Guide di progettazione per la pressofusione di alluminio

Progettare correttamente progetti di pressofusione di alluminio presenta numerose sfide. Anche un piccolo dettaglio progettuale può avere un impatto significativo sui componenti fusi, pertanto ogni dettaglio deve essere progettato secondo principi guida.

Qui elenchiamo diverse considerazioni importanti nella progettazione strutturale della pressofusione di alluminio, insieme alle guide di progettazione consigliate per ciascun fattore, nella speranza di assistervi nella progettazione del vostro prodotto.

I. Selezione del materiale

La progettazione del prodotto può variare notevolmente in base alla scelta del materiale. Ogni lega presenta determinate limitazioni. Ottenere integrità e resistenza ottimali nelle fusioni in alluminio richiede un'attenta progettazione e realizzazione.

A seconda degli elementi metallici utilizzati con l'alluminio, le caratteristiche della lega, come peso, fluidità, resistenza, conduttività e punto di fusione, variano. Tuttavia, non tutte le leghe sono adatte alla pressofusione.

Le leghe di alluminio più comuni che si possono utilizzare per la pressofusione includono:

• A380
• A383 (ADC12)
• A413

Sono disponibili anche molte altre leghe di alluminio. La scelta giusta dipende dalle vostre esigenze specifiche e dai vincoli di budget.

II. Angolo di sformo

L'angolo di sformo è uno dei parametri più importanti nella progettazione di getti in alluminio pressofuso. È la conicità o inclinazione delle anime e delle superfici del pezzo perpendicolari al piano di separazione dello stampo.

I progettisti devono prevedere angoli di sformo adeguati, ove necessario. Senza un angolo di sformo adeguato, il getto sarà difficile da espellere dopo la solidificazione, con il rischio di danneggiare il pezzo o persino lo stampo stesso.

Nel calcolo degli angoli di sformo, considerare i seguenti fattori:

• La maggior parte delle caratteristiche geometriche adotta solitamente angoli di sformo comuni.
• Per le pareti e le superfici interne, l'angolo di spoglia è solitamente il doppio di quello delle pareti esterne.
• I requisiti dell'angolo di sformo possono variare in base al materiale della lega; l'angolo deve essere calcolato in base alla lega di alluminio selezionata.

Se si desidera un angolo di sformo inferiore, è possibile utilizzare tolleranze di precisione. Tuttavia, queste richiedono una lavorazione più precisa e costi più elevati. Pertanto, se non necessario, si raccomanda di evitare tolleranze di precisione.

III. Stampi mobili e fissi

Durante la progettazione, è fondamentale considerare l'accoppiamento tra la matrice mobile (metà espulsore) e la matrice fissa (metà coperchio). Problemi con uno dei due componenti possono compromettere l'alluminio. processo di pressofusioneLa progettazione dello stampo mobile presenta solitamente maggiori difficoltà, poiché ci sono più componenti da considerare, mentre la costruzione dello stampo fisso è relativamente semplice. Quando il materiale viene iniettato nello stampo, il nucleo può scivolare fuori a causa della pressione del materiale in eccesso, dando luogo a getti sovradimensionati, che richiedono attenzione.

La tolleranza dei componenti mobili dello stampo è funzione della tolleranza lineare e della tolleranza dell'area proiettata. In questo caso, la tolleranza lineare si riferisce alla lunghezza della slitta del nucleo, mentre l'area proiettata è la parte superiore della slitta del nucleo rivolta verso il materiale fuso.

Lo spostamento può avvenire lungo una direzione lineare perpendicolare all'area proiettata. Pertanto, idealmente, la tolleranza dei componenti mobili dello stampo dovrebbe essere ridotta al minimo.

A causa della costruzione delle attrezzature per pressofusione, durante la lavorazione è possibile ottenere solo tolleranze ampie o positive.

IV. Linea di separazione

La linea di separazione è il punto in cui le due metà dello stampo si incontrano per formare la struttura completa del prodotto. La linea di separazione è una caratteristica fondamentale del processo di pressofusione e, poiché i progetti di prodotto sono composti da almeno due parti, la sua presenza è inevitabile.

La linea di separazione è il confine netto tra la parte mobile e quella fissa dello stampo. Questo confine serve a distinguere le due parti. La tolleranza della linea di separazione si riferisce alla massima separazione consentita dello stampo per garantire la corretta esecuzione del processo di pressofusione dell'alluminio.

Quando la pressione del materiale cerca di separare le due metà dello stampo, il materiale fuoriesce dalla separazione creata sulla linea di separazione. Questo è noto come difetto di sbavatura nella pressofusione. I pezzi fusi richiedono un ulteriore processo di rifilatura per rimuovere sbavature, canali di colata, punti di iniezione e traboccamenti.

La tolleranza della linea di separazione è una funzione dell'area proiettata dello stampo, che rappresenta la superficie di separazione in cui il materiale fuso si sposta da una metà dello stampo all'altra.

Uno stampo perfettamente chiuso non presenta alcuna separazione tra le sue due metà, quindi la tolleranza dell'area proiettata ha sempre un valore positivo. Il grado di separazione dello stampo dipende dalla pressione nella cavità dello stampo e dalla forza di serraggio utilizzata per tenere insieme le due metà.

Le tolleranze delle linee di separazione possono variare a seconda della lega, delle dimensioni del pezzo e della profondità. Sono disponibili tolleranze standard e di precisione consigliate per le linee di separazione nella pressofusione; tuttavia, se l'area proiettata supera i 300 mm, si prega di consultare il proprio fonditore.

V. Sovrametallo di lavorazione

La tolleranza di lavorazione si riferisce alla quantità di materia prima che può essere rimossa dal prodotto finito parti in pressofusione di alluminioLa superficie di una fusione a pressione può presentare rugosità e deviare geometricamente dal progetto effettivo. Pertanto, dopo il processo di fusione a pressione, è necessaria una lavorazione secondaria per correggere questi errori.

Le migliori proprietà meccaniche e la migliore densità di un getto si trovano solitamente sulla superficie o in prossimità di essa. Ciò significa che durante la lavorazione meccanica, è necessario evitare di rimuovere troppo materiale per non compromettere queste proprietà. Di conseguenza, il sovrametallo di lavorazione deve essere attentamente determinato per garantire che le sezioni a bassa densità non vengano penetrate. Un'asportazione eccessiva di materiale può causare difetti nel prodotto.

Durante la fase di progettazione, è necessario definire sovrametalli di lavorazione specifici per le variabili di lavorazione e fusione. Un sovrametallo di lavorazione troppo piccolo potrebbe non soddisfare i requisiti di qualità superficiale e causare difetti del pezzo. Al contrario, un sovrametallo eccessivamente grande aumenta i tempi di produzione, la manodopera e i costi. Pertanto, determinare il sovrametallo di lavorazione appropriato è fondamentale. Una comunicazione tempestiva con i fornitori di getti può aiutarvi a determinare il sovrametallo corretto. Possiamo fornirvi suggerimenti in base alle vostre esigenze e alle caratteristiche del processo di fusione.

In genere, il sovrametallo minimo raccomandato è di 0.2 mm per ridurre l'usura dell'utensile e minimizzare la porosità del getto. Il sovrametallo massimo è la somma di questo valore minimo e della deformazione del getto. Ciò significa che, nel determinare il sovrametallo, è necessario considerare anche la potenziale deformazione durante il processo di fusione.

Tuttavia, i pezzi piatti e di grandi dimensioni richiedono un'attenzione particolare. In questi casi, è possibile consultare il proprio fonditore per verificare i valori di tolleranza di lavorazione.

VI. Spessore della parete

Nella progettazione del prodotto, è necessario mantenere uno spessore uniforme delle pareti. Il metallo deve fluire uniformemente durante il processo di fusione per riempire ogni parte dello stampo. Se lo spessore delle pareti non è uniforme, il flusso del metallo potrebbe essere ostacolato, con conseguente mancato riempimento di alcune aree. Inoltre, uno spessore uniforme delle pareti facilita un raffreddamento e una solidificazione uniformi, con conseguenti getti di qualità superiore. Pertanto, mantenere uno spessore uniforme delle pareti può migliorare significativamente la qualità e l'integrità del getto.

Se le esigenze progettuali richiedono una modifica dello spessore delle pareti, la transizione dovrebbe essere graduale, introducendo raccordi o raggi, piuttosto che brusca. In questo modo si evita di lasciare spigoli vivi nel progetto.

Nella progettazione del prodotto è opportuno evitare spigoli vivi, poiché influiscono negativamente sullo scorrimento del metallo e causano difficoltà nella sformatura dopo la fusione. Tuttavia, se le pareti si incontrano sulla linea di separazione, è possibile mantenere i bordi invariati, poiché lievi variazioni di spessore delle pareti in questo punto di solito non influiscono in modo significativo sullo scorrimento del metallo o sulla sformatura.

Non esiste uno standard fisso per lo spessore delle pareti nella pressofusione di alluminio, ma in genere si raccomanda di mantenerlo entro un intervallo ragionevole. Lo spessore tipico delle pareti per le fusioni in alluminio pressofuso è compreso tra 2.0 mm e 3.5 mm.

Tuttavia, lo spessore della parete è influenzato anche dal tipo di lega, dalla configurazione del pezzo, dalle dimensioni del pezzo e dall'applicazione della pressofusione. Ad esempio, se le dimensioni della pressofusione sono ridotte, lo spessore della parete può essere ridotto di conseguenza, raggiungendo anche solo 0.7 mm.

Per componenti pressofusi in alluminio troppo piccoli o troppo grandi, potrebbero verificarsi circostanze o requisiti particolari in cui lo spessore delle pareti supera i limiti tipici. In caso di difficoltà con lo spessore delle pareti, è possibile consultare il proprio fornitore di prodotti pressofusi.

Pareti più spesse possono aumentare la rigidità del pezzo. Tuttavia, se sono troppo pesanti, il tempo di raffreddamento si allungherà, ostacolando il processo di solidificazione. Ciò può portare a una scarsa qualità della fusione, se non si adottano misure adeguate.

Le pareti spesse aggiungono anche peso extra al prodotto. Di conseguenza, i progettisti che si concentrano su componenti più leggeri preferiscono pareti sottili. Tuttavia, se le pareti sono troppo sottili, superando un certo limite, la rigidità sarà insufficiente e il componente si deformerà facilmente durante le successive lavorazioni.

I problemi di deformazione possono essere gestiti tramite lavorazioni meccaniche passo-passo. Tuttavia, le pareti sottili nei getti mancano di rigidità e resistenza. L'aggiunta di nervature di rinforzo può migliorare significativamente la rigidità delle pareti sottili, rendendole più stabili.

La moderna tecnologia di pressofusione è sufficientemente avanzata da gestire la maggior parte dei parametri di progettazione critici. Tuttavia, è comunque necessario considerare lo spessore delle pareti se questo influisce sulle prestazioni o sul costo del componente.

VII. Design leggero

La progettazione a nervature e a incavi (scanalature) sono due caratteristiche comuni della progettazione leggera. Queste caratteristiche possono ridurre significativamente la quantità di materiale necessaria per la produzione senza compromettere l'integrità e la resistenza del componente.

La progettazione delle nervature prevede in genere la progettazione di spazi cavi all'interno delle nervature per ridurre l'utilizzo di materiale, rendendo così il componente più leggero. Le sezioni tra le nervature spesso non sono molto utili e possono essere rimosse in sicurezza dal progetto.

Quando si progettano le nervature per le fusioni in alluminio pressofuso, tenere presente i seguenti punti:

• Evitare spigoli vivi sulle nervature: gli spigoli vivi possono causare concentrazione di stress e aumentare il rischio di frattura. Si raccomandano raccordi o raggi, che devono essere il più ampi possibile. Considerare un raggio minimo di 0.06 pollici (1.524 mm).
• Mantenere uno spessore uniforme delle pareti attorno alle nervature: questo garantisce la resistenza e la durata delle nervature in tutte le sezioni. Cercare di mantenere questo spessore vicino ai valori raccomandati.
• Fornire il più ampio angolo di sformo possibile.

La progettazione di nicchie è un'altra tecnica per ridurre il peso del materiale. Poiché la nicchia non deve essere riempita, la quantità di materiale richiesta si riduce. Tuttavia, le nicchie possono talvolta causare ritiri irregolari. Pertanto, i progettisti devono decidere attentamente dove utilizzarle.

Per migliorare la resistenza strutturale di una cavità, è possibile aggiungere delle nervature attorno ad essa. Le nervature aumentano la rigidità della cavità e migliorano il flusso del metallo durante la produzione. Inoltre, riducendo l'utilizzo di metallo si aumenta la velocità di raffreddamento, contribuendo ad accelerare l'intero ciclo produttivo.

La figura seguente mostra l'effetto delle rientranze con e senza nervature in un componente.

VIII. Costole

Le nervature vengono incorporate nei progetti per aumentare la rigidità e la resistenza delle fusioni in alluminio pressofuso. Pertanto, le nervature contribuiscono a produrre getti di alta qualità. Sono spesso utilizzate in combinazione con le aree più deboli (come le pareti sottili) per conferirgli maggiore resistenza.

Le nervature possono spesso fornire maggiore resistenza rispetto a sezioni piene più spesse, poiché queste tendono ad avere maggiore porosità, il che ne riduce la capacità portante strutturale. Tuttavia, un uso eccessivo di nervature può causare una concentrazione di sollecitazioni sui bordi delle nervature.

Le nervature sono solitamente progettate con sezioni cave, note come "progettazioni con incavi a risparmio di metallo". Si tratta di metodi per ridurre l'utilizzo di materiale nelle nervature e ridurre il peso dei componenti.

Le tabelle sottostanti mostrano le dimensioni consigliate delle nervature per scenari e situazioni comuni in cui le nervature non devono essere utilizzate.

IX. Progettazione dei fori e della spaziatura dei bordi

Nelle fusioni in alluminio pressofuso, se un foro è posizionato troppo vicino a un bordo, si crea un punto debole. Per evitare un'eccessiva concentrazione di sollecitazioni in quell'area, è necessario garantire una distanza minima tra il foro e il bordo. Pertanto, è necessario determinare un'adeguata spaziatura tra foro e bordo in base al diametro del foro. Analogamente, è necessario mantenere una distanza netta minima tra due fori adiacenti. Pertanto, è necessario considerare contemporaneamente sia il diametro del foro sia le relative aree di concentrazione delle sollecitazioni.

Mantenere una spaziatura sufficiente è fondamentale per evitare la formazione di sezioni deboli. Se la spaziatura tra un foro e un bordo è insufficiente, è possibile valutare la possibilità di una lavorazione secondaria del foro.

X. Fori e fessure

In termini di difficoltà di progettazione, fori e asole sono solitamente l'ultimo dei problemi. Tuttavia, anche la pressofusione di alluminio più semplice richiede attenzione alla progettazione dettagliata. È necessario garantire la producibilità in fase di progettazione.

Le applicazioni più comuni per fori e fessure sono gli alloggiamenti di varie apparecchiature elettroniche, come computer portatili e calcolatrici. Questi dispositivi richiedono numerosi fori, che possono causare problemi di scorrimento del metallo.

• Anche fori e asole possono rendere difficile la sformatura. Man mano che il pezzo si solidifica e si restringe, il getto può aderire allo stampo. Quando si progettano fori e asole, è possibile seguire questi suggerimenti per risolvere questi problemi:
• Fornire angoli di spoglia sufficienti: dai calcoli di spoglia, si scoprirà che fori e asole richiedono più spoglia di qualsiasi altro componente. Questo perché il perimetro interno di un foro o di una asola è una superficie piana e chiusa.
• Utilizzare caratteristiche simili a ponti: per evitare problemi di flusso del metallo, è possibile utilizzare caratteristiche simili a ponti per garantire un flusso continuo del metallo tra fori e fessure.
• Sostituire le fessure grandi con fori piccoli: se il progetto lo consente, le fessure grandi dovrebbero essere sostituite con una serie di fori piccoli. Le fessure lunghe possono interrompere il flusso del metallo e compromettere l'integrità della fusione.

XI. Filo

Quando si parla di filettatura, ci si riferisce principalmente a filettature esterne ottenute per fusione. Sebbene teoricamente sia possibile realizzare filettature interne, questa tecnica è poco diffusa a causa della complessità di produzione e dei costi.

Le filettature esterne possono essere realizzate utilizzando attrezzature standard per la pressofusione di alluminio, a condizione che siano correttamente allineate con la linea di separazione, oppure utilizzando un semplice meccanismo a scorrimento. Le filettature interne richiedono un meccanismo per ruotare un'anima all'interno dello stampo. Ciò aumenta i costi sia dello stampo che del pezzo. Per velocità di produzione ed efficienza economica, le filettature interne vengono solitamente realizzate tramite lavorazioni secondarie, come la maschiatura. Ciò elimina anche la necessità di rimuovere i trucioli dal foro.

Le attrezzature per la pressofusione di alluminio possono facilmente realizzare filettature. Le filettature per fusione sono in genere limitate a filettature esterne, dove non sono richiesti accoppiamenti di precisione.

Se il componente deve soddisfare requisiti di precisione, consultare il proprio stabilimento di pressofusione. Potrebbe essere necessaria una lavorazione secondaria per ottenere una maggiore precisione. Inoltre, i diametri principali devono rispettare le definizioni di forma della filettatura concordate da entrambe le parti.

Di seguito sono riportate le dimensioni limite per le filettature pressofuse:

Quando si lanciano i fili, tenere presente quanto segue:

• Potrebbero essere necessarie ulteriori operazioni di rifinitura per rimuovere le sbavature formatesi tra i fili.
• Ove possibile, cercate di applicare tolleranze dirette anziché specificare il tipo di filettatura. Questi valori includono tolleranze per componenti mobili dello stampo, linee di divisione e quote lineari.
• Se sono richieste tolleranze di filettatura più rigorose, consultare l'impianto di pressofusione.
• Mantenere la filettatura piatta sulla linea di separazione può semplificare notevolmente il processo di produzione. Una filettatura a diametro intero non è strettamente necessaria. Mantenerla piatta consente lievi spostamenti dello stampo senza compromettere il componente.

Il diagramma seguente mostra la configurazione consigliata per i thread esterni.

XII. Inserti

Un inserto è un pezzo di materiale solido inserito nello stampo che diventa parte integrante della pressofusione di alluminio. Gli inserti vengono utilizzati quando la lega selezionata non può soddisfare i requisiti e il progetto richiede l'integrazione di componenti realizzati in altri materiali con la pressofusione.

Esistono sistemi specializzati per gli inserti nella pressofusione di alluminio. L'inserto viene posizionato all'interno della cavità dello stampo e l'alluminio fuso scorre attorno ad esso per completare la fusione.

Potrebbe essere necessario includere inserti filettati nel progetto quando:

• I punti di appoggio sono soggetti a usura.
• Le filettature sono soggette a usura eccessiva a causa del frequente smontaggio e montaggio degli elementi di fissaggio.
• Per sopportare carichi concentrati sono necessarie filettature con maggiore resistenza alla trazione.

La pressofusione con inserti è più costosa della fusione tradizionale e la complessità dell'impostazione degli inserti incide sui costi di produzione.

Suggerimenti per gli inserti:

• Definire chiaramente tutte le specifiche tecniche necessarie con il produttore dello stampo. A causa degli spazi liberi nello stampo, gli inserti richiedono spesso tolleranze più rigorose. Richiedere l'accordo del produttore per garantire che le tolleranze degli inserti siano sufficienti.
• Se il cliente fornisce gli inserti, è opportuno discuterne con il produttore per assicurarsi che rientrino nell'intervallo di tolleranza raccomandato. Inserti con tolleranze non corrette possono danneggiare gravemente lo stampo.
• Analizzare le sollecitazioni causate dall'inserto per garantire che non influiscano sulle prestazioni del prodotto a lungo termine.
• Modellare l'inserto secondo necessità per garantire un ancoraggio sufficiente alle condizioni di carico previste, garantendo sicurezza e stabilità strutturale.
• Evitare angoli acuti e altre caratteristiche che potrebbero causare concentrazione di stress nel pezzo.

XIII. Progettazione di scanalature e fessure

Una fessura è un foro lungo che può avere o meno estremità arrotondate. Si trova principalmente in componenti in alluminio rettangolari piatti. La sua lunghezza è solitamente limitata. Una fessura è sempre una caratteristica "passante", il che significa che penetra completamente il componente. A seconda della lunghezza e della forma, le fessure possono essere a doppia faccia, a lunghezza limitata, a faccia singola o semicircolari.

Le scanalature possono avere forme e dimensioni diverse, come cave a T, scanalature a coda di rondine, scanalature rettangolari, scanalature a fondo piatto, scanalature a V e scanalature ad arco circolare. Di solito vengono tagliate lungo i bordi e utilizzate per montare componenti realizzati in altri materiali.

Nella progettazione, le fessure e le scanalature servono come elementi di serraggio per altri componenti o forniscono aperture per il passaggio di parti come interruttori e leve.

Suggerimenti per la progettazione di fessure e scanalature:

• Ricordatevi che possono bloccare o passare attraverso altri componenti.
• Evitare di posizionare le tacche troppo vicine tra loro, poiché potrebbero compromettere l'integrità del pezzo e causare problemi di produzione.
• Non lasciare spigoli vivi nelle scanalature rettangolari/a fondo piatto. Arrotondare il più possibile tutti i bordi interni ed esterni per ridurre al minimo i costi di placcatura e i potenziali difetti. Per lo stesso motivo, anche i bordi delle scanalature a V dovrebbero essere arrotondati.

XIV. Spigoli vivi

Gli spigoli vivi sono indesiderati nella pressofusione di alluminio. Creano punti caldi nel getto dove si concentrano le tensioni dovute al ritiro da solidificazione. Questo rende gli angoli soggetti a difetti. Inoltre, il rivestimento degli spigoli vivi è difficile.

Di conseguenza, i progettisti tendono ad arrotondare tutti gli angoli acuti, anche con un raggio minimo. Applicare raccordi, raggi o smussi a tutti gli angoli acuti interni ed esterni.

Un altro problema dei bordi interni affilati è che aumentano significativamente i costi degli stampi. I costi di lavorazione sono elevati e aumentano notevolmente con requisiti di precisione più elevati.

Un bordo perfettamente affilato è possibile per i bordi esterni, ma è quasi impossibile per quelli interni. Anche con gli utensili più precisi, i bordi interni avranno sempre un raggio minimo.

È possibile applicare bordi taglienti lungo la linea di separazione per garantire che le due metà dello stampo si chiudano perfettamente. In caso contrario, cercare di ridurre al minimo i bordi taglienti.

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