Turnare metalică, un proces de prelucrare a metalelor care implică metal lichid și o matriță, există de mii de ani.
De-a lungul istoriei sale, turnarea metalului a fost folosită pentru a face orice, de la săbii la turbine eoliene, iar astăzi este una dintre cele mai valoroase și versatile metode de fabricare a pieselor metalice de înaltă calitate.
Acest ghid analizează elementele de bază ale turnării metalului, inclusiv numeroasele sale variante — turnare sub presiune, turnare prin investiții etc. — și cele mai comune metale de turnare.
Ce este turnarea metalelor?
Turnare metalică este un tip de procesul de turnare care presupune turnarea metalului lichid topit într-o matriță.
Interiorul matriței este proiectat cu o impresie negativă a piesei realizate, astfel încât atunci când metalul topit se răcește și se solidifică în matriță, acesta ia forma piesei finale. Piesa finită poate fi apoi îndepărtată din matriță.
În funcție de piesele realizate și de metalele utilizate, există diferite soiuri de turnare a metalelor, fiecare cu propriile avantaje specifice. Modelele, matrițele și tehnicile de umplere pot varia foarte mult între aceste soiuri.
Deși turnarea metalului este un proces versatil, piesele turnate sunt supuse anumitor constrângeri de proiectare, iar inginerii trebuie să țină cont de contracția metalului în timpul etapei de răcire.
Înțelegerea turnării metalelor
Centrala turnare metalică procesul presupune încălzirea unui metal, turnarea acestuia într-o matriță, așteptarea ca acesta să se răcească și să se solidifice, apoi îndepărtarea piesei finite din matriță. În realitate, pot exista multe mai multe etape ale procesului, iar diferitele procese de turnare a metalului funcționează în moduri diferite.
Următoarea este o prezentare simplificată a procesului de turnare a metalului. Rețineți că unii pași variază pentru diferite variante de turnare, în timp ce unii sunt omisi cu totul.
1. Realizarea modelului: Începând de la început, multe procese de turnare a metalelor necesită fabricarea unui model, un duplicat al piesei finale care este folosită la realizarea matriței. Modelele pot fi fie permanente, fie neutilizabile și pot fi realizate din materiale precum ceara, lemnul și plasticul.
2. Realizarea miezului: Pentru turnarea pieselor goale, poate fi necesară proiectarea unui miez, o bucată solidă de material plasată în interiorul cavității matriței care modelează geometria interioară a unei piese turnate. (De exemplu, un miez cilindric într-o matriță cilindrice mai mare va produce o piesă turnată în formă de tub.)
3. Realizarea matriței: matrițele sunt realizate în moduri diferite în funcție de proces. De exemplu, matrițele metalice permanente pot fi realizate folosind o mașină CNC, în timp ce matrițele de nisip sunt realizate prin aplicarea unui amestec de nisip pe exteriorul unui model. Practica fabricării matrițelor este cunoscută sub numele de fabricare a matrițelor și este o disciplină de specialitate.
4. Umplerea matriței: Metalul este încălzit până se topește, apoi turnat sau forțat în matriță. În turnarea gravitațională, de exemplu, materialul topit este turnat în jos în cavitate; în turnarea sub presiune de înaltă presiune, este forțat în cavitate la presiune ridicată, fiind necesare forțe mari de strângere pentru a menține matrița în siguranță.
5. Scoaterea piesei: Odată ce piesa turnată este răcită și solidificată, aceasta este scoasă din matriță. Pentru procese precum turnarea cu nisip, aceasta înseamnă că matrița trebuie distrusă pentru a ajunge la piesa din interior; pentru matrițe permanente, cele două jumătăți ale matriței metalice sunt desfăcute și gata de utilizare din nou.
6. Post-procesare: Piesele metalice turnate pot necesita curățare – pentru a îndepărta resturile de matriță, de exemplu – sau alte etape de post-procesare înainte de a fi gata de utilizare.
Avantajele turnării metalelor
Există numeroase motive pentru a alege turnarea metalului față de alte opțiuni de prelucrare a metalelor, cum ar fi forjarea sau prelucrarea CNC. Unele dintre beneficiile cheie ale turnării metalelor includ:
- Potrivit pentru producția de masă
- Poate produce piese uriașe și grele
- Poate produce piese cu pereți foarte groși
- Potrivit pentru piese mari dintr-o singură bucată (mai degrabă decât componente asamblate)
- Calități excelente ale rulmentului
- Ideal pentru unele aliaje usoare
- Versatilitate materială
Limitările turnării metalelor includ defecte inevitabile, precizie dimensională limitată (comparativ cu, de exemplu, prelucrarea CNC), intensitatea forței de muncă și, de obicei, cantități minime mari de comandă.
Principalele tipuri de turnare a metalelor
Turnare sub presiune
Unul dintre cele mai importante tipuri de turnare de metal pentru piese complicate și detaliate, turnare sub presiune folosește ca scule două matrițe reutilizabile din oțel pentru scule. Procesul este similar cu turnarea prin injecție a plasticului: materialul topit este forțat în cavitate la presiune ridicată, ceea ce permite inginerilor să realizeze piese cu detalii fine.
Costul creării matrițelor personalizate este mare, ceea ce face procesul mai comun în producția de masă. Odată fabricate, totuși, aceste matrițe pot fi folosite de mai multe ori. Piesele turnate sub presiune tind să aibă un finisaj excelent al suprafeței.
Turnarea sub presiune a aluminiului și turnarea sub presiune cu magneziu sunt ambele utilizate pe scară largă pentru piese de înaltă calitate.
Turnare gravitațională
La fel ca turnarea sub presiune, turnarea gravitațională este o modalitate de turnare a metalului folosind o matriță metalică reutilizabilă. Cu toate acestea, turnarea gravitațională se bazează pe forțele gravitaționale pentru a muta metalul lichid prin matriță, de sus în jos, mai degrabă decât pe presiune. Formele trebuie preîncălzite înainte de prima turnare și sunt adesea realizate din fontă datorită oboselii termice scăzute.
Turnarea gravitațională este anterioară tuturor celorlalte tehnici de turnare a metalelor, piesele turnate gravitaționale există de milenii. Este o formă de turnare permanentă a matriței; alternativele la procesul de turnare gravitațională includ presiunea gazului și vidul.
Turnare cu investiții (turnare cu ceară pierdută)
Turnarea cu investiții sau turnarea cu ceară pierdută este o modalitate de turnare a metalului folosind un model și o matriță consumabile: ambele articole sunt distruse în timpul procesului de turnare (deși ceara topită poate fi adesea reutilizată).
La fel ca turnarea gravitațională, turnarea cu investiții are mii de ani. În timpul procesului de turnare cu ceară pierdută, un model este realizat din ceară sau dintr-un material echivalent - uneori manual, alteori folosind o imprimantă 3D din rășină - înainte ca un material refractar să fie turnat în jurul modelului pentru a face matrița.
Investiția este stratul ceramic aplicat în jurul modelului care apoi funcționează ca matriță pentru metalul topit. Acest strat ceramic este îndepărtat printr-un proces numit dezvestire.
Turnare cu nisip
Turnarea cu nisip este o metodă simplă, veche de secole de turnare a metalului și este mai accesibilă decât tehnicile alternative. Utilizează nisip (amestecat cu un material de lipire precum argila) ca material de matriță, iar matrițele sunt capabile să reziste la căldură ridicată.
În procesul de turnare cu nisip, un model este scufundat în nisip conținut într-o cutie specială numită balon. Prin compactarea nisipului în jurul modelului, se poate realiza o matriță în care poate fi turnat metalul topit.
Nisipul folosit în procesul de turnare a metalului poate fi fie nisip verde (argilă umedă), fie nisip întărit cu aer (nisip uscat cu adeziv).
Alte procese de turnare
Există mai multe zeci de procese de turnare a metalelor utilizate în producție, inclusiv turnarea în lut și turnarea în carcasă - ambele procese de turnare consumabile - și procese permanente de turnare, cum ar fi turnarea centrifugă și turnarea continuă.
Presiune de turnare: mare sau scăzută?
Turnare metal sub presiune este un proces valoros de prelucrare a metalelor și poate fi împărțit în alte două categorii: turnare sub presiune înaltă și turnare sub presiune joasă. Alegerea presiunii potrivite depinde de factori precum materialul, grosimea peretelui și dimensiunea piesei.
Turnarea sub presiune înaltă este o tehnică mai comună decât turnarea sub presiune joasă și este folosită de mai mult de două ori mai des.
Ideal pentru aliaje moi, cum ar fi aluminiul și zincul, turnarea sub presiune de înaltă presiune implică forțarea metalului lichid în matriță la presiune mare și viteză mare, necesitând o presă puternică pentru a menține matrița închisă. Prin urmare, procesul este mai costisitor decât turnarea sub presiune joasă.
Avantajele turnării sub presiune înaltă:
- Producție rapidă
- Posibil pereți subțiri
- Finisaj neted al suprafeței
- Contracție minimă
Turnarea sub presiune joasă este o formă mai lentă de turnare sub presiune care forțează metalul topit în matriță mai ușor. Este potrivit pentru aliaje cu puncte de topire scăzute. Deși mai lent decât turnarea sub presiune înaltă, procesul de turnare a metalului la presiune joasă este potrivit pentru geometrii complexe și poate produce piese foarte rezistente.
Avantajele turnării sub presiune joasă:
- Părți puternice
- Geometrii complexe
Metale turnabile
O varietate de metale sunt potrivite pentru procesul de turnare. Cu toate acestea, cele mai comune trei materiale de turnare acceptate de Kbear Metal sunt aluminiul, zincul și magneziul.
Turnare din aluminiu
Turnarea aluminiului este cel mai răspândit mijloc de formare a aluminiului. Este folosit pentru fabricarea de articole precum piese industriale și auto, cum ar fi transmisii și motoare, din aliaje precum A380 și A383.
Există câteva moduri de a efectua turnarea aluminiului. Turnare sub presiune din aluminiu este excelent pentru producția de volum mare datorită vitezei și finisajului excelent al suprafeței; turnarea permanentă a matriței este potrivită pentru piesele din aluminiu extra-rezistente; iar turnarea cu nisip este potrivită pentru turnarea aluminiului în cantități mici și geometrii complicate.
Indiferent de procesul de turnare, turnarea aluminiului face piese puternice și ușoare și, prin urmare, este foarte versatil.
Turnare de zinc
Aliajele de zinc sunt metale populare, accesibile și disponibile pe scară largă, potrivite pentru turnare. Turnarea zincului implică de obicei turnarea sub presiune înaltă, permițând rate de producție ridicate și cerințe minime de post-procesare.
Datorită fluidității ridicate de turnare a zincului, turnarea zincului poate duce la piese cu pereți foarte subțiri și detalii fine. Zincul poate fi, de asemenea, format la rece pentru o îmbinare mai bună.
Producătorii pot alege între aliajele de zinc ZAMAK sau aliajele de zinc-aluminiu (ZA). Piesele din zinc turnat includ componente auto, piese de aer condiționat și componente electronice.
Turnare de magneziu
Turnarea – în special turnarea sub presiune înaltă – este de departe cel mai comun proces de prelucrare a metalelor pentru fabricarea pieselor din magneziu, reprezentând aproximativ 98% din producția de piese din magneziu.
Deoarece magneziul este cel mai ușor dintre toate metalele structurale, este ideal pentru aplicații de uşoare. Alte avantaje ale turnării cu magneziu includ pereți foarte subțiri, detalii excelente și un raport bun rigiditate-greutate.
În cantități mici, piesele din magneziu pot fi realizate și folosind turnarea în ipsos, deși turnarea sub presiune cu magneziu este cea mai bună pentru aplicații profesionale.
Concluzie
În concluzie, turnare metalică este un proces de fabricație care a evoluat semnificativ de-a lungul secolelor, permițând producerea unei game largi de produse, de la componente complexe ale mașinilor până la structuri industriale la scară largă. Versatilitatea și eficiența sa îl fac o alegere preferată în mai multe industrii, inclusiv auto, aerospațial și bunuri de larg consum.
Diferitele tehnici de turnare - de la turnarea sub presiune la turnarea pe nisip - oferă avantaje distincte adaptate diferitelor aplicații, permițând inginerilor să realizeze designuri, toleranțe și proprietăți ale materialelor specifice. În ciuda unor limitări inerente, cum ar fi defecte potențiale și cerințe mari de muncă, beneficiile turnării metalelor, inclusiv rentabilitatea pentru producția de masă și versatilitatea materialelor, continuă să-și consolideze rolul esențial în producția modernă.
Pe măsură ce producătorii se confruntă cu o cerere din ce în ce mai mare pentru geometrii complexe și componente ușoare, inovațiile din procesele de turnare a metalelor vor deschide probabil calea pentru îmbunătățiri continue ale preciziei și eficienței. Înțelegând fundamentele și complexitățile turnării metalelor, profesioniștii din industrie pot folosi mai bine această tehnică de producție valoroasă pentru a crea piese metalice de înaltă calitate, care îndeplinesc standardele riguroase de performanță actuale.
Referințe
- Enciclopedia Britannica. “Turnarea metalelor.” Britannica
- ASM International. “Procese de turnare.” ASM.org
- Schmid, H. (2019). Procese de fabricație pentru materiale de inginerie. Pearson Education.
- D. F. Pritchett. (2012). Tehnologia turnătorii. Editura Woodhead.
- Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2018). Știința și ingineria materialelor: o introducere. Wiley.
