и нижнюю части, или «оболочку».
- Разлив: заливка расплавленного металла в полость формы.
- Охлаждение: дать металлу затвердеть внутри формы.
- Извлечение изделия из формы: разломайте форму, чтобы извлечь отливку.
- Очистка: удалите литники, подводы и прилипший песок.
Поскольку для каждого отливка необходимо изготавливать новую форму, само оборудование обходится недорого, верхний предел размера детали практически отсутствует, а также можно использовать практически любой литейный сплав. Однако производственный цикл занимает больше времени, так как для каждой детали требуется отдельная форма, а точность размеров и качество поверхности также ниже, чем при использовании металлических форм. Для крупных деталей, единичных заказов и чрезвычайно сложных форм зачастую просто нет альтернативы.
Что такое литье в постоянных формах?
Литье в постоянные формы использует многоразовые металлические формы из стали, чугуна или графита. Литье под действием силы тяжести, литье под низким давлением, а также литье под высоким давлением — все эти методы относятся к данной категории; они отличаются лишь способом заполнения полости металлом — под действием силы тяжести, под низким давлением или под высоким давлением.
Типичный производственный цикл выглядит следующим образом:
- Разогрейте форму и нанесите антиадгезив.
- Закройте форму.
- Залейте полость или заполните её под давлением.
- Поддерживайте давление до тех пор, пока металл не затвердеет.
- Откройте форму и извлеките отливку.
- Начните следующий цикл.
Металлические формы быстро проводят тепло, благодаря чему отливки остывают равномерно и приобретают более мелкозернистую структуру. Именно поэтому прочность, плотность и качество поверхности отливок, изготовленных в металлических формах, как правило, превосходят аналогичные показатели отливок, полученных в песчаных формах. Срок службы формы обычно составляет от тысяч до десятков тысяч циклов, а вес большинства алюминиевых деталей не превышает 10 кг; чем больше деталь, тем выше затраты на форму и оборудование и тем менее выгодным становится производство с экономической точки зрения.
В чём заключается основное различие между литьем в одноразовых формах и литьем в постоянных формах?
| Сравнение | Литье в одноразовые формы | Литье в постоянные формы |
|---|---|---|
| Срок службы формы | Одна форма на одну отливку | От тысяч до десятков тысяч циклов |
| Допуск на размеры | Допуск: литье в песчаные формы — примерно ±0,5–2,5 мм | Более жесткие допуски: примерно ±0,25–0,8 мм для мелких и средних деталей |
| Отделка поверхности | Литье в песчаные формы, Ra 12,5–25 мкм | Приблизительно Ra 3,2–6,3 мкм |
| Материалы для заливки | Практически любой металл, включая сталь и чугун | В основном алюминиевые, цинковые, магниевые и медные сплавы |
| Размер детали | От десятков граммов до нескольких тонн | Обычно менее 10 кг |
| Затраты на инструментарий | Низкий | Высокий: значительно выше, чем у песчаных образцов |
| Время цикла | Медленно: изготовление формы занимает больше всего времени | Быстро: подходит для непрерывного серийного производства |
| Типичные области применения | Корпуса насосов, корпуса клапанов, крупные детали машин, художественные отливки | Колеса, головки блока цилиндров, корпуса двигателя, детали тормозной системы |
Возможность повторного использования формы определяет структуру затрат. При литье в одноразовые формы затраты распределяются на каждую деталь, тогда как при литье в постоянные формы затраты сосредоточены на этапе подготовки к первой заливке. Поэтому одноразовые формы больше подходят для мелкосерийного производства, а литье в постоянные формы демонстрирует свои преимущества только в том случае, если объём производства достаточно велик, чтобы распределить затраты на инструмент.
Существенные различия: какие сплавы подходят для каких технологических процессов?
Материал является первым критерием отбора, поскольку некоторые металлы никогда не используются при изготовлении постоянных форм.
- Алюминий, цинк и магний: возможны оба способа производства; литье в постоянные формы является наиболее распространенным вариантом.
- Медные сплавы: можно использовать постоянные формы, однако необходимо тщательно учитывать срок службы форм и их стоимость.
- Сталь и чугун: для их литья почти повсеместно используются одноразовые формы. Поскольку температуры плавления этих материалов высоки, металлические формы быстро изнашиваются, и с экономической точки зрения срок их службы становится невыгодным.
- Суперсплавы: в основном используются технологии, предполагающие расход материалов, такие как литье по выплавляемым моделям.
Правило простое: чем выше температура плавления, тем короче срок службы постоянной формы и тем сложнее окупить затраты. Алюминий в настоящее время является наиболее отработанным материалом для литья в постоянные формы, поэтому колеса и головки цилиндров почти всегда изготавливаются методами литья под низким давлением или литья в постоянные формы.
Преимущества и ограничения каждого процесса
Преимущества литья в одноразовые формы
- Низкая стоимость изготовления пресс-форм: отлично подходит для мелкосерийного производства, создания прототипов и изготовления единичных деталей.
- Практически неограниченная свобода в выборе формы: сложные выемки и изогнутые поверхности не представляют никакой проблемы.
- Широкий диапазон размеров деталей: при изготовлении крупных деталей почти всегда применяется именно этот подход.
- Совместим практически со всеми литейными сплавами.
Ограничения литья в одноразовые формы
- Для изготовления каждой детали требуется новая форма, что приводит к увеличению продолжительности производственных циклов.
- Более низкая точность и качество поверхности, что означает необходимость дополнительной последующей механической обработки.
- Более низкая плотность структуры по сравнению с изделиями, отлитыми в металлических формах, при этом повышен риск появления песчаных включений и пористости.
Преимущества литья в постоянные формы
- Быстрые производственные циклы для серийного производства.
- Стабильные размеры и снижение процента брака.
- Улучшенная качество поверхности и плотность при меньшем припуске на механическую обработку.
- Металлические формы быстро проводят тепло и обеспечивают более мелкозернистую структуру: прочность на разрыв, как правило, примерно на 20% выше, а относительное удлинение — примерно на 30% выше, чем при литье в песчаные формы.
Ограничения литья в постоянные формы
- Высокие затраты на изготовление инструментов, которые невозможно окупить при мелкосерийном производстве.
- Ограничения, связанные с формой: необходимы углы сброса, а для сложных внутренних полостей требуются песчаные сердечники.
- Ограниченный спектр материалов: металлы с высокой температурой плавления не подходят.
- Формы требуют технического обслуживания и со временем подлежат замене.
Как выбрать: одноразовая форма или многоразовая форма?
Начните с объема производства
Основным фактором при принятии решения является объем производства. Если годовой объем производства составляет всего от десятков до сотен деталей, одноразовые пресс-формы почти всегда обходятся дешевле; если же объем производства превышает несколько тысяч деталей, затраты на многоразовые пресс-формы окупаются довольно быстро. Фиксированной точки перехода не существует, поскольку она зависит от веса детали и стоимости инструмента, но тенденция очевидна: чем выше объем, тем выгоднее вкладывать средства в инструмент заранее.
Обратите внимание на точность и качество обработки поверхности
Для деталей с несколькими сопрягаемыми поверхностями, уплотнительными поверхностями или видимыми поверхностями следует отдавать предпочтение постоянным формам. Более жесткие допуски и лучшая качество поверхности облегчают последующую обработку на станках с ЧПУ, а критические размеры не требуют обработки с нуля. Если чертеж содержит много высокоточных размеров с допуском около ±0,5 мм или меньше, время, сэкономленное за счет использования постоянных форм, может быть достаточным для компенсации затрат на изготовление пресс-форм.
Сначала проверьте материал
Первый вопрос заключается в том, подходит ли материал для использования в постоянной форме. Алюминий, цинк и магний однозначно предполагают применение постоянных форм, тогда как сталь, чугун и суперсплавы — литье в песчаные формы или литье по выплавляемым моделям. Один только температурный диапазон плавления позволяет исключить половину возможных технологических процессов, поэтому нет смысла обсуждать другие параметры до того, как этот вопрос будет решён.
Сравнить стоимость и сроки выполнения заказа
Для создания прототипов и мелкосерийного производства наиболее экономичным способом проверки конструкции является прямая обработка на станках с ЧПУ или литье в песчаные формы. После доработки конструкции и увеличения объемов производства проект можно перевести на изготовление в постоянных формах. Многие проекты следуют схеме «сначала прототип с ЧПУ/песчаное литье, затем постоянная форма для серийного производства», что снижает риски, связанные с изготовлением инструментов, и соответствует естественному ходу внедрения новых деталей. Систематическое сравнение других технологий см. здесь обзор типов процессов литья.
Заключение
Между литьем в одноразовых формах и литьем в постоянных формах нет «лучшего» процесса — есть только более подходящий вариант. Порядок рассмотрения следующий: во-первых, подходит ли материал для постоянной формы; во-вторых, достаточно ли объем производства, чтобы оправдать затраты на изготовление пресс-формы; и, наконец, оправдывают ли требования к точности использование металлической формы. Ответьте на эти три вопроса, и выбор станет гораздо проще. Самая большая ошибка — принимать решение о выборе технологии до того, как станет известен объем производства. Если вы не уверены, пришлите чертеж, информацию о материале и годовой объем производства в литейный цех и попросите их инженеров подготовить коммерческое предложение.
Часто задаваемые вопросы
Является ли литье в песчаные формы процессом с одноразовыми формами или процессом с постоянными формами?
Литье в песчаные формы — это процесс с использованием одноразовых форм. Песок расходуется при каждой заливке, но модель формы, изготовленная из дерева или алюминия, может использоваться повторно, что позволяет снизить затраты на инструмент и делает этот процесс подходящим для мелкосерийного производства. Отличие от литья в постоянных формах заключается в том, что именно подвергается повторному использованию: при литье в песчаные формы повторно используется модель, а песчаная форма является одноразовой, тогда как при литье в постоянные формы сама металлическая форма используется многократно.
Сколько раз можно использовать постоянную форму?
Это зависит от материала формы и литого сплава. Для алюминиевых деталей, отливаемых в стальных формах, формы для литья самотеком и под низким давлением обычно выдерживают от 10 000 до 50 000 циклов, тогда как формы для литья под высоким давлением — от 50 000 до 200 000 циклов. Более высокие температуры разливки и более реактивные сплавы ускоряют износ формы. По достижении формы конца срока службы её необходимо отремонтировать или заменить, и эти затраты включены в удельную цену.
Какие допуски можно обеспечить при литье в одноразовые формы?
При литье в песчаные формы обычно достигаются линейные допуски порядка ±0,5–2,5 мм, тогда как при литье по выплавляемым моделям — примерно ±0,1–0,5 мм. Оба этих диапазона шире, чем допуски ±0,25–0,8 мм, которые обычно достигаются при производстве мелких и средних деталей в постоянных формах, поэтому критические сопрягаемые поверхности, как правило, требуют припуска на механическую обработку и обработки на станках с ЧПУ.
Какой процесс обходится дешевле при изготовлении прототипов небольшими партиями?
При объёме производства от десятков до сотен деталей более экономичным вариантом является литье в песчаные формы или прямая обработка на станках с ЧПУ; использование постоянных форм, как правило, целесообразно рассматривать только в том случае, если объём производства превышает несколько тысяч деталей. На этапе создания прототипа задача состоит в том, чтобы быстро проверить конструкцию и функциональность, минимизировав при этом затраты на изготовление инструментов.
