Специальные способы литья

7. Специальные способы литья

Точность геометрических размеров, шероховатость по­верхности отливок, полученных в песчаных формах, во многих слу­чаях не удовлетворяет требованиям современной техники. Поэтому широко используются специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давле­нием, центробежное и другие, позволяющие получать отливки по­вышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, мини­мальными припусками на механическую обработку, а иногда пол­ностью исключающие ее, обеспечивают высокую производительность труда и т. д.

7.1. Литье в оболочковые формы

Оболочковые формы (разъемные, тонкостенные), изготов­ляют следующим образом: металлическую модельную плиту 1, на­гретую до температуры 200—250 °С, закрепляют на опрокидываю­щем бункере 2 (рис. 1, а) с формовочной смесью 3 и поворачивают его на 180° (рис. 1, б). Формовочная смесь, состоящая из мелко­зернистого кварцевого песка (93—96 %) и термореактивной смолы ПК-104 (4—7 %), насыпается на модельную плиту и выдерживается 10—30 с. От теплоты модельной плиты термореактивная смола в по­граничном слое переходит в жидкое состояние, склеивает песчинки с образованием песчано-смоляной оболочки 4 толщиной 5—20 мм в зависимости от времени выдержки. Бункер возвращается в исход­ное положение (рис. 1, в), излишки формовочной смеси ссыпаются на дно бункера, а модельная плита с полутвердой оболочкой 4 сни­мается с бункера и нагревается в печи при температуре 300—350 °С в течение 1—1,5 мин, при этом термореактивная смола переходит в твердое необратимое состояние. Твердая оболочка снимается с мо­дели специальными толкателями 5 (рис. 1, г). Аналогично изготов­ляют и вторую полуформу.

Готовые оболочковые полуформы склеивают быстротвердеющим клеем на специальных прессах, предварительно установив в них ли­тейные стержни, или скрепляют скобами. Кроме оболочковых форм этим способом изготовляют оболочковые стержни, используя нагреваемые стержневые ящики.

Рекомендуемые материалы

Оболочковые формы и стержни изготов­ляют на одно- и многопозиционных автоматических машинах и авто­матических линиях.

Заливка форм производится в вертикальном или горизонтальном положении. При заливке в вертикальном положении литейные формы 6 помещают в опоки-контейнеры 7 и засыпают кварцевым пес­ком или металлической дробью 8 (рис. 1, д) для предохранения от преждевременного разрушения оболочки при заливке расплава.

Выбивку отливок проводят на специальных выбивных или вибра­ционных установках. При очистке отливок удаляют заусенцы, зачи­щают на шлифовальных кругах места подвода питателей и затем их подвергают дробеструйной обработке.

Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометриче­скую точность отливок, так как формовочная смесь, обладая высокой подвижностью, дает возможность получать четкий отпечаток модели. Точность отпечатка не нарушается потому, что оболочка снимается с модели без расталкивания. Повышенная точность формы позволяет в 2 раза снизить припуски на механическую обработку отливок. Применяя мелкозернистый кварцевый песок для форм, можно сни­зить шероховатость поверхности отливок. Высокая прочность обо­лочек позволяет изготовлять формы тонкостенными, что значительно сокращает расход формовочных материалов и т. д. В оболочковых формах изготовляют отливки с толщиной стенки 3—15 мм и массой 0,25—100 кг для автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин из чугуна, углеродистых сталей, сплавов цветных металлов.

     Литье по выплвляемым  моделям  и   сущность метода.          

     Литье в формы, полученные по выплавляемым моделям, с давних времен применяли для получения литых скульптур, украшений и т. д.

     В промышленности для изготовления деталей машин и приборов этот прогрессивный способ получает все более широкое применение. Сущность способа состоит в том, что детали получают заливкой в неразъемные тонкостенные керамические формы, изготовленные с помощью моделей из легко плавящихся  составов. Применение таких форм позволяет получать сложные по форме отливки из любых сплавов с повышенной точностью по размерам и частоте поверхности. Этот способ часто называют способом точного литья.

Модельные составы.  Для изготовления моделей применяют различные легкоплавкие составы, например, ПС 50-50, который состоит из 50 % парафина и 50 % стеарина с температурой плавления около 55 градусов и хорошей жидкотекучестью.

Недостаток такого сплава в том, что он начинает размягчаться при 30…35 градусах.

ПСБ и ПЦТ в модельные составы обладают высокой прочностью и теплостойкостью, применяются в виде паст, что уменьшает время затвердевания моделей в пресс-формах. Однако повышенная вязкость требует увеличения мощности установок при их приготовлении и увеличения давления запрессовки модельного состава в пресс-формы.

Четырехкомпонентные составы Р-3 обладают высокой прочностью и теплостойкостью.

Модельные составы ПСЭ и ПЦЭ, содержащие до 15% этилцеллюлозы, имеют повышенную температуру размягчения, прочность в 1,5-2 раза выше по сравнению с прочностью составов ПС. Составы с этилцеллюлозой склонны к утяжинам, особенно в массивных частях модели. Модельные составы применяют в жидком состоянии и в виде пасты для тонкостенных, крупных моделей.

 Изготовление моделей в массовом и крупносерийном производстве осуществляют запрессовкой состава, подогретого до пастообразного состояния, в стальные пресс-формы под давлением 3-5 ат.

На рисунке приведена схема устройства десятипозиционного автомата карусельного типа.

На каждой позиции вращающегося стола 1 расположены прессовочные устройства: разборные пресс-формы 3 со шприцами для запрессовки 4 и пневмоцилиндрами 2 для сборки и разборки пресс-форм. На позиции первой модельный состав запрессовывают в форму, на позициях со второй по седьмую происходит охлаждение пресс-форм. На позиции восьмой пресс-форма открывается и модель 5 сбрасывается толкателями в водяной конвейер 6. На позиции девятой происходит подготовка пресс-формы к следующему циклу работы. Литниковый канал прочищают иглой, приводимой в движение пневмоцилиндром 7. Пресс-форму продувают сжатым воздухом и смазывают тонким слоем трансформаторного масла форсункой 8. На десятой позиции пресс-форма закрывается. Для изготовления моделей мелких деталей используют многоместные пресс-формы, в которых получают не отдельные модели, а звенья из нескольких моделей, что значительно упрощает их сборку в много модельные блоки.

рис 1

а - отливка

б - пресс-форма

в - электропечь для расплавления легкоплавкого сплава

г - пресс-форма, заполненная легкоплавким сплавом

д - легкоплавкая модель

е - легкоплавкие модели с литниковой системой

ж – легкоплавкие модели, покрытые слоем огнеупорного материала

з – заформованные легкоплавкие модели 

В серийном производстве, где часто меняют номенклатуру деталей, вместо стальных применяют пресс-формы из алюминиевых сплавов, а так же более дешевые, но не долговечные пресс-формы из пластмасс, гипса и других материалов. Запрессовку модельных составов производят на пневматических, рычажных и других прессах или вручную.

Монтаж блоков моделей.

Мелкие модели собирают в блоки, приклеивая или припаивая их электропаяльниками к общей литниковой системе рис 2.

Это дает значительную экономию металла и облегчает последующие операции изготовления керамических форм. В механизированных и автоматизированных цехах блоки из моделей собирают на специальных приспособлениях (металлических стояках-каркасах), что обеспечивает плотное соединение моделей без припаивания.

рис 2

Формирование керамической оболочки на блоках.

Тонкая керамическая оболочка должна иметь высокую прочность и огнеупорность, хорошую податливость и газопроницаемость, обеспечивать высокую частоту поверхности отливок. Оболочка общей толщиной до 5-6 мм состоит из  трех-восьми последовательно наносимых слоев. Для образования каждого слоя модель погружают в жидкую суспензию, затем обсыпают песком и сушат. Суспензия состоит из связующего – гидролизированного раствора этил силиката (70%), содержащего 40-50% оксида кремния и пылевидного кварца (30%).

Разработаны и другие связующие, например, растворы с низким содержанием оксида кремния и добавками поверхностно-активных веществ. Применение жидко стекольных суспензий ухудшает качество поверхности отливок. Для первого слоя целесообразно применять мелкозернистый песок, для последующих слоев – крупнозернистый с целью повышения газопроницаемости оболочки и снижения стоимости материала. В обычном кварцевом песке при прокаливании происходят полиморфные превращения, что может привести к образованию трещин и деформации оболочки. Значительно более качественным в этом отношении являются плавленый кварц, корунд и другие материалы.

Сушку проводят на воздухе после нанесения каждого слоя в течение 2-4 часов. Её можно ускорить, используя пары аммиака. При сушке в псевдокипящем слое силикагеля её продолжительность резко сокращается (до 3-5 минут) при одновременном улучшении качества оболочек. Окончательное затвердевание оболочек происходит при прокаливании.

Выплавление моделей из керамических форм производят различными способами. Легкоплавкие парафина-стеариновые составы обычно удаляют в ваннах с горячей водой. Этот способ технически прост и обеспечивает возврат модельного состава до 90-95%. Его недостаток состоит в том, что при увеличении продолжительности пребывания в воде понижается прочность оболочек на этилсиликатном связующем.

Более тугоплавкие модельные составы выплавляют горячим воздухом, иногда паром.

Эффективным является новый способ удаления моделей в высококипящих жидкостях, например, полигликолях при 200-250 градусах. При этом не только значительно сокращается время выплавки, но и улучшается качество оболочки.

Формовку оболочек проводят для упрочнения, чтобы не происходило их деформирования и разрушения при заливке. Для этого оболочковые формы устанавливают в опоки или в жакеты и засыпают песком или другими формовочными материалами, уплотняя их на вибростолах, для этой же цели можно использовать жидкие самотвердеющие смеси.

Прокаливание оболочковых форм до 900-1000 градусов проводят для удаления остатков модельных составов, газотворных веществ из материала оболочки, завершения процессов её твердения. Кроме того, нагревание формы обеспечивает лучшее заполнение при заливке.

Заливка, выбивка и очистка отливок.

Заливку обычно проводят в горячие формы сразу же после их прокаливания. С повышением температуры нагрева формы до 1200-1250 градусов во многих случаях уменьшается усадочная пористость и повышается качество отливок. Заливку особо ответственных изделий ведут с применением фильтров.

Керамическая оболочка легко отслаивается и удаляется при выбивки опок на вибрационных решетках. Остатки оболочки, в частности в полостях и отверстиях, удаляют кипячением отливок в щелочных растворах с последующей промывкой горячей водой.

На ряде отечественных заводов работают автоматические линии, включающие установки для изготовления модельного состава, нанесения суспензии и т.д.. Автоматизация обеспечивает экономическую эффективность указанного способа литья, особенно в условиях массового производства.

Особенности способа и области применения.

Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение сложных по форме литых деталей из любых сплавов с повышенной точностью и чистотой поверхности. При его применении значительно уменьшается, а в ряде случаев исключается механическая обработка деталей. Вмести с этим, технологический процесс является продолжительным и технически сложным, требует расхода дорогих материалов. Стоимость одной тонны отливок в несколько раз больше, чем в других способах литья. Наиболее часто этим способам получают небольшие отливки. Литье по выплавляемым моделям применяют при массовом производстве мелких, сложных, тонкостенных отливок. Для некоторых труднообрабатываемых жаропрочных магнитных и других сплавов с особыми свойствами получение точных отливок по выплавляемым моделям является единственным способом изготовления изделий. Одним из направлений в развитии точного литья является применение взамен легковыплавляемых моделей, легкорастворимых и газифицируемых моделей.

Легкорастворимые модели делают из различных составов, например, на основе мочевины с добавками полиэфирного спирта, легко растворяющихся в воде. Такие модели в некоторых случаях обеспечивают более высокое качество отливок, чем применение выплавляемых моделей.

Литье по газифицируемым моделям – новый, прогрессивный способ точного литья. Модели, изготовленные из вспененного полистирола, из формы не удаляют. Они газифицируются (разлагаются) во время заливки сплава. Такой способ значительно упрощает и удешевляет формовку, обеспечивает высокое качество литья. Экономическая эффективность такого способа особенно значительна, особенно значительна в производстве крупных сложных отливок.  

Особенности литья по пенопластовым моделям – применение не разъемных форм, из которых модель не  извлекается, а газифицируется. Таким образом получают отливки от 0,2 кг до нескольких тонн из стали, чугуна, медных и алюминиевых сплавов в единичном и серийном производствах.

Пенополистирол из которого изготавливается модель имеет малую плотность, разлагается при температуре 300-350 градусов, выделяя пары стирола, легко обрабатывается, даже простым ножом и разогретой проволокой.

В мелкосерийном производстве пеноплаттовые модели изготавляют механической обработкой в ручную с помощью пил, рубанка, фуганка и на станках (строгальных, фрезерных, сверлильных и шлифовальных) Модели часто изготовляют по частям, которые затем соединяют склеиванием, сваркой, спеканием.

Вместе с этой лекцией читают "24 Гидравлические системы удаления навоза, их устройство и особенности работы".

В крупносерийном производстве модели из полистирола поучают методом вспенивания в металлических или пластмассовых формах. В Форму, полость которой имеет конфигурацию и размеры модели, загружают полистироловые гранулы. При нагревании гранулы вспениваются, расширяются, спекаются между собой, полностью заполняют полость формы. После охлаждения модель извлекают из формы.

Пенопластовую модель формуют в опоке обычным способом. Формовочную смесь чаще уплотняют на встряхивающих и вибрационных станках.

После изготовления форму заливают сплавом, при этом модель, которая осталась в форме, газифицируется, и газы удаляются в выпоры, а  место, где находилась модель, заполняют сплавом для образования отливки.

Применяют и другие способы изготовления отливок с помощью модели из пенопласта. Пенопластовые модели применяют также вместо выплавляемых моделей.

Выжигаемые модели.

Кроме выплавляемых моделей в литейном производстве используют выжигаемые модели при изготовлении ответственных отливок массой до 3,5 тонн из чугуна, стали и цветных сплавов в единичном производстве. Для изготовления выжигаемых моделей используют пенополистирол, который в 50…100 раз легче древесины, легко режется горячей проволокой и легко склеиванием можно получить полистироловые выжигаемые модели самой сложной конфигурации. Этот метод отличается большой точностью и экономией металла из-за отсутствия формовочных уклонов.