Технологические методы точного литья
Точность переноса фактуры, геометрии и мелких элементов определяется способом формообразования и свойствами материала оснастки. При литье по выплавляемым моделям и в эластичные формы поверхность рабочей полости копирует эталон без значительных промежуточных операций. Передачу микрорельефа с минимальными отклонениями обеспечивают технологии точного литья, в которых форма снимается с модели с сохранением мелкой структуры поверхности.
Литье по выплавляемым моделям применяют для тонкостенных металлических отливок, литье в эластичные формы — для полимерных и легкоплавких материалов. Различие состоит в теплопроводности формы, давлении заполнения и характере усадки. При выборе технологии для полимерных изделий часто сопоставляют два направления: 3d печать и литьё пластмассы.
Литье по выплавляемым моделям и передача тонкостенных элементов
Процесс начинается с восковой модели, на которую наносят керамическую суспензию. После сушки и обжига воск удаляют, а оболочку прокаливают при температуре 650–1050 °C. Металл заливают в нагретую оболочку, что снижает преждевременное охлаждение расплава. Толщина заполняемых элементов может составлять от 0,5 мм. Мелкие рёбра, надписи и фактура воспроизводятся, поскольку керамическая поверхность повторяет поверхность восковой модели с детализацией до зерна.
Литье в эластичные формы и воспроизведение фактуры
Эластичные формы из силиконов и полиуретанов используют для полимерных смол и легкоплавких сплавов. Мягкая форма снимает с эталона микрорельеф с глубиной от 5–10 мкм. Твёрдость эластомера обычно составляет 20–50 единиц по Шору A, что позволяет извлекать отливку с обратными уклонами без повреждения фактуры. Теплопроводность таких материалов ниже, чем у металлических форм, поэтому расплав дольше сохраняет текучесть, но размерная стабильность ограничена усадкой эластомера 0,1–0,3 %.
Параметры процесса, влияющие на детализацию
Давление, температура и скорость заполнения
Передача мелких элементов зависит от давления, температуры расплава и скорости движения фронта. При литье алюминиевых сплавов под давлением пиковое давление составляет 50–150 МПа, скорость потока достигает 30–60 м/с. Температура расплава алюминия поддерживается в диапазоне 660–720 °C. Повышение температуры снижает вязкость и удлиняет путь заполнения, но избыточный перегрев увеличивает газонасыщение и усадку. Давление компенсирует потерю текучести в тонких сечениях. Слишком высокая скорость потока приводит к турбулентности, захвату воздуха и размыву поверхности формы.
Вентиляция формы и газоотвод
При заполнении полости воздух и газы от разложения разделительных покрытий должны покидать форму. По плоскости разъёма и в зонах последнего заполнения выполняют вентиляционные каналы. Глубина каналов для алюминиевых сплавов обычно составляет 0,05–0,15 мм, ширина — 5–20 мм. Недостаточная вентиляция создаёт противодавление в тонких полостях, из-за чего фронт расплава останавливается и не заполняет элементы фактуры. Расположение каналов у глубоких узких полостей снижает вероятность недоливов и газовых раковин.
Геометрия, усадка и допуски
Компенсация усадки при проектировании формы
При охлаждении и затвердевании металл уменьшается в объёме. Линейная усадка алюминиевых сплавов составляет 1,0–1,2 %, цинковых — 1,1–1,3 %, углеродистых и нержавеющих сталей — 2,0–2,5 %. Форму проектируют с поправкой: размер полости увеличивают на коэффициент усадки. Для неравномерной геометрии усадка может быть анизотропной, поэтому на толстостенных участках задают дополнительный припуск. Компенсация выполняется по формуле Lф = Lд / (1 − S/100), где Lф — размер полости, Lд — требуемый размер отливки, S — усадка в процентах.
Допустимые отклонения и контроль размеров
Достижимые отклонения зависят от метода литья и толщины стенки. Для мелких отливок, полученных литьём по выплавляемым моделям, допуски оценивают по классам точности CT4–CT6 стандарта ISO 8062-3. Литьё под давлением в металлические формы обеспечивает отклонения в пределах ±0,05–0,1 мм для элементов длиной до 25 мм. Контроль размеров выполняют координатными измерениями и калибрами. Сравнение фактической геометрии с чертежом выявляет систематическую усадку и локальные деформации.
Дефекты микрорельефа и способы их снижения
Холодные спаи, недоливы и газовые раковины
Холодный спай образуется, когда два потока расплава встречаются после частичного охлаждения и не свариваются. Недолив возникает при остановке фронта до полного заполнения тонкого сечения. Газовые раковины появляются при захвате воздуха или выделении газов из покрытия. Эти дефекты искажают микрорельеф, снижают чёткость мелких элементов и создают разрывы поверхности. Вероятность дефектов уменьшают повышением температуры формы до 150–300 °C, оптимизацией места ввода литника, увеличением сечения вентиляции и дегазацией расплава.
Подготовка модельной поверхности и отделка формы
Качество отливки не может превышать качество поверхности модели. Исходную модель шлифуют и полируют, устраняют царапины, поры и следы обработки. Для металлических форм рабочую поверхность доводят до шероховатости Ra 0,4–0,8 мкм. Для эластичных форм поверхность модельного эталона подготавливают до Ra 0,2–0,4 мкм. Нанесение разделительных составов должно быть равномерным: избыток покрытия заполняет мелкие углубления фактуры и округляет острые кромки. После снятия формы её рабочую полость очищают от остатков модельного материала.
Методы контроля точности
3D-сканирование и сравнение с эталоном
Геометрию отливки проверяют бесконтактными сканерами с точностью 0,02–0,05 мм. Полученное облако точек совмещают с CAD-моделью эталона. Программа строит карту отклонений и выделяет зоны с превышением допуска. Метод позволяет оценить усадку на разных участках, деформацию тонких стенок и смещение плоскостей разъёма. Для контроля мелких элементов применяют структурированное освещение или лазерную триангуляцию с разрешением до 10–20 мкм.
Контроль шероховатости и микрорельефа
Шероховатость измеряют контактным профилометром по параметрам Ra и Rz. Отливки, полученные по выплавляемым моделям, имеют типичную шероховатость Ra 1,6–3,2 мкм, литьё под давлением в металлические формы — 0,8–1,6 мкм после полировки полости. Для проверки фактуры используют оптический профилометр и сравнение с эталонным образцом. Глубину микрорельефа оценивают по нескольким контрольным точкам. Отклонение глубины более 10–15 % от эталона указывает на износ формы или нарушение параметров заполнения.