Wytyczne projektowe dla precyzyjnych części odlewanych ciśnieniowo z cynku

Odlewanie ciśnieniowe cynku to elastyczna metoda produkcji, która polega na wtryskiwaniu stopionego cynku do specjalnie zaprojektowanej formy pod wysokim ciśnieniem w celu stworzenia złożonych i precyzyjnych części. Takie podejście jest szczególnie odpowiednie dla części precyzyjnych, ponieważ cynk ma wysoką płynność, niską temperaturę topnienia i może być obrabiany do wąskich tolerancji bez konieczności obróbki końcowej.

Odlewanie ciśnieniowe Zamak jest stosowany w branżach takich jak motoryzacja, elektronika, towary konsumpcyjne i urządzenia medyczne do produkcji części, w tym złączy, kół zębatych, obudów i złożonych mechanizmów, które wymagają tolerancji wymiarowych i trwałości.

Większość stopów cynku jest przetwarzana przy użyciu maszyn z gorącą komorą, które zapewniają krótki czas cyklu i stałą jakość. Precyzyjne części korzystają ze zdolności cynku do wytwarzania cienkich ścianek, złożonych geometrii i części o kształcie siatki, zmniejszając straty materiału i czas montażu.

Niemniej jednak, wysokie wskaźniki sukcesu są osiągane, gdy przestrzegane są określone zasady projektowania, a właściwości materiału, kształt, forma i parametry przetwarzania są brane pod uwagę. Zasady te pomagają zredukować liczbę defektów, poprawić możliwości produkcyjne i zwiększyć precyzję.

Ten artykuł identyfikuje główne wytyczne wspierane przez standardy branżowe ustanowione przez organizacje, aby pomóc inżynierom w projektowaniu precyzyjnych części odlewanych ciśnieniowo z cynku.

Zalety precyzyjnych części odlewanych ciśnieniowo z cynku

Wykorzystanie odlew cynkowy oferuje szereg korzyści, czyniąc go jednym z najlepszych materiałów do zastosowań precyzyjnych.

• Po pierwsze, oferuje najlepszą dokładność wymiarową z tolerancjami tak bliskimi, jak zero punktów sto dwadzieścia pięć (0,025 mm) lub -0,001 cala (0,025 mm) możliwe w zoptymalizowanych projektach.
• Dokładność ta wynika z niskiego skurczu i wysokiej płynności cynku, dzięki czemu stopiony metal może być wlewany do złożonej wnęki formy i wypełniany bez opuszczania formy w celu zestalenia.
• Po drugie, cynk pozwala na odlewanie cienkościenne, o minimalnej grubości 0,025 cala (0,635 mm) w miniaturze i ogólnie 0,040 cala (1,016 mm) dla lepszego wykończenia powierzchni.
• Pozwala to zaoszczędzić na wadze i kosztach materiałów, a jednocześnie jest wystarczająco mocny, aby można go było stosować w lekkich, precyzyjnych częściach, takich jak obudowy elektroniczne i czujniki samochodowe.
• Po trzecie, proces ten sprzyja skomplikowanym geometriom, a także podcięciom, gwintom i zintegrowanym elementom, które często nie wymagają ponownej obróbki.
• Plastyczność i odporność na uderzenia cynku zapewniają, że części nie są poddawane naprężeniom mechanicznym, a jego odlewalność zmniejsza również porowatość i wady powierzchni.
• Co więcej, elementy cynkowe można łatwo powlekać, malować lub wykańczać w celu ochrony przed korozją i nadania im estetycznego wyglądu.
• Cynk ma niższą temperaturę topnienia (około 380-390 °C w przypadku stopów Zamak) niż inne metale, takie jak aluminium czy magnez. Zmniejsza to zużycie matrycy, umożliwiając dłuższą żywotność narzędzia i niższe koszty produkcji w przypadku partii o dużej objętości.
• W przypadku precyzyjnych części przekłada się to na wysoką jakość w tysiącach cykli. Korzyści środowiskowe obejmują pełną możliwość recyklingu, co jest zgodne z przyjaznymi dla środowiska praktykami produkcyjnymi.

Wybrany materiał: Stopy cynku

Wybór odpowiedniego stopu cynku jest ważny w przypadku części precyzyjnych, ponieważ wpływa na właściwości mechaniczne, odlewalność i tolerancje. Stop cynku Odlewanie ciśnieniowe Zamak (2, 3, 5, 7) i ZA (8, 12, 27) mają specyficzny skład i właściwości użytkowe.

• Najpopularniejsze z nich to Zamak 3, który oferuje połączenie wytrzymałości, plastyczności i stabilności wymiarowej.
• Zamak 5 ma wyższą twardość i wytrzymałość na rozciąganie, dzięki czemu najlepiej nadaje się do części poddawanych obciążeniom.
• ZA-8 oferuje lepszą odporność na pełzanie i może być stosowany w wyższych temperaturach.
• Natomiast ZA-27 jest mocniejszy, ale powinien być odlewany w zimnych komorach ze względu na wysoką zawartość aluminium.

Poniższa tabela podsumowuje rodzaje stopów cynku stosowanych w produkcji części precyzyjnych:

Właściwości te można wykorzystać do zapewnienia, że stopy cynku spełniają precyzyjne specyfikacje, a złożone części mają wysoką płynność (1-2 w skali 1-4; 1 najlepsza). Mówiąc dokładniej, producenci chcieliby wybierać stopy takie jak Zamak 3 lub ZA-8 ze względu na ich stabilność i zdolność do wytrzymywania wąskich tolerancji.

Kluczowe wytyczne projektowe

Dobry odlew cynkowy został zaprojektowany w celu ułatwienia przepływu i wyrzutu przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości przy minimalnych kosztach.

Grubość ścianki

Grubość ścianki powinna być jednolita, aby uniknąć porowatości i zniekształceń. W przypadku części precyzyjnych należy utrzymywać ją w granicach +/-10% i stosować minimalną grubość 0,040 cala (1 mm), aby uzyskać dobre wykończenie powierzchni, a nawet 0,020 cala (0,5 mm) w modelach miniaturowych.

Stosunek grubych do cienkich przekrojów powinien być mniejszy niż 3:1, aby zminimalizować ryzyko porowatości; najlepiej, aby stosunek średnicy wpisanej kuli nie przekraczał 6:1.

Pogrubienie ścianek zwiększa przepływ, ale wydłuża czas cyklu i zwiększa zużycie. W przypadku odległości od wlewu minimalna grubość zmienia się: poniżej 0,5 mm w obszarach mniejszych niż 50 mm, do 2 mm przy 200 mm.

Do sprawdzenia projektów można użyć różnych symulacji. W przypadku odlewów cynkowych należy określić minimum 0,025 cala (0,635 mm) w wybranych lokalizacjach, ale 0,040 cala (1,016 mm) w najlepszych lokalizacjach.

Kąty zanurzenia

Kąty zanurzenia pomagają w wyrzucaniu części i zapobiegają uszkodzeniom matrycy. W przypadku cynku minimalne przeciągi wynoszą 0,5 ° -1 na powierzchniach zewnętrznych, 1- -1 na powierzchniach wewnętrznych i 0,1 ° -1 na okrągłych otworach. Krótkie elementy, które wykorzystują ruchome części (elementy matrycy) mogą być drukowane w zera, ale jest to droższe.

W przypadku żeber stosowany jest stożek 5-10, gdy nie jest on równoległy do skurczu. Różne standardy podają obliczenia zanurzenia: standardowe tolerancje wynoszą 50 (kąt zanurzenia około 1,9 stopnia na głębokości 1 cala) dla ścian wewnętrznych i 100 dla ścian zewnętrznych. Istnieją również tolerancje precyzyjne, które dopuszczają stałe przeciągi 60 i 120.

Filety i promienie

Flety i promienie powinny być zawsze dodawane, ponieważ ostre krawędzie prowadzą do koncentracji naprężeń i erozji matrycy. Minimalny promień wewnętrznego zaokrąglenia wynosi 0,016 cala (0,4 mm), a zewnętrznego 0,031 cala (0,8 mm). Promienie o większym rozmiarze (do 0,063 cala lub 1,6 mm) zwiększają płynność i wytrzymałość.

Należy stosować minimalne promienie (0,060 cala (1,5 mm) dla występów i żeber). Promień przy dużych naprężeniach nie powinien być mniejszy niż 1 mm; normy sugerują ±0,08/±0,04 cala (±2/±1 mm) w zaokrągleniach. Poprawia to żywotność części i ogranicza pękanie.

Żebra i szefowie

Żebra zwiększają wzmocnienie bez zwiększania masy. Twórz płytkie, zaokrąglone żebra (stosunek wysokości do grubości nie większy niż 3:1) i równomiernie je rozmieszczaj, aby nie były zniekształcone. Przyklej żebra do ścian za pomocą zaokrągleń, aby uniknąć porowatości w miejscu przecięcia.

Wysokość występów używanych do montażu lub gwintowania musi być równa ich średnicy, a gdy średnica jest duża, muszą one mieć żebra. Między występami należy zachować odległość 6,5 mm (0,25 cala). Tolerancje krytycznych wysokości mogą być zawarte w żebrach, takich jak w precyzyjnych konstrukcjach żeber ±0,001 cala (±0,025 mm).

Otwory rdzeniowe i gwinty

Otwory wykonane w rdzeniu sprawiają, że jest on lżejszy i umożliwia stosowanie elementów takich jak gwinty. Maksymalna głębokość to około 3 mm średnicy, 9 mm nieprzelotowe lub 24 mm przelotowe; do 12 mm średnicy przy większych otworach. Średnica co najmniej 0,25 cala (6 mm), stosunek L/D nie większy niż 4:1 w małych otworach.

Rozważania dotyczące linii rozstania

Najlepiej jest umieścić linię podziału w największym możliwym przekroju, aby uzyskać jak najmniejszą ilość błysku i umożliwić łatwe przycinanie. Należy unikać pionowych lub skomplikowanych linii; najlepsze są kąty proste płaszczyzny ruchu matrycy. Tolerancje na liniach podziału są sumą tolerancji liniowych na projektowanym obszarze.

Tolerancje części precyzyjnych

Odlew cynkowy ma jeszcze wyższe tolerancje precyzji niż standardowe, a czasami 65% tych specjalnych kontroli są konieczne. Tolerancje liniowe: dokładność pierwszego cala wynosi ±0,002 cala, dodatkowe ±0,001.

Tolerancje geometryczne obejmują niewspółosiowość (0,1 mm TIR ta sama połowa), płaskość (0,005 cala 3 cale i mniej, precyzja) i kątowość. Przesunięcie linii podziału: +0,004 cala do linii podziału w zakresie 50 cali 2.

Unikanie typowych usterek

Źle dobrana grubość lub niewłaściwie rozmieszczone bramki powodują porowatość; zmniejsz ją dzięki jednolitym ściankom i zoptymalizowanym przez CAE wlewom. Nierównomierne chłodzenie powoduje zniekształcenia, którym zapobiega się w przypadku ukoronowanych powierzchni i żeber. Właściwy ciąg i zaokrąglenia eliminują wady powierzchni, takie jak zimne zamknięcia. Skonsultuj się z odlewnikami w sprawie symulacji.

Dodatkowe wykończenia i operacje

Cynk nadaje się do obróbki skrawaniem i może być łatwo poddany obróbce końcowej; został jednak zaprojektowany w celu zminimalizowania obróbki końcowej. Należy dodać 0,010-0,030 cala materiału do obróbki. Wykończenia to powlekanie (kosmetyczne), malowanie lub anodowanie. Najwyższe klasy to 32 Ra uzyskane jako odlew.

Zastosowania odlewów cynkowych

Odlewy cynkowe są bardzo popularne w przemyśle ze względu na ich elastyczność i wysoką jakość.

Przemysł motoryzacyjny

Elementy odlewane ciśnieniowo z cynku dominują w pojazdach, w tym w obudowach zamków drzwi, elementach pasów bezpieczeństwa, układach hamulcowych, elementach układu kierowniczego, obudowach czujników i listwach dekoracyjnych. Charakteryzują się one wysoką odpornością na uderzenia i trwałością w porównaniu do innych materiałów.

Telekomunikacja i elektronika

Cynk jest stosowany w elektronice w złączach, obudowach, radiatorach i elementach ekranujących EMI/RFI. Jego przewodność i zdolność do wytwarzania drobnych, cienkościennych komponentów umożliwiają produkcję niewielkich komponentów do komputerów, smartfonów i sprzętu sieciowego. Każda branża elektroniczna wykorzystuje produkty wykonane metodą odlewania ciśnieniowego cynku.

Towary konsumpcyjne i sprzęt

Zwykle stosowany w zamkach, kranach, uchwytach, armaturze hydraulicznej, zabawkach i sprzęcie budowlanym. Cynk może być wykończony atrakcyjnymi wykończeniami, wymagającymi minimalnego wykończenia wtórnego. Inne zastosowania obejmują sprzęt medyczny, przekładnie maszyn przemysłowych i wsporniki.

Wady odlewów cynkowych

Odlewanie ciśnieniowe cynku ma wiele zalet; ma jednak również pewne ograniczenia, które producenci powinni wziąć pod uwagę przed przyjęciem tej metody.

Ograniczenia rozmiaru

Odlewanie ciśnieniowe cynku może być stosowane głównie w przypadku małych i średnich części. Duże komponenty są trudne do wyprodukowania ze względu na ograniczenia maszyn odlewniczych i rozmiar form. W przypadku większych części, alternatywne procesy produkcyjne mogą być bardziej wykonalne i tańsze.

Wysoki koszt początkowy

Proces ten wymaga precyzyjnego oprzyrządowania i specjalnych form. Skutkuje to kosztowną konfiguracją początkową; dlatego odlewanie ciśnieniowe cynku nie jest idealne do produkcji małoseryjnej. Jest to jednak opłacalne w przypadku produkcji masowej.

Problemy z przewodnością cieplną

Stopy cynku charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną, dlatego trudno jest kontrolować ciepło podczas procesu odlewania. Z powodu złego zarządzania termicznego mogą wystąpić wady, dlatego wymagana jest dobra konstrukcja formy i system chłodzenia.

Wnioski

Odlew cynkowy stał się skutecznym procesem produkcyjnym do tworzenia precyzyjnych komponentów o złożonych kształtach i wąskich tolerancjach. Specjalne właściwości materiału, w tym wysoka płynność, niska temperatura topnienia, wysoka stabilność wymiarowa i dobra wytrzymałość mechaniczna, sprawiają, że odlewanie ciśnieniowe cynku jest odpowiednie dla branż, w których precyzja, trwałość i dokładność powierzchni mają ogromne znaczenie.

Zastosowanie odpowiednich zasad projektowania, takich jak równa grubość ścianki, wystarczający kąt zanurzenia, zaokrąglone zaokrąglenia, zoptymalizowane żebra i występy oraz położenie linii podziału, może znacznie pomóc producentom wyeliminować wady, takie jak porowatość, zniekształcenia i wypływki.

Można to dodatkowo poprawić, starannie wybierając stop cynku, taki jak Zamak 3, Zamak 5 lub ZA-8, który najlepiej odpowiada właściwościom mechanicznym i wymaganiom danego zastosowania.

Tolerancje osiągalne w przypadku odlewania ciśnieniowego cynku to tolerancje precyzyjne, które mają tendencję do zmniejszania wtórnej obróbki skrawaniem, co skutkuje szybszymi cyklami produkcyjnymi i niższymi całkowitymi wydatkami. Cynk ma również doskonałe właściwości wykończeniowe, umożliwiając łatwe powlekanie, malowanie lub powlekanie części, zwiększając odporność na korozję i wygląd.

Ogólnie rzecz biorąc, odlewanie ciśnieniowe cynku łączy w sobie wszystkie te czynniki (precyzję, wytrzymałość, wydajność, opłacalność). Dzięki odpowiednim metodom projektowania i wykwalifikowanym odlewnikom może zapewnić spójne, wysokiej jakości części dla przemysłu motoryzacyjnego, elektronicznego, dóbr konsumpcyjnych, sprzętu medycznego i przemysłu wewnętrznego.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego cynk jest stosowany w precyzyjnych odlewach cynkowych?

Cynk jest materiałem o niskim skurczu, wysokiej płynności, wąskiej tolerancji i dobrym wykończeniu powierzchni, odpowiednim do precyzyjnych części.

Jaka jest minimalna grubość ścianki odlewu cynkowego?

Powszechnie stosowane są miniaturowe komponenty o wymiarach 0,020 cala (0,5 mm), choć zalecane jest również 0,040 cala (1,0 mm).

Jaki jest najlepszy stop cynku do precyzyjnych części?

Najczęściej stosowanym jest Zamak 3, który charakteryzuje się stabilnością wymiarową i takimi samymi właściwościami mechanicznymi.

Czy elementy odlewane ciśnieniowo z cynku mają zastosowanie do gwintów i drobnych detali?

Tak, cynk łatwo akceptuje otwory rdzeniowe, gwinty, podcięcia i złożone projekty przy niewielkiej obróbce.

Czy odlewanie ciśnieniowe cynku w dużych ilościach może być opłacalne?

Tak, jest to bardzo opłacalne ze względu na krótki czas cyklu, długą żywotność matrycy, ograniczoną obróbkę końcową i możliwość recyklingu.