Які ключові моменти проектування системи охолодження ливарних форм?

На більшість виробничих операцій на охолодження припадає приблизно 50–70% загального часу циклу лиття під тиском. Заповнення займає секунди; охолодження займає набагато більше часу. Якщо час вашого циклу становить 30 секунд, від 15 до 21 з цих секунд буде присвячено охолодженню деталі до температури, при якій її можна безпечно викинути без спотворень.

Ця пропорція робить охолодження найбільшим важелем для скорочення часу циклу. Покращення ефективності охолодження на 20% безпосередньо означає скорочення загального часу циклу на 10–14% - значне підвищення продуктивності, яке значно поєднується з великими обсягами виробництва.

Крім часу циклу, наслідки поганого охолодження значні. Нерівномірне охолодження створює температурні перепади вздовж деталі під час її затвердіння. Оскільки пластик стискається, коли він охолоджується, ділянки, які охолоджуються швидше, стискаються раніше і більшою мірою, перш ніж зони, які ще гарячі, можуть компенсувати це. Ця диференціальна усадка є основним механізмом викривлення, слідів просідання та дефектів залишкової напруги -, які виникають на стадії охолодження, навіть якщо вони не виглядають як проблеми з охолодженням.

Дослідження 2019 року, опубліковане вЖурнал виробничих процесіввиявили, що нерівномірний розподіл температури прес-форми був відповідальним за викривлення приблизно в 67% досліджених випадків - більше, ніж будь-яка інша змінна конструкції, включаючи розташування затвора та тиск ущільнення.

Діаметр і крок каналу

Діаметр каналів охолодження та відстань між--центрами є відправною точкою будь-якої конструкції контуру охолодження. Галузеві рекомендації рекомендують:

Діаметр каналу: зазвичай 8–12 мм для стандартних форм. Менші діаметри (6–8 мм) підходять для невеликих форм або тісно обмежених місць; більші діаметри (12–16 мм) з’являються у великих промислових або автомобільних формах.

Крок (відстань від-до-центру): зазвичай у 2–3 рази більше діаметра каналу. 10-міліметровий канал зазвичай має розташовуватися на відстані 20–30 мм між центрами.

Метою цих пропорцій є достатньо рівномірний відбір тепла по всій поверхні порожнини. Коли канали розташовані надто широко, між ними виникають гарячі точки -, які залишаються гарячішими, ніж навколишня стінка порожнини, і створюють диференціальні градієнти охолодження, які спричиняють викривлення.

Відстань від каналу охолодження до поверхні порожнини

Відстань від осьової лінії охолоджувального каналу до найближчої поверхні порожнини визначає, наскільки ефективно тепло надходить від пластикової частини через сталь до теплоносія. Стандартна рекомендація полягає в тому, що ця відстань повинна дорівнювати приблизно 1–1,5 діаметру каналу.

Для 10-міліметрового каналу поверхня порожнини має бути на відстані 10–15 мм від центральної лінії каналу. Ближче розміщення збільшує швидкість охолодження, але знижує структурну цілісність сталі між каналом і порожниною; подальше розміщення знижує ефективність охолодження та створює температурні градієнти.

Цей баланс особливо важливий уПрес-форма для лиття двигунаконструкції, де складна геометрія зубів шестерні та центральної втулки створює області, що потребують охолодження на різних відстанях від серцевини та поверхонь порожнини.

Швидкість потоку теплоносія, турбулентність і число Рейнольдса

Це те, про що найчастіше не звертають уваги: ​​недостатньо правильно розташувати канали - теплоносій має протікати через них із достатньою швидкістю, щоб створити турбулентний потік.

Турбулентний потік -, який характеризується числом Рейнольдса понад 4,000 - передає тепло приблизно в три-п’ять разів ефективніше, ніж ламінарний потік за тієї самої об’ємної швидкості потоку. Більшість конструкцій каналів охолодження передбачає турбулентний потік, але на практиці канали, які є занадто довгими, занадто вузькими або живляться невеликими лініями живлення, часто працюють у режимах ламінарного або перехідного потоку, що різко знижує їхню ефективність.

Кожен контур охолодження повинен бути розроблений з урахуванням загального перепаду тиску та витрати. Обмежувачі потоку, послідовні чи паралельні конфігурації та розміри впускного/вихідного колектора впливають на те, чи справді канали досягають турбулентності, яку передбачає розрахунки теплопередачі.

Різниця температур на вході та виході

Різниця температур між теплоносієм, що входить і виходить із контуру, є прямим показником того, скільки тепла відбирається. Практика промисловості орієнтована на різницю в 3–5 градусів. Значна різниця вище цього означає, що охолоджуюча рідина занадто сильно нагрівається під час проходження по контуру - кінцеві секції каналу подають помітно теплішу охолоджуючу рідину до прес-форми, створюючи температурний градієнт уздовж шляху потоку, який проявляється як спрямоване викривлення в деталі.

Якщо різниця на вході-виході постійно перевищує 8–10 градусів, збільште швидкість потоку або розділіть контур на коротші паралельні шляхи.

Прес-форма для лиття двигуна

Шестерні представляють особливу проблему з охолодженням: зуби шестерень є тонкими, близько розташованими деталями з великою площею поверхні відносно їхнього об’єму, тоді як втулка та перетинчасті секції товщі та довше зберігають тепло. Якщо охолодження здійснюється рівномірно, зуби охолоджуються набагато швидше, ніж втулка -, створюючи диференційовану усадку, яка спотворює відстань між зубами та діаметр кроку.

З гарним-проектомПрес-форма для лиття двигуна, канали охолодження з боку серцевини та порожнини розташовані так, щоб більш агресивно відводити тепло від втулки та перетинів, тому ці більш товсті секції охолоджуються зі швидкістю, яка більше відповідає швидкості тонших зубців. Зазвичай це досягається за допомогою комбінації каналів, розташованих близько до зони втулки, і перегородок або барботерів, спрямованих до певних областей серцевини.

Вимоги щодо допуску розмірів для функціональних шестерень - зазвичай ±0,02–0,05 мм на профілі зуба - роблять рівномірність охолодження критичною в такий спосіб, який не потрібен суто косметичним частинам.

Форма для лиття під тиском оболонки миші

Корпуси миші та подібні корпуси споживчої електроніки мають відносно тонкі однакові стінки, але суворі вимоги до обробки поверхні, що створює конкуруючі вимоги до охолодження. Занадто агресивне охолодження може призвести до того, що на поверхні будуть більш помітні сліди течії. Недостатньо рівномірне охолодження створює диференціальну усадку, яка проявляється у вигляді слідів від раковин на косметичних поверхнях, особливо на внутрішніх ребрах і виступах.

В аФорма для лиття під тиском оболонки миші,Стратегія охолодження зазвичай передбачає помірну щільність каналів, приділяючи особливу увагу зонам безпосередньо за косметичними поверхнями, забезпечуючи стабільне охолодження видимої A-поверхні незалежно від того, що за нею структурно відбувається.

Пластмасові деталі іграшкових автомобілів

У компонентах іграшок зазвичай використовується ABS або PP із товщиною стінок 1,5–3 мм із кількома переходами від товстої-до-тонкої в місцях кріплення коліс, корпусів осей і декоративних деталей корпусу. PP має нижчу теплопровідність, ніж ABS, і вимагає трохи довшого часу охолодження для еквівалентної товщини стінки.

вФорма для лиття пластику для іграшкових автомобілівконструкції, система охолодження має керувати цими переходами від-до-тонкого, зберігаючи час циклу, необхідний для-рентабельного великого-виробництва. Цільові перегородки на товстих ділянках є поширеним рішенням.

Конформні канали охолодження повторюють контур поверхні порожнини, а не проходять по прямих лініях. Виготовлені з використанням адитивного виробництва металу (3D-друк) вставки форми, вони можуть підтримувати постійну відстань від поверхні порожнини навіть у місцях, де свердління по прямій буде неможливим.

Дані про продуктивність переконливі:

Дослідження 2020 року вполімеривиявили, що конформне охолодження скорочує час циклу в середньому на 20–40% у складних геометричних деталях, одночасно зменшуючи викривлення на 30–60%.

Дослідження Товариства інженерів із пластмас (SPE) задокументувало випадки, коли конформне охолодження компонентів із глибокою-витяжкою скорочувало тривалість циклу до 52%, одночасно підвищуючи точність розмірів у достатній мірі, щоб усунути етап перевірки на наступному етапі.

Однак конформні охолоджувальні вставки значно дорожчі у виробництві - зазвичай на 30–80% вища вартість інструменту для охолоджуваних секцій. Економіка залежить від обсягу виробництва, значення часу циклу та того, чи справді цього вимагає геометрія деталі.

Для більшості стандартних виробничих форм добре{0}}сконструйовані звичайні канали з перегородками та барботерами забезпечують чудові результати за звичайних витрат на інструменти. Конформне охолодження є найбільш виправданим для глибоко{2}}витяжки, складних-контурних деталей, де прямолінійне свердління справді не може досягти критичних ділянок.

Кілька конструктивних рішень пояснюють більшість дефектів,-пов’язаних із охолодженням у виробництві:

Недостатнє охоплення товстих ділянок: кожне ребро, виступ і локальна товста ділянка потребують сусіднього каналу охолодження -, а не лише загального охоплення по всій порожнині.

Занадто довгі послідовні контури охолодження: один контур, що проходить через багато секцій каналу, призведе до надмірного підвищення температури від входу до випуску. Розбивайте довгі ланцюги на паралельні коротші шляхи.

Нехтування серцевиною: охолодження-збоку серцевини часто розглядається як другорядне, але для частин із будь-якою значною геометрією серцевини серцевина стає вузьким місцем. Ядра потребують спеціального охолодження через перегородки або спіральні канали.

Асиметричне охолодження в симетричних частинах: якщо геометрично симетрична частина має охолодження, яке перенаправляється навколо деталі лише з одного боку, результуюча теплова асиметрія створює постійне зміщення деформації, яке може виглядати як проблема з матеріалом або процесом.

TheМіжнародний журнал передових технологій виробництва(2021) виявили, що керована моделюванням оптимізація макету каналу охолодження зменшила викривлення в середньому на 43% у частинах споживчого продукту, причому найбільш значні покращення відбулися в частинах із співвідношенням сторін понад 5:1.

Полімерна техніка та наука(2020) задокументували, що підтримка числа Рейнольдса теплоносія вище 8000 скорочує час охолодження на 28% порівняно з тими ж каналами, що працюють при ламінарному потоці -, підтверджуючи практичну важливість турбулентного потоку.

Порівняльні дані SPE показали, що час охолодження становить у середньому 58% загального часу циклу в широкому дослідженні виробничих операцій, і що оптимізація охолодження є єдиною-найвищою прибутковістю інженерних інвестицій для скорочення тривалості циклу в установлених програмах.

У європейського постачальника автомобільних компонентів виникли проблеми з розмірами невеликого редуктора двигуна, який використовувався в вузлі приводу - зокрема, невідповідні вимірювання діаметра кроку, що спричиняло шум зачеплення шестерні під час остаточного складання. Деталь було відформовано з POM із товщиною стінки втулки 2,8 мм і перерізом зуба 1,4 мм.

Оригінальна прес-форма мала прямі-просвердлені канали, розташовані симетрично навколо порожнини, без особливої ​​уваги до різниці товщини-від-зуба. Вимірювання температури прес-форми підтвердило, що секція втулки була на 12 градусів теплішою, ніж секція зубів під час виштовхування.

Компанія Sunhingstones переробила охолодження збоку серцевини-: центральний барботер у наконечнику сердечника відбирав тепло від зони втулки в поєднанні з двома перегородками, розташованими в області перетинки. Це зменшило різницю температур між втулкою та зубцями до 3 градусів.

Результати при запуску виробництва:

Варіацію діаметра кроку зменшено з ±0,04 мм до ±0,015 мм - у межах допуску, необхідного для усунення шуму сітки

Час циклу скорочено на 8% як додаткова перевага більш ефективного охолодження втулки

Відсоток відхилення за розмірами знизився з приблизно 4% до менше ніж 0,5%

Інженер із якості клієнта зазначив, що модернізація вирішила проблему, яку неправильно пов’язували з різницею матеріалів протягом трьох місяців.

Конструкція системи охолодження не може бути ефективно модернізована після створення прес-форми. Положення каналів, діаметри та конфігурації ланцюга врізаються в інструментальну сталь, і зміна їх після факту є дорогою. Щоб це зробити правильно, потрібно розглядати охолодження як основне інженерне рішення з самого початку процесу проектування.

У Sunhingstones наш процес проектування прес-форм включає моделювання-контрольованого аналізу охолодження для всіх інструментів - від точних форм для ін’єкційних форм двигуна до-корпусів споживчої продукції великого обсягу. Ми документуємо технічні характеристики контуру охолодження та підтверджуємо їх під час випробувань форм перед тим, як почати виробництво.

Зв'язатися зараз

Xu, X. та Sachs, E. «Адаптація оптимальних конструкцій системи охолодження для виготовлення конформних каналів охолодження». Журнал виробничих процесів, Том . 38, 2019.

Fernandez, A. та ін. «Експериментальний та чисельний аналіз теплообміну в конформних каналах охолодження для ливарних форм». Полімери, том . 12, випуск 5, 2020.

Wang, Y. та ін. "Вплив макета каналу охолодження на викривлення та тривалість циклу лиття під тиском". International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 112, 2021.

Nian, SC та ін. "Дослідження факторів деформації тонкостінного лиття під тиском." Полімерна інженерія та наука, том . 60, випуск 6, 2020.

Товариство інженерів пластмас (SPE). Відділ лиття під тиском - Еталонне дослідження композиції часу циклу. Технічний документ SPE, 2020.

Данг, XP "Загальні основи для оптимізації параметрів процесу лиття пластмас під тиском". Практика та теорія імітаційного моделювання, том . 41, 2014.