Kas ir metāla liešana?

Metāla liešana, metālapstrādes process, kurā iesaistīts šķidrais metāls un veidne, pastāv jau tūkstošiem gadu.

Metāla liešana savā vēsturē ir izmantota, lai izgatavotu visu, sākot no zobeniem līdz vēja turbīnām, un mūsdienās tā ir viena no vērtīgākajām un daudzpusīgākajām metodēm augstas kvalitātes metāla detaļu izgatavošanai.

Šajā rokasgrāmatā ir apskatīti metāla liešanas pamati, tostarp daudzi tā varianti — liešana spiedienā, liešana ar ieguldīšanu utt. — un visizplatītākie metālliešanas veidi.

Kas ir metāla liešana?

Metāla liešana ir veids liešanas process kas ietver izkausēta šķidra metāla ieliešanu veidnē.

Veidnes iekšpuse ir veidota ar negatīvu iespaidu par izgatavoto daļu, tāpēc, kad izkausētais metāls atdziest un sacietē veidnē, tas iegūst pēdējās daļas formu. Pēc tam gatavo daļu var izņemt no veidnes.

Atkarībā no izgatavotajām detaļām un izmantotajiem metāliem ir dažādas metāla liešanas šķirnes, un katrai no tām ir savas īpašās priekšrocības. Raksti, veidnes un pildīšanas paņēmieni starp šīm šķirnēm var ievērojami atšķirties.

Lai gan metāla liešana ir daudzpusīgs process, uz liešanas daļām attiecas noteikti konstrukcijas ierobežojumi, un inženieriem ir jāņem vērā metāla saraušanās dzesēšanas posmā.

Izpratne par metāla liešanu

Centrālais metāla liešana process ietver metāla karsēšanu, ielešanu veidnē, gaidīšanu, līdz tas atdziest un sacietē, un pēc tam gatavās daļas izņemšanu no veidnes. Patiesībā procesam var būt daudz vairāk posmu, un dažādi metāla liešanas procesi darbojas dažādos veidos.

Tālāk sniegts vienkāršots metāla liešanas procesa pārskats. Ņemiet vērā, ka daži soļi atšķiras dažādiem liešanas variantiem, savukārt daži tiek izlaisti pavisam.

1. Raksta izgatavošana: sākot no paša sākuma, daudzos metāla liešanas procesos ir jāizgatavo raksts, kas ir pēdējās daļas dublikāts, ko izmanto veidnes izgatavošanai. Raksti var būt gan pastāvīgi, gan izlietojami, un tos var izgatavot no tādiem materiāliem kā vasks, koks un plastmasa.

2. Serdes izgatavošana: Dobu detaļu liešanai var būt nepieciešams izveidot serdi, cietu materiāla gabalu, kas ievietots veidnes dobumā, kas veido atlietās daļas iekšējo ģeometriju. (Piemēram, cilindriskā serdeņa lielākā cilindriskā veidnē radīs caurules formas liešanas daļu.)

3. Veidnes izgatavošana: veidnes tiek izgatavotas dažādos veidos atkarībā no procesa. Piemēram, pastāvīgas metāla veidnes var izgatavot, izmantojot CNC mašīnu, savukārt smilšu veidnes tiek izgatavotas, uzklājot smilšu maisījumu uz raksta ārpusi. Veidņu izgatavošanas prakse ir pazīstama kā veidņu izgatavošana, un tā ir specializēta disciplīna.

4. Veidnes iepildīšana: metālu uzkarsē, līdz tas izkūst, pēc tam ielej vai iespiež veidnē. Piemēram, gravitācijas liešanā izkausēto materiālu ielej uz leju dobumā; augstspiediena preslēšanā tas tiek iespiests dobumā ar augstu spiedienu ar lieliem saspiešanas spēkiem, kas nepieciešami, lai veidne būtu droša.

5. Detaļas noņemšana: Kad atlietā daļa ir atdzesēta un sacietējusi, tā tiek izņemta no veidnes. Tādos procesos kā smilšu liešana, tas nozīmē, ka veidne ir jāiznīcina, lai nokļūtu iekšpusē; pastāvīgajām veidnēm abas metāla veidnes puses tiek izvilktas un gatavas atkal lietošanai.

6. Pēcapstrāde. Lietās metāla daļas var būt jātīra, piemēram, lai noņemtu veidnes paliekas, vai citas pēcapstrādes darbības, pirms tās ir gatavas lietošanai.

Metāla liešanas priekšrocības

Ir daudz iemeslu izvēlēties metāla liešanu, nevis citas metālapstrādes iespējas, piemēram, kalšanu vai CNC apstrādi. Dažas no galvenajām metāla liešanas priekšrocībām ir:

• Piemērots masveida ražošanai
• Var ražot milzīgas un smagas detaļas
• Var izgatavot detaļas ar ļoti biezām sienām
• Piemērots lielām viengabala daļām (nevis saliktām detaļām)
• Lieliskas gultņu īpašības
• Ideāli piemērots dažiem viegliem sakausējumiem
• Materiāla daudzpusība

Metāla liešanas ierobežojumi ietver neizbēgamus defektus, ierobežotu izmēru precizitāti (salīdzinot, piemēram, ar CNC apstrādi), darbietilpību un parasti lielus minimālos pasūtījuma daudzumus.

Galvenie metāla liešanas veidi

Liešana spiedienā

Viens no svarīgākajiem metāla liešanas veidiem sarežģītām un detalizētām detaļām, liešana spiedienā kā instrumentu izmanto divas atkārtoti lietojamas instrumentu tērauda presformas. Process ir līdzīgs plastmasas iesmidzināšanai: izkausētais materiāls tiek iespiests dobumā ar augstu spiedienu, kas ļauj inženieriem izgatavot detaļas ar smalkām detaļām.

Pielāgotu presformu izveides izmaksas ir augstas, kas padara šo procesu izplatītāku masveida ražošanā. Tomēr pēc izgatavošanas šīs presformas var izmantot daudzas reizes. Spiediena lējumiem parasti ir lieliska virsmas apdare.

Alumīnija presliešana un magnija liešana tiek plaši izmantota augstas kvalitātes detaļām.

Gravitācijas liešana

Tāpat kā liešana spiedienā, gravitācijas liešana ir metāla liešanas veids, izmantojot atkārtoti lietojamu metāla veidni. Tomēr gravitācijas liešana balstās uz gravitācijas spēkiem, lai šķidro metālu pārvietotu caur veidni no augšas uz leju, nevis uz spiedienu. Pirms pirmās liešanas veidnēm jābūt iepriekš uzkarsētām, un tās bieži tiek izgatavotas no čuguna tā zemā termiskā noguruma dēļ.

Gravitācijas liešana notiek pirms visām citām metāla liešanas metodēm, un gravitācijas liešanas daļas pastāv jau tūkstošiem gadu. Tas ir pastāvīgās veidņu liešanas veids; alternatīvas gravitācijas liešanas procesam ietver gāzes spiedienu un vakuumu.

Investīciju liešana (zaudētā vaska liešana)

Ieguldījumu liešana jeb zaudētā vaska liešana ir metāla liešanas veids, izmantojot izlietojamu rakstu un veidni: abas lietas tiek iznīcinātas liešanas procesā (lai gan izkusušo vasku bieži var izmantot atkārtoti).

Tāpat kā gravitācijas liešana, investīciju liešana ir tūkstošiem gadu veca. Zaudētā vaska liešanas procesa laikā no vaska vai līdzvērtīga materiāla tiek izgatavots raksts — dažreiz ar rokām, dažreiz izmantojot sveķu 3D printeri —, pirms tam, lai izveidotu veidni, ap rakstu tiek izliets ugunsizturīgs materiāls.

Ieguldījums ir keramikas slānis, kas uzklāts ap rakstu, kas pēc tam darbojas kā izkausētā metāla veidne. Šis keramikas slānis tiek noņemts procesā, ko sauc par atdalīšanu.

Smilšu liešana

Smilšu liešana ir vienkārša, gadsimtiem sena metāla liešanas metode, un tā ir lētāka nekā alternatīvas metodes. Tajā kā veidņu materiāls tiek izmantotas smiltis (sajauktas ar savienojošu materiālu, piemēram, mālu), un veidnes spēj izturēt lielu karstumu.

Smilšu liešanas procesā raksts tiek iegremdēts smiltīs, kas atrodas īpašā kastē, ko sauc par kolbu. Blietējot smiltis ap rakstu, var izveidot veidni, kurā var ieliet izkausētu metālu.

Metāla liešanas procesā izmantotās smiltis var būt vai nu zaļas smiltis (slapjš māls), vai gaiss cietas smiltis (sausas smiltis ar līmi).

Citi liešanas procesi

Ražošanā tiek izmantoti vēl vairāki desmiti metāla liešanas procesu, tostarp smilšmāla un čaumalu liešana — gan izlietojamās veidņu procesi, gan pastāvīgos liešanas procesi, piemēram, centrbēdzes liešana un nepārtrauktā liešana.

Liešanas spiediens: augsts vai zems?

Metāla presliešana ir vērtīgs metālapstrādes process, un to var iedalīt vēl divās kategorijās: augstspiediena presliešana un zemspiediena liešana. Pareiza spiediena izvēle ir atkarīga no tādiem faktoriem kā materiāls, sienas biezums un detaļas izmērs.

Augstspiediena liešana ir biežāk izmantota metode nekā zemspiediena liešana, un to izmanto vairāk nekā divas reizes biežāk.

Ideāli piemērots mīkstajiem sakausējumiem, piemēram, alumīnijam un cinkam, augstspiediena liešana ietver šķidrā metāla piespiešanu veidnē ar augstu spiedienu un lielu ātrumu, un ir nepieciešama spēcīga prese, lai veidne būtu aizvērta. Tāpēc process ir dārgāks nekā zemspiediena liešana.

Augstspiediena liešanas priekšrocības:

• Ātra ražošana
• Iespējamas plānas sienas
• Gluda virsmas apdare
• Minimāla saraušanās

Zemspiediena liešana ir lēnāka presliešanas forma, kas saudzīgāk iespiež izkausēto metālu veidnē. Tas ir piemērots sakausējumiem ar zemu kušanas temperatūru. Lai gan tas ir lēnāks nekā augstspiediena liešana, metāla liešanas process zemā spiedienā ir piemērots sarežģītām ģeometrijām un var radīt ļoti spēcīgas detaļas.

Zemspiediena liešanas priekšrocības:

• Spēcīgas daļas
• Sarežģītas ģeometrijas

Liejamie metāli

Liešanas procesam ir piemēroti dažādi metāli. Tomēr Kbear Metal pieņemtie trīs visizplatītākie liešanas materiāli ir alumīnijs, cinks un magnijs.

Alumīnija liešana

Alumīnija liešana ir visizplatītākais alumīnija veidošanas līdzeklis. To izmanto tādu izstrādājumu ražošanai kā rūpnieciskās un automobiļu daļas, piemēram, transmisijas un dzinēji no sakausējumiem, piemēram, A380 un A383.

Ir daži veidi, kā veikt alumīnija liešanu. Alumīnija presliešana ir lieliski piemērots liela apjoma ražošanai, pateicoties tā ātrumam un lieliskajai virsmas apdarei; pastāvīgā veidņu liešana ir piemērota īpaši izturīgām alumīnija detaļām; un smilšu liešana ir piemērota nelielu daudzumu un sarežģītas ģeometrijas alumīnija liešanai.

Neatkarīgi no liešanas procesa, alumīnija liešana veido izturīgas un vieglas detaļas, tāpēc ir ļoti daudzpusīga.

Cinka liešana

Cinka sakausējumi ir populāri, pieejamie un plaši pieejami metāli, kas piemēroti liešanai. Cinka liešana parasti ietver augstspiediena liešanu, nodrošinot augstu ražošanas ātrumu un minimālas pēcapstrādes prasības.

Tā kā cinkam ir augsta liešanas plūstamība, cinka liešana var radīt detaļas ar ļoti plānām sienām un smalkām detaļām. Cinku var arī auksti formēt, lai labāk savienotos.

Ražotāji var izvēlēties starp ZAMAK cinka sakausējumiem vai cinka-alumīnija (ZA) sakausējumiem. Lietā cinka daļās ietilpst automobiļu detaļas, gaisa kondicionēšanas daļas un elektroniskie komponenti.

Magnija liešana

Liešana — īpaši augstspiediena presliešana — ir visizplatītākais metālapstrādes process magnija detaļu izgatavošanai, veidojot aptuveni 98 % no magnija detaļu ražošanas.

Tā kā magnijs ir vieglākais no visiem strukturālajiem metāliem, tas ir ideāli piemērots viegla svara izmantošanai. Citas magnija liešanas priekšrocības ir ļoti plānas sienas, lieliskas detaļas un laba stingrības un svara attiecība.

Nelielos daudzumos magnija daļas var izgatavot arī, izmantojot ģipša lējumu, lai gan magnija presliešana ir vislabākā profesionālai lietošanai.

Secinājums

Nobeigumā metāla liešana ir sen izturēts ražošanas process, kas gadsimtu gaitā ir ievērojami attīstījies, ļaujot ražot plašu produktu klāstu, sākot no sarežģītām mašīnu sastāvdaļām līdz liela mēroga rūpnieciskām struktūrām. Tā daudzpusība un efektivitāte padara to par vēlamo izvēli vairākās nozarēs, tostarp automobiļu, kosmosa un patēriņa preču ražošanā.

Dažādas liešanas metodes — sākot no liešanas spiedienā līdz liešanai ar smiltīm — piedāvā atšķirīgas priekšrocības, kas pielāgotas dažādiem lietojumiem, ļaujot inženieriem sasniegt konkrētus dizainus, pielaides un materiāla īpašības. Neskatoties uz dažiem raksturīgiem ierobežojumiem, piemēram, iespējamiem defektiem un augstām darbaspēka prasībām, metāla liešanas priekšrocības, tostarp masveida ražošanas rentabilitāte un materiālu daudzpusība, turpina nostiprināt tās būtisko lomu mūsdienu ražošanā.

Tā kā ražotāji saskaras ar pieaugošu pieprasījumu pēc sarežģītām ģeometriskām un vieglām sastāvdaļām, inovācijas metāla liešanas procesos, iespējams, pavērs ceļu nepārtrauktiem precizitātes un efektivitātes uzlabojumiem. Izprotot metāla liešanas pamatprincipus un sarežģījumus, nozares profesionāļi var labāk izmantot šo vērtīgo ražošanas paņēmienu, lai izveidotu augstas kvalitātes metāla detaļas, kas atbilst mūsdienu stingriem veiktspējas standartiem.

Atsauces

• Enciklopēdija Britannica. “Metāla liešana.” Britannika
• ASM International. “Liešanas procesi.” ASM.org
• Šmids, H. (2019). Inženiermateriālu ražošanas procesi. Pīrsona izglītība.
• D. F. Pričets. (2012). Liešanas tehnoloģija. Woodhead Publishing.
• Kallisters, V. D., & Rethwisch, D. G. (2018). Materiālzinātne un inženierzinātnes: ievads. Wiley.