6.8. Технология формовки в серийном производстве

В серийном производстве применяются формы из сыпучих ог­неупорных материалов, к которым предъявляются следующие тре­бования:

• формовочный материал должен обладать хорошей текуче­стью, обеспечивать заполнение отверстий и внутренних по­лостей модели при вибрации;

• гранулометрический состав сыпучего огнеупорного мате­риала должен после вибрации обеспечить максимальную

Плотность формы при минимальной пористости и высокую газопроницаемость;

• материал должен обладать минимальным пылеобразованием в процессе формовки и последующей регенерации, содержа­ние фракций размером менее 0,05 не допускается или должно быть предельно минимальным (не более 0,5 %);

• влажность материала не должна быть более 1,0 %;

• огнеупорность материала должна быть выше температуры заливаемого в форму металла;

• материал должен быть недефицитным и недорогим;

• материал не должен оказывать вредного влияния на здоровье человека.

Вышеперечисленным требованиям в большей степени удовле­творяет кварцевый песок класса 061К-063К и 1К-ЗК зернистостью 0,20 и 0,16 (ГОСТ 2138-74) категории А или Б с остроугольной или округлой формой зерна. Для повышения плотности формы при виброуплотнении применяются смешанные пески двух фракций 0,315 и 0,16 в соотношении 1:1, при этом при низкой пористости сохраняется высокая газопроницаемость. Для получения отливок с повышенными механическими свойствами применяются металличе­ские колотые и литые дроби марок ДСК-03 и ДЧК-03, которые соот­ветствуют фракционному составу кварцевого песка марки 1К0315.

При производстве отливок из стали применяют цирконовые пески, которые обладают высокой огнеупорностью (до 2000 °С), низким коэффициентом теплового расширения и более высокой по сравнению с кварцевым песком теплопроводностью [9]. Некото­рые зарубежные фирмы применяют для формовки оливиновые пески, которые имеют повышенную огнеупорность, низкую хими­ческую активность, не вызывают заболеваний силикозом.

Однако использование природных сыпучих огнеупорных мате­риалов (песков) при ЛГМ показало, что они не полностью соответ­ствуют вышеперечисленным требованиям. Кварцевые пески име­ют повышенный коэффициент расширения при нагревании, что приводит как к снижению точности отливок, так и к образованию поверхностных дефектов при литье из черных сплавов. Кроме то­го, в силу своей угловатости эти пески плохо уплотняются в узких каналах, для них характерно повышенное пылеобразование в про­цессе эксплуатации.

В 1994 г. университетом Бирмингема (шт. Алабама, США) были представлены материалы по разработке двух марок синтетического огнеупорного керамического материала, специально созданного для ЛГМ-процесса. Исходным сырьем являются порошкообразные алюмосиликаты, из которых при помощи связующего и воды фор­мируют мелкие округлые частицы, потом гранулы сушатся и спе­каются при температуре 1470-1649 °С. Затем материал рассеива­ется по фракциям. В процессе спекания материал зерна приобрета­ет кристаллическую структуру, высокую твердость, износостой­кость и термическую стабильность, низкий коэффициент термиче­ского расширения и высокую способность к регенерации. Округлая форма зерен обеспечивает хорошую текучесть и уплотняемость вибрацией. Были представлены две разновидности керамического материала: ID и LD, химический состав которых представлен в табл. 6.4, термические свойства — в табл. 6.5, минералогический состав — в табл. 6.6, физические свойства — в табл. 6.7. Исследова­ние гранулометрического состава и газопроницаемости проводи­лось по системе компьютерного моделирования литейных процес­сов AFS, принятой в США. Всего было представлено по 6 марок каждого материала, которые отличались зерновым составом и соот­ветствовали отечественным пескам зернистостью от 0,63 до 0,16.

Таблица 6.4

Химический состав керамических материалов, %

Минерал

Керамика ID

Керамика LD

Al2O3

75

48

SiO2

11

48

TiO2

3

2

Fe2O3

9

1

Прочие

2

1

Таблица 6.5

Термические свойства керамических материалов

Свойства

Керамика ID

Керамика LD

Расширение линейного изменения, %

0,65

0,61

Коэффициент теплового расширения,

6

5,56

I-IO^6 дюйма/(дюйм • 0C)

Теплопроводность, Вт/(см • 0C)

0,0066

0,0068

Теплоемкость, Вт/(с ¦ г ¦ °С)

1,142

1,180

Температуропроводность, см/с2

0,0028

0,0033

Минералогический состав, %

Минерал

Керамика ID

Керамика LD

Муллит

52

75

Корунд

48

13

Бета-кристобалит

0

12

Кварц

0

0

В 1995 г. фирма «Мэркюри Марин» стала применять керамиче­ский материал при производстве отливок по ЛГМ. Он обеспечил необходимую размерную точность, показал хорошую текучесть и уплотняемость, термостойкость и низкое пылеобразование при эксплуатации и регенерации. Это позволило фирме производить шестицилиндровые блоки двигателя автомобиля. Было также уста­новлено, что новый материал сокращает время заполнения опоки песком при формовке и его уплотнения вибрацией, что увеличива­ет производительность на линиях. В настоящее время керамиче­ский синтетический материал легких марок применяют во многих литейных цехах в США и других странах для производства отли­вок ЛГМ-процессом.

Уплотнение формы. Уплотнение формы из песка осуществля­ется вибрацией. На рис. 6.10 представлена зависимость уплотняе – мости кварцевого песка от амплитуды и частоты вибрации, из чего следует, что максимальная плотность песка достигается при отно – асй2

Шении—— > 5, где а — амплитуда.

S

E 1 1

• N = 1200 мин 1AN = 2000 мин"1

0 1 2 3 4 5 6

П = а со Ig

Рис. 6.10. Зависимость уплотняемости песка от частоты колебаний

S

А

V

Н л

S

О

U

О «

IV

9" S

S «в Р.

V

US Ев «I

S

JS О

S

S US О <х> В" S М S

Е

VC.

Q Sr – Й

Й

LD65

Го

О in

00

LD60

0,16

0,01

Г-

LD50

RI

О

1,53

LD40

0,315

1,54

О

О"

LD30

О"

In

0,08

LD20

0,315

СП in

ID70

0,16

ID60

0,20

С\

ID50

0,315

1,77

СП

О

Ю

ID40

О"

1,81

СГ

ID25

Сэ

0

1

ID15

0,63

0^

Свойства

Зернистость по ГОСТ 2138-84

Насыпная масса, г/см3

Влажность, %

X

Он

Загрузка формы из песка при вибрации снижает уплотняемость, причем уплотнение песка начинается при определенном значении п, которое зависит от удельного давления груза на форму (рис. 6.11). Снижение плотности формы при наличии груза объясняется уве­личением сопротивления сдвигу песка при вибрации, величина которого определяется уравнением [10, 11]

Т = т0<Г/(а-ао),

Где T0 — сопротивление сдвигу при статической нагрузке; а — уско­рение колебаний при данной возмущающей силе; а0 — начальное ускорение, при котором происходит сдвиг; / — постоянный коэф­фициент, равный для песка 0,003 с2/см. Напряжение сдвига описы­вается уравнением

Tjr = <7ztg(p,

Где Gz — нормальное напряжение, которое для песка определяется как Gz = ynZ, где уп — плотность песка; Z — расстояние от верха формы до расчетного сечения. При наличии груза G удельное дав­ление на песок составит P = —, где F — площадь, занятая грузом.

F

Следовательно, Gz = уnZ + P, т. е. напряжение сдвига увеличива­ется, уплотняемость песка уменьшается (см. рис. 6.11). Необходи­мо при этом учитывать, что с увеличением Gz увеличивается ко­эффициент внутреннего трения tg(p. Поэтому загрузка формы при уплотнении ее вибрацией не допускается.

Для уплотнения формы из песка вибрацией применяются два способа: со свободным положением формы на столе вибратора и жестким креплением ее к вибростолу механическими или гидрав­лическими захватами. В зависимости от устройства вибростола и положения опоки на нем процессы уплотнения будут неадекватны.

Для уплотнения форм используются в основном электровибра­торы с самобалансом, в которых изменение ускорения колебаний достигается регулированием амплитуды при постоянном числе обо­ротов дебалансов. При этом могут использоваться вибраторы как на жесткой основе (амортизаторы), так и на мягкой (пружины). Вибра­ционный стол на пружинном основании (рис. 6.12) при закрепленной

2

П = а со /g

Рис. 6.11. Зависимость уплотняемости формы из песка от предварительной нагрузки

1 — стол; 2 — вибратор с дебалансами; 3 — пружинное основание; 4 — опока; 5 — прижимы; 6 — песок

На столе опоке будет совершать вынужденные колебания под дей­ствием возмущающей силы вибратора Р, которая изменяется по гармоническому закону P = P1Sin(O), t), где Р\ — инерционная сила дебаланса; ю — частота вынужденных колебаний.

Если X обозначить вертикальное перемещение системы за вре­мя т, то согласно принципу Д’Аламбера получим дифференциаль­ное уравнение [10]

S > J 2

—+ CfX = P1 sin(coO, (6.16)

S dt

Где Cf — коэффициент жесткости пружинного основания; G —

%

Масса системы. Вертикальный сдвиг системы а\ = —- или

Cf

Р] = a\Cfi но т. к. Cf= теп2, уравнение (6.16) примет вид: d2x

—- + (O12 = A1CO02 sin(co, t). (6.17)

Dt

Решением уравнения (6.17) будет:

X

(6.18)

2

1°1

CO2r

CL

Sin(CO1Z) -—Sin(CO0Zt) COrt

Из уравнения (6.18) следует, что колебания системы можно раз­ложить на две части:

X1 =—^1-Sin(O)1O. (6.19)

1 ю 1

2

Со 0

Уравнение (6.19) описывает вынужденные колебания системы с цикловой частотой ю и амплитудой

А’ = = Na, (6.20)

1_ш1

Со2,

Где N— усиливающий фактор. 278

Данное уравнение описывает собственные колебания системы,

Со, Cd1

‘о

Которые зависят от отношения —Если значение —- очень не­

Ю,

Большое или частота собственных колебаний системы очень вели­ка по сравнению с вынужденными колебаниями, то система будет совершать колебания, тождественные вынужденным колебаниям при усиливающем факторе N=I. При очень большом значении

— усиливающий фактор будет равен 0 и система будет совер-

Co0

Шать колебания с частотой оо0 и очень маленькой амплитудой

Со. ^ со. ^

А—-. При —L = 1 амплитуда возрастает до бесконечности, т. е.

Ю0 со0

Наступает резонанс незатухающих вынужденных колебаний. Если частота колебаний сох приближается к частоте собственных коле­баний ю0, то колебания системы приобретают характер биения с циклической частотой соь При применении вибраторов инерцион­ного типа на жестком или мягком основании необходимо соблю­дать условие, при котором частота собственных колебаний систе­мы стол—опока была бы меньше частоты вынужденных колеба­ний или стремилась бы к нулю или отношение вынужденных ко­лебаний COi к частоте собственных колебаний оо0 равнялось бы це­лому числу, отличному от единицы.

Вторая часть уравнения (6.18) запишется:

Sin(CO1Zt) = axN—Sin(CO0Z). (6.21)

Со.

Как следует из уравнения (6.18), инерционные вибраторы не обеспечивают постоянство амплитуды колебаний, т. к. она зависит от массы системы стол—опока и жесткости основания. Следова­тельно, амплитуда будет изменяться по мере заполнения опоки пес­ком и конечная плотность формы может быть недостаточной. Более приемлемы для формовки вибраторы с эксцентриковым приводом, у которых амплитуда колебаний определяется величиной эксцен­трика вала и является величиной постоянной. Частота колебаний зависит от числа оборотов двигателя, и, следовательно, система стол—опока независимо от нагрузки (в пределах мощности приво­да) совершает гармонические колебания с постоянной частотой и амплитудой, что обеспечивает при п > 5 максимальную плотность литейной формы из песка. Однако при жестком креплении опоки на столе происходит быстрое затухание вибрации в форме из песка по мере удаления от источника вибрации. Поэтому общепринято по­ложение о свободном расположении опоки на вибрационном столе.

При свободном расположении опоки на вибростоле процесс уплотнения формы будет отличаться от процесса уплотнения при жесткой связи опоки со столом. При условии работы вибратора в режиме п > 1 и возмущающей силе P > F, где F — масса формы, процесс уплотнения песка будет происходить в результате соуда­рения формы и стола под действием инерционных сил с периодом вынужденных колебаний, но со сдвигом по фазе. При этом живая сила этих соударений будет определяться суммарной скоростью падения опоки и движения стола:

Где G — масса формы; R — коэффициент восстановления скоро­сти при упругом соударении формы и стола [12]. Работа стола в режиме п< 1 и Р> F будет происходить, как и при вибрации опо­ки, жестко связанной с вибростолом, но при этом форма будет не – доуплотнена. При амплитуде колебаний, соизмеримой с размером частиц кварцевого песка, при условии п > 5 и P > F уплотнение формы будет максимальным.

При уплотнении формы с модельным блоком возникает про­блема заполнения внутренних полостей и отверстий в модели пес­ком и его уплотнения.

Ряд зарубежных фирм с этой целью используют вибростолы с регулируемым направлением вибрации в трех плоскостях, причем для каждой конкретной модели экспериментально подбирается опти­мальный режим работы вибростола, сочетающий вертикальную и го­ризонтальную вибрации формы. Согласно теории механики сыпучих грунтов уплотнение песка не зависит от направления вибрации, оно зависит только от частоты и амплитуды [10]. В данном случае гори­зонтальное направление вибрации должно способствовать переме­щению песка в закрытые полости модели или горизонтально распо­ложенные отверстия и поднутрения модели, однако конкретных данных по режиму вибрации в зарубежной литературе не приводится. Следует, однако, предположить, что заполнение закрытых полостей и поднутрений в модели будет способствовать созданию такого режима вибрации, при котором песок приобретает свойства тяжелой псевдожидкости. При этом д вижение песка будет определяться направлением вибрации.

Исследования уплотняемости песка в зависимости от направле­ния вибрации были проведены в США [20]. Опоки заполняли пес­ком и уплотняли в вертикальном и горизонтальном направлениях с помощью электрогидравлического возбудителя. Такой привод по­зволял производить цифровую установку частоты и амплитуды, причем вибрация происходила под электронным контролем. Было установлено, что с увеличением п, т. е. с увеличением частоты ко­лебаний и уменьшением амплитуды, уплотняемость песка увели­чивается, причем при горизонтальной вибрации время уплотнения формы сокращается, а уплотняемость песка увеличивается по сравнению с вертикальной вибрацией (рис. 6.13).

А

1840 1760 1680 1600 1520

S 1840

И

1 1760

§ 1680 я

О 1600 ч

С 1520

Горизонтальная

Вертикальная

Горизонтальная Вертикальная

50 100 150 Частота вибрации, Гц 50 100 150 Частота вибрации, Гц

.S

1840

Й

А

1760

О

I

1680

О

С

1600

1520

0 50 100 150

Частота вибрации, Гц

Рис. 6.13. Влияние частоты и направления вибрации на плотность формы

2

П(\

Горизонтальная

Вертикальная

Асо G

Из песка в зависимости от коэффициента гравитации п a)n= 1; б) п = 2; в) п = 4

В процессе вибрации опоки с песком следует учитывать коле­бания, возникающие в ее стенках. В жестко связанной системе стол—опока под действием возмущающей силы P в стенках опоки возникают продольные и поперечные колебания, образование ко­торых можно объяснить, исходя из теории распространения про­дольных и поперечных колебаний под действием импульса силы в изотропной упругой среде. Скорость распространения продольной волны описывается уравнением [10, 19]

Где E — модуль упругости; Ji — коэффициент Пуассона; у — объ­емная масса материала опоки; g — ускорение силы тяжести. Поперечные волны распространяются со скоростью Vs’.

Наиболее сильно колебания проявляются в верхней, наименее жесткой части опоки, причем поперечные колебания стенок опоки вызывают горизонтальные колебания прилегающих к опоке слоев песка, направление которых не совпадает с вынужденными коле­баниями опоки. Результирующий эффект сложения вынужденных вертикальных и поперечных колебаний проявляется в образовании околостеночных потоков песка, направленных от стенки формы к ее центру и совершающих кругообразное движение с образовани­ем восходящих потоков песка, что приводит к разуплотнению формы. При уплотнении формы соударением ее со столом при свободном расположении опоки на вибростоле в стенках опоки возникает бегущая волна деформации со скоростью [13]:

Это также приводит к возникновению поперечных колебаний стенок опоки и снижению конечной плотности формы из песка. Поэтому для формовки модельных блоков в песке вибрацией сле­дует использовать опоки повышенной жесткости, особенно в верх­ней части, за счет оребрения их стенок. На рис. 6.14 представлена конструкция опоки для формовки газифицируемых моделей, кото­рая имеет высокую жесткость. Наиболее подходящим материалом для изготовления опок при данном методе литья считается чугун с учетом его демпфирующей способности.

Из анализа уплотняемости песка при вибрации следует:

• опока должна свободно устанавливаться на вибрационный стол;

• опока должна быть жесткой;

• уплотнение песка в опоке должно быть при п > 4, причем чем выше частота вибрации и меньше амплитуда, тем выше плот­ность;

• время уплотнения песка в опоке должно быть минимальным.

Рис. 6.14. Опока для формовки вибрацией

Технология формовки определяется серийностью производст­ва и степенью готовности модельного блока. Серийность произ­водства определяет степень механизации и автоматизации фор­мовки. По степени готовности модельного блока к формовке она может быть: с предварительной сборкой модельного блока, с при­менением готового модельного блока и со сборкой модельного блока непосредственно в процессе формовки.

Формовка с предварительной сборкой модельного блока.

При данном способе модель с литниковой системой, включая сто­як и литниковую чашу, собирается непосредственно перед фор­мовкой по системе шип—отверстие. Модель литниковой систе­мы — коллектор устанавливается в приспособление (кондуктор), затем модель коллектора стыкуется с моделью отливки и стояком из керамики или пенополистирола, выполненным совместно с лит­никовой воронкой. Опока предварительно засыпается на опреде­ленную высоту, обычно на 100-150 мм, песком, который уплотня­ется вибрацией.

На подгото вленную постель манипулятором или вручную уста­навливается собранный блок, и опока засыпается до верхнего уровня моделей песком, после чего без прекращения подачи песка включается вибрация опоки, которая продолжается до заполнения ее песком и его уплотнения. Фиксация блока зависит от степени механизации процесса формовки и осуществляется вручную или манипулятором. При ручной формовке применяется кондуктор, фиксирующий положение блока, одновременно защищающий ча­шу от попадания в нее песка при формовке. Вместо стационарной постели при установке модельного блока с неровной нижней по­верхностью модели применяется постель в виде кипящего слоя, для чего используются специальные опоки, применяемые при ва – куумировании формы во время заливки ее металлом. При готовно­сти форма нагружается грузом (если отсутствует система вакуу- мирования формы), масса которого рассчитывается по вышеизло­женной методике.

Формовка со сборкой модельного блока в форме отличается от предыдущей технологии тем, что такая сборка производится на предварительно подготовленной твердой постели из уплотненного песка. Такой вид сборки используется при комбинированной лит­никовой системе, состоящей из коллектора с питателями из пено­полистирола и керамического стояка при сифонном подводе ме­талла (рис. 6.15). На готовую постель устанавливается коллектор с моделями, затем с коллектором состыковывается керамический стояк с литниковой чашей. Форма засыпается песком до верхнего уровня моделей, и включается вибрация, которая продолжается до заполнения опоки песком и его уплотнения.

А б

Рис. 6.15. Модельные блоки со стояками из стержневой смеси: а) главный корпус тормозного устройства; б) верхняя крышка тормоза; в) нижняя крышка тормоза; г) промежуточная крышка тормоза

Формовка с готовым модельным блоком может произво­диться по двум вариантам. По первому варианту блок устанавлива­ется на подготовленную жесткую постель из уплотненного песка и дальнейшие операции формовки осуществляются так же, как и в случае с модельным блоком с предварительной сборкой. По второму варианту блок удерживается в опоке в заданном положении мани­пулятором (на автоматических линиях) или вручную и произво­дится заполнение опоки песком при одновременной ее вибрации до полной готовности формы. При таком варианте формовки мо­дельного блока он может быть собран на керамическом стояке или стояке из стержневой смеси (рис. 6.16), а также на пустотелом стояке из пенополистирола (рис. 6.17), что зависит от вида металла и массы отливок.

Рис. 6.16. Модельный блок на Рис. 6.17. Модельный блок на

Стояке из стержневой смеси стояке из пенополистирола

Применение ферромагнитной литой или колотой дроби в каче­стве формовочного материала не изменяет технологию формовки, но позволяет использовать магнитное поле как фактор, стабилизи­рующий статическое положение системы модель—металл—форма, и предотвращает ее разрушение под воздействием фильтрацион­ных сил газового потока и динамическое разрушение формы от заливаемого в нее металла.

Заполнение опоки песком. Важнейшей технологической опе­рацией изготовления формы является заполнение песком опоки с модельным блоком в процессе формовки. К процессу заполнения опоки при формовке модельного блока или модели предъявляются два основных противоположных требования:

• песок при заполнении опоки не должен деформировать мо­дель или модельный блок, а тем более разрушать его;

• время заполнения опоки песком и уплотнения формы должно быть минимальным.

В настоящее время существуют четыре способа заполнения песком опоки с модельным блоком: вручную (при помощи гибкого шланга), боковой, щелевой и струйный (при помощи дозатора). Заполнение опоки песком из гибкого шланга производится рабо­чим, от квалификации которого зависит равномерность ее запол­нения при сохранении цельности модельного блока.

Остальные способы заполнения опоки песком связаны с меха­ническими дозаторами с ручным или автоматическим управлением. Боковая загрузка осуществляется через периферийные щели доза­тора, в результате плоская струя песка направляется между стен­кой опоки и модельным блоком. В этом случае песок перемещает­ся от периферии к центру и оказывает давление на модельный блок, деформируя модели в сторону стояка. Совмещение заполне­ния опоки песком с вибрацией уменьшает боковое давление на модели, но возникает опасность (при клеевом соединении моделей с литниковой системой) разрушения блока от вибрации.

При щелевом заполнении опоки песком используется дозатор, днище которого имеет щели определенного размера по всей плос­кости. При открывании щелей песок заполняет опоку, при этом часть песка падает непосредственно на модель, что приводит к ее деформации или к разрушению модельного блока. Уменьшение кинетической энергии струи за счет ширины щели увеличивает время заполнения опоки песком и снижает производительность формовки. Однако при применении крупных моделей и жестких модельных блоков с сифонной литниковой системой такой способ заполнения опоки формовочным материалом вполне допустим.

Струйный способ заполнения опоки формовочным материалом является наиболее рациональным и производительным. Суть спо­соба: песок проникает в опоку через перфорированное днище до­затора с отверстиями диаметром 10-20 мм, расположенными та­ким образом, чтобы песок не падал на модель, а равномерно за­полнял пустое пространство как вокруг модели, так и внутри нее. С учетом небольшой кинетической энергии струи песка при не­большом диаметре отверстия и количества отверстий допускается попадание песка и на отдельные части модели, т. к. это не приво­дит к ее деформации и разрушению модельного блока.

Истечение сыпучего материала из отверстия зависит от плотно­сти материала, высоты его слоя над отверстием и сечения отвер­стия. Скорость истечения песка через круглое сечение можно определить по формуле

P

Где G =——- среднее давление песка на площадь отверстия со, при

Со

Этом P = yh, где у — плотность песка; h — слой песка над отвер­стием; X — коэффициент истечения, который для сухого песка ра­вен 0,65.

Расход песка через отверстие площадью со равен

Q = G>V.

Скорость свободного истечения песка через отверстие можно определить по формуле

V = JgRJ,

Со

Где R7 =— — гидравлический радиус отверстия при величине L

Периметра Z; /— коэффициент внутреннего трения; g — ускоре­ние силы тяжести.

Policast-процесс. Технология разработана фирмами «Teksid» (Италия) и «Castek» (Англия) и является разновидностью ЛГМ в формах из песка. Суть технологии: сборка моделей в блок произ­водится непосредственно на стояке, без шлакоулавливателя и кол­лектора. При этом стояк является базой для автоматизации всего технологического процесса производства отливок: сборки модель­ного блока, нанесения противопригарного покрытия, транспорти­ровки и сушки блока, его хранения и формовки, заливки и выбив­ки форм. По мнению специалистов этих фирм, данная технология наиболее приемлема для получения отливок из алюминиевых сплавов (см. рис. 6.17).

Replicast-npouecc разработан британской исследовательской и производственной ассоциацией стального литья «SCRATA» со­вместно с фирмами «Thyne Castics» и «Fosece» и имеет два вари­анта: Replicast-FM и Replicast-CS. Replicast-FM-nponecc отличает­ся от обычного процесса ЛГМ вакуумированием формы из песка в процессе заливки ее металлом. Применение вакуума существен­но влияет на процесс ЛГМ: повышается сопротивление формы из песка сдвигу, что расширяет возможности ЛГМ для получения бо­лее крупных отливок в формах из песка; удаляются продукты тер­модеструкции модели при заливке формы металлом, что улучшает санитарно-гигиенические условия труда в цехе. Вакуумирование формы влияет на скорость ее заливки металлом, существенно ви­доизменяет физическую картину взаимодействия модели с распла­вом в полости литейной формы, и заливку формы металлом можно производить без применения груза, давление которого заменяется атмосферным.

На рис. 6.18 представлена физическая модель процесса ЛГМ при вакуумировании формы. При отсутствии вакуума равновесие системы в наиболее опасном сечении формы в зазоре 8 определя­ется неравенством (5.10), в котором <jz= уZ. При создании вакуу­ма на форму будет оказывать давление атмосфера; величина его определяется разностью между внешним давлением Po и давлени­ем в форме Pb (или P = P0 – Pb), следовательно, выражение (5.10) с учетом вакуума примет вид:

Где Рф — давление в зазоре 5 при наличии вакуума.

Увеличение давления на форму из песка увеличило его сопро­тивление сдвигу от гидростатического напора металла на границе металл—форма, что дало возможность расширить рамки примене­ния формы из песка для получения отливок массой до 2000 кг. На основе этого в Одесском институте специальных способов литья разработан вариант производства крупных отливок из чугуна по газифицируемым моделям в вакуумируемые формы из песка — ГАМОЛИВ-процесс, который был успешно внедрен на одесском Центролите для производства отливок станков массой до 1500 кг.

Рис. 6.18. Физическая модель ЛГМ с применением вакуума: 1 — опока; 2 — полиэтиленовая пленка; 3 — модель из пенополистирола;

4 — металл; 5 — песок; BH — вакуум-насос

Вакуумирование формы изменяет режим ее заливки, увеличи­вает массовую скорость заполнения формы металлом, что может изменить характер взаимодействия металла с моделью, привести к нарушению равновесия системы форма—металл—модель. По­этому при расчете литниковой системы следует учитывать вели­чину вакуума. Если учесть, что вакуум способствует значительно­му снижению величины давления в зазоре S и практически за­ливка формы металлом происходит в режиме замещения, при ко­тором величина зазора 8 близка к 0, то уравнение (3.49) с учетом вакуума можно записать:

5 = 2g(tfp-^-+^)T = 0. (6.24)

Fv YY

IH I ‘ M ‘ M

Учитывая, что Ъ = F0" • U т, уравнение примет вид:

5 = – H-S – 2g(Np – А +А)х = 0. (6.24, в)

^ox V YM YM

После преобразования уравнения (6.24) величина вакуума для создания режима замещения при заливке формы металлом опреде­лится:

Р»=К + Рф-НрУи, (6.25)

Где

YlmiAX-m)1 -г?! ________ " on _______ от

" 2Gn2Fy-*

После определения Pb по уравнению (6.25) необходимо по уравнению (6.23) с учетом вакуума определить величину давления на форму и его влияние на равновесие системы форма—зазор 8. Газовое избыточное давление в зазоре 8 при вакуумировании фор­мы практически может быть меньше или больше 0, т. к. величина вакуума по абсолютному значению выше Рф. Скоростной поток газов из зазора 8 будет определяться перепадом давления в форме Pb – Рф или (при Рф « 0) давлением вакуума:

Учитывая значительное увеличение сопротивления формы сдвигу при ее вакуумировании, равновесие системы модель— металл—форма будет обеспечено. Однако необходимо учитывать переменность сечения модели по высоте в направлении подъема металла в полости формы. Применение вакуума саморегулирует процесс подъема металла в полости формы. В режиме замещения металл поднимается в полости формы со скоростью, близкой к критической; она определяется термомеханическим сопротивле­нием модели. При увеличении толщины стенки модели скорость подъема металла под действием вакуума должна увеличиться, од­нако, с учетом инерции движения металла, могут произойти крат­ковременное нарушение режима замещения и образование зазора б, давление в котором может быть отрицательным, что приведет к нарушению левой части неравенства (6.26), и произойдет об­рушение стенки формы. Такие случаи имеют место при получе­нии отливок с переменным сечением по высоте без предвари­тельного расчета величины вакуума и скорости заливки формы металлом.

При применении вакуума расчет узкого сечения литниковой системы следует производить по методике, изложенной в данной главе, но с учетом вакуума. Для отливок из чугуна суммарное се­чение питателей определяется по уравнению

(6.27)

При получении мелких и средних отливок значение Рф можно не учитывать и уравнение (6.27) упростится:

(6.27, а)

При расчете по уравнению (6.27, а) за величину Pb следует при­нимать опытно-статистическую в пределах 0,4—0,6 кг/см2 или 0,04-0,06 МПа. Затем по уравнению (6.25) определяют расчетную величину Pb и проверяют расчет узкого сечения литниковой сис­темы по уравнению (6.27, а). При этом необходимо обеспечить заливку формы металлом в режиме замещения, не допуская пре­вышения критической скорости. Один из способов предотвраще­ния заливки формы в режиме «охвата» — это применение литни­ковой системы с небольшим гидростатическим напором металла (низкий стояк), но его не всегда возможно использовать. По этой причине некоторые фирмы применяют во время заливки вакууми – рование формы с открытым верхом. В этом случае вакуум исполь­зуется только для удаления продуктов термодеструкции из формы с целью их дальнейшей утилизации. При производстве отливок массой более 100 кг применение вакуума необходимо, однако не­обходим также индивидуальный подход к технологичности каж­дой отливки.

Replicast-CS (Ceramic shell), по существу, не относится к ЛГМ, т. к. модель из формы предварительно перед заливкой удаляется (выжигается). По данной технологии модель или блок моделей покрывается несколькими слоями огнеупорного покрытия, как при литье по выплавляемым моделям. Затем оболочка прокаливается, при этом происходит удаление модели. Обжиг длится 5-10 мин при температуре 900-1000 °С. Перед заливкой оболочка заформо – вывается в контейнере песком и форма вакуумируется. Качество отливки, полученной таким способом в тонких (2-3 мм) керамиче­ских оболочках, соответствует литью по выплавляемым моделям. Модель изготавливается при данном способе литья плотностью 35-40 кг/м3 с целью получения чистой поверхности и повышенной прочности. Сочетание прочной оболочки с вакуумом обеспечивает жесткость формы и ее прочность при заливке, благодаря чему и достигаются высокая точность отливки и чистота ее поверхности [14]. Удельные затраты на материалы при производстве 1 т годно­го литья данным способом по сравнению с другими технологиями представлены в табл. 6.8.

Кроме приведенных данных следует учитывать, что при Repli – cast-CS не применяются стержни, нет линии разъема и сборки формы, что значительно снижает трудоемкость финишных опе­раций, в том числе по сравнению с литьем по выплавляемым мо­делям. Данный способ нашел применение для производства от­ливок из качественных сталей, для которых как поверхностное, так и объемное науглероживание не допускается.

Таблица 6.8

Технология

Отношение масс формы и отливки

Стоимость 1 кг формовочных материалов, фунты стерлингов

Стоимость материалов на 1 кг отливок, фунты стерлингов

Литье в оболочковые

1 : 10

0,34

0,034

Формы

1,5 : 1

0,09

0,135

Литье в формах из XTC на фурановых смолах

3 : 1

0,027

0,81

ГАМОДАР-процесс. Способ литья по газифицируемым моде­лям в формах из песка с применением вакуума и заливкой формы под регулируемым давлением, разработанный в Институте проблем литья АН УССР (в настоящее время — ФТИМС HAH Украины).

На рис. 6.19 представлена физическая модель данного процесса литья [15]. Первоначально в контейнер 1 устанавливается газифи­цируемая модель 2, которая заформовывается кварцевым песком 3. После чего форма герметизируется и состыковывается пуансоном 4 с футерованной камерой выжимания 5, которая заполняется необ­ходимой дозой жидкого металла 6. Камера, перемещаясь относи­тельно контейнера 1, выдавливает металл в полость литейной формы при заданной скорости заливки. После расстыковки кон­тейнера с камерой 5 в ней остается небольшой пресс-остаток. При данном способе литья исключается применение традиционных конструкций литниковых систем. По утверждению разработчиков, скорость заливки формы металлом не зависит от изменения сече­ния формы по ходу движения металла. Качество поверхности от­ливок при данном способе литья обеспечивается равномерным вы­теснением жидкой фазы из зоны взаимодействия металла с моде­лью на границу металл—форма. Однако следует заметить, что раз­работчики не учитывали инерционные силы заливаемого в форму металла, которые препятствуют мгновенному изменению скорости заливки при увеличении поперечного сечения модели. В этом слу­чае возможны образование зазора достаточной величины между моделью и зеркалом металла и накопление в ней жидкой фазы, которая, попадая на границу металл—форма в значительном объе­ме, локализуется там. Дальнейшая термодеструкция жидкой фазы в локальном объеме на границе металл—форма приведет к образо­ванию специфических дефектов на отливке.

В работе [16] утверждается, что при заливке формы под давле­нием выполняются условия Pm » Рф и Pm » Ptm, где Pm — гидро­статическое давление металла, Рф — давление газов в зазоре 8 и Ptm — термомеханическое сопротивление модели, обусловленное низкой теплопроводностью пенополистирола и его механической прочностью на сжатие. Что касается первого неравенства, то оно выполняется и при гравитационной заливке формы без вакуума (иначе форма не заполнилась бы металлом), а при вакууме Рф = О, и, следовательно, это неравенство выполняется. Что касается вто­рого неравенства, то при его выполнении заливка должна проис­ходить в режиме «охвата», при котором металл устремляется по границе модель—форма, охватывая модель со всех сторон или с одной из сторон. В том и другом случае жидкая фаза будет скап­ливаться в верхней части отливки или на ее боковой поверхности, а на поверхности отливки будут формироваться углеродистые или газовые раковины. При полном охвате модели газовое давление может привести к выбросу металла из камеры через зазор ее с пу­ансоном. Поэтому и при данном методе литья давление металла не должно превосходить термомеханического сопротивления модели, но из этого не следует, что фактическая скорость заливки не может быть больше критической скорости при гравитационной заливке формы металлом. Преимуществом данной технологии являются возможность снижения поверхностных дефектов на отливках из чугуна, увеличение выхода годного до 85 % и повышение механи­ческих свойств отливки за счет использования давления в процес­се затвердевания металла.

На рис. 6.20 представлены отливки, полученные ЛГМ в маг­нитные формы из металлического песка, а на рис. 6.21 — блок отливок гильз двигателя СМД сразу после выбивки магнитной формы.

Рис. 6.20. Чугунные отливки, полученные из металлического песка в магнитном поле: а) блок крышек запорной арматуры из высокопрочного чугуна сразу после вы­бивки формы; б) блок чугунных отливок тормозного цилиндра автомобиля ГАЗ; в) чугунный корпус тормоза железнодорожного вагона; г) чугунный корпус элек­тродвигателя; д) чугунная гильза двигателя СМД-14; е) чугунные рабочие колеса

Грязевых насосов

На рис. 6.22 представлены образцы отливок зарубежного производства для двигателя ав­томобиля. Даже по приведен­ным рисункам можно судить о широких возможностях приме­нения вариантов технологии ЛГМ для производства сложных отливок из различных сплавов для разных отраслей машино­строения.

Рис. 6.21. Блок отливок гильз двигателя СМД из серого чугуна, полученных магнитной формовкой

Рис. 6.22. Автомобильное литье: а) коллектор; б) коленчатый вал; в) головка блока цилиндров; г) блок цилиндров; д) блок отливок впускного коллектора автомобиля «фиат» из алюминиевого сплава (см. также с. 298)

Рис. 6.22. Окончание

Заливка форм. При заливке форм металлом при ЛГМ необхо­димо соблюдать следующие требования:

• температура металла должна назначаться с учетом потерь тепла на термодеструкцию модели согласно табл. 4.1 и 4.3, отклонение от заданной температуры допускается в пределах 10°С;

• заливка металла должна производиться с оптимальной ско­ростью подъема его в полости литейной формы (табл. 6.2);

• заливку формы металлом через чашу и стояк из пенополи­стирола следует производить сначала слабой струей, а затем, по мере выхода газов, продолжать ее при заполненных стояке и чаше;

• форму с керамическим стояком и чашей необходимо зали­вать быстро при заполненной металлом чаше;

• при заливке формы из песка не допускается прерывания струи;

• заливку металла следует производить из чайниковых ковшей, а заливку стали — из стопорных ковшей для предотвращения попадания шлака в форму;

• на автоматических и поточных линиях рационально осуще­ствлять заливку металла при помощи заливочных установок на базе индукционных тигельных и канальных печей, обес­печивающих постоянство температуры и весовой расход ме­талла.

Выбивка, очистка, обрубка и зачистка отливок. Выбивка от­ливок в серийном производстве значительно упрощена и сводится к извлечению их из формы во время освобождения опоки от песка. В единичном производстве крупных отливок процесс выбивки формы идентичен процессу при литье в песчано-глинистые формы по извлекаемым моделям.

Очистка отливок в серийном производстве осуществляется по сокращенному циклу в дробеметных барабанах для удаления с по­верхности отливок остатков противопригарного покрытия. Время обработки устанавливается в 2-2,5 раза меньше, чем рекомендует­ся в техническом паспорте дробеметного оборудования. Зачистке подвергаются только остатки от литниковой системы после ее от­деления от отливки. Для отделения литниковой системы и прибы­лей от отливки применяется такое же оборудование, как и при тра­диционных способах литья.

При производстве крупных разовых отливок возможны поверх­ностные дефекты, которые образуются в результате недоуплотне – ния облицовочной смеси вокруг модели, что может увеличить тру­доемкость обрубки. Однако общая трудоемкость обрубки и очист­ки снижается, т. к. на отливке отсутствуют заливы, которые обра­зуются при литье по извлекаемым моделям по разъему формы и по контуру стержневых знаков.

Регенерация отработанных формовочных материалов. По­сле многократного использования формовочных материалов при ЛГМ в них происходит накопление продуктов термодеструкции модели, остатков противопригарного покрытия, керамических час­тиц от литниковой системы, металлических включений и мелкой пылевидной фракции кварцевого песка — результатов его терми­ческого разрушения. Установлено, что после 10-20 циклов оборо­та песка в нем содержится от 0,24 до 0,48 % сконденсированных продуктов термодеструкции. Все это ухудшает технологические и физико-механические свойства сыпучих формовочных материа­лов, в частности песка. Поэтому формовочные сыпучие материалы должны подвергаться регенерации. Процесс регенерации включает следующие операции: магнитную сепарацию, просеивание песка на вибрационном сите с ячейкой 2×2 мм и тепловую обработку при температуре 650-700 °С. Как показали исследования, прове­денные ИПЛ АН УССР и Института газа АН УССР, время терми­ческой обработки кварцевого песка составляет 5-10 мин при тем­пературе 650-700 °С, после чего песок приобретает естественный цвет, а суммарное содержание углеводородов в отходящем газе не превышает 0,001 %. Одновременно с этим в процессе термической регенерации в кипящем слое из песка удаляются мелкие пылевид­ные фракции. Так, содержание фракции менее ОД мм снижается в 5 раз, что полностью восстанавливает технологические и физико – механические свойства исходного кварцевого песка [17].

Рис. 6.23. Схема установки регенерации оборотного песка в кипящем слое

На рис. 6.23 представлена схема термической регенерации отработанного песка, на основе которой созданы промышленные установки производительностью 0,2; 1,0; 2,5; 4,0 и 10 т/ч. Уста­новка состоит из печи регенерации 2, двухзонного охладителя 3 и рекуператора 4. Отработанный песок питателем из бункера 1 пода­ется в печь регенерации 2, где происходит выгорание примесей и обеспыливание. Теплоноситель и одновременно окислитель в виде продуктов сгорания природного газа, разбавленного воздухом до температуры 1100-1200 °С, подается под газораспределительную решетку печи регенерации. Далее регенерат поступает в охлади­тель песка 3 с воздухоохладительным трубчатым теплообменни­ком, где он охлаждается до 40-5 O0C и выгружается из нижней зо­ны охладителя. Для псевдоожижения используется воздух от вен­тилятора. Таким же вентилятором воздух подается в рекуператор 4, где он нагревается отходящими из печи регенерации газами до температуры 400 0C и поступает далее в горелку СГ-40. Отходя­щие газы после рекуператора смешиваются с воздухом, охлажда­ются и направляются в систему пылеулавливателя. Установку ре­генерации песка можно использовать для дожигания отходящих при заливке формы газов, для чего они направляются вакуум – насосом на вход вентилятора печи регенерации [17]. Для регене­рации отработанных формовочных материалов можно также ис­пользовать установки регенерации холоднотвердеющих смесей на смоляных связующих, разработанных Челябинским конструктор – ско-технологическим институтом механизации и автоматизации в автомобилестроении (КТИАМ).

Экология и техника безопасности. При производстве отли­вок ЛГМ происходит выделение продуктов термодеструкции мо­дели в виде газов, паров и сажи. Состав продуктов представлен в табл. 3.2 и 3.3 и зависит от температуры. Вредные вещества вы­деляются также при хранении и переработке полистирола, при приготовлении противопригарных покрытий на спиртовой основе, их нанесении на модель и при последующей сушке модельных блоков. При формовке в песок происходит выделение пыли, со­держащей оксид кремния, вызывающий заболевание силикозом. Поэтому при организации производства отливок по газифицируе­мым моделям следует строго выполнять «Методические рекомен­дации по гигиене труда, технике безопасности при изготовлении точного литья по газифицируемым и предварительно удаляемым моделям из пенополистирола», разработанные Харьковским науч­но-исследовательским институтом гигиены труда и профзаболева­ний и утвержденные Ученым советом Минздрава УССР в 1973 г., и «Санитарные правила по устройству, оборудованию и эксплуата­ции цехов производства литья по пенополистироловым моделям», утвержденные Минздравом СССР в 1979 г.

ГОСТ 12.1.005-76 устанавливает предельно допустимые кон­центрации вредных веществ (ПДК) в воздухе рабочей зоны, кото­рые при ежедневной работе любой производительности (но не бо­лее 41 ч в неделю) в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболевание или отклонение в состоянии здоровья, обнаруживае­мых современными методами исследования в процессе работы. Для выделяемых при ЛГМ вредных веществ установлены сле­дующие ПДК, мг/м : для стирола и бензола 5; толуола 50; оксида углерода 20; углеводородов летучих 300; пыли, содержащей более 70 % свободного оксида кремния, — 1, а от 10 до 70 % — 2; паров изопропилового спирта 10; этилового спирта 1000; сажи — макси­мально разовая 0,15, среднесуточная 0,05. Частица пыли кремне­зема, которая не должна попадать в легкие человека в рабочей зо­не, имеет размер менее 100 мкм или 0,1 мм. Кроме ПДК, в рабочей зоне при длительном пребывании рабочего устанавливается мак­симально разовая концентрация вредных веществ, мг/м3: для сти­рола 20, бензола 15, толуола 50. Предельно допустимые концен­трации по выделениям вредных веществ при ЛГМ, установленные в России, более жестки, чем в промышленно развитых странах Ев­ропы, что видно из табл. 6.9 [18].

Таблица 6.9

Максимально допустимые концентрации вредных веществ в рабочей зоне, мг/м3

Наименование

Франция

Германия

США

Россия

Бензол

16

16

32

15

Стирол

215

85

213

20

Толуол

375

380

377

50

Общие требования по технике безопасности в цехах ЛГМ сво­дятся к следующим мероприятиям.

1. При хранении исходного полистирола для вспенивания в от­крытой таре при повышении температуры в помещении (выше 25 °С) выделяются изопентан и свободный стирол. Поэтому поли­стирол следует хранить до вспенивания в закрытой таре при нор­мальной или пониженной температуре вдали от источников тепла. Подвспененный полистирол следует перерабатывать при его мак­симальной активности. Хранить пенополистирол следует в не­отапливаемом помещении при температуре не выше 15 °С. При хранении пенополистирола в плитах вредные выделения отсутст­вуют. Помещение, где хранится полистирол до и после вспенива­ния, должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией.

2. При обработке пенопласта на деревообрабатывающем обо­рудовании, особенно шлифовальным инструментом, выделяется пыль, которая при концентрации выше 25 г/м3 взрывоопасна. Оборудование для обработки плит из пенополистирола должно иметь местные отсосы для удаления мелких отходов. После рабо­ты необходимо удалять пыль с электрооборудования. При резке плит горячим инструментом следует предусмотреть местную вы­тяжку со скоростью воздушного потока 0,7-1,0 м/с.

3. При вспенивании полистирола и изготовлении моделей про­исходит выделение изопентана и свободного стирола, концентра­ция которых при отсутствии вентиляции может достигнуть ПДК. Поэтому оборудование для вспенивания полистирола и производ­ства моделей тепловой обработкой в пресс-формах должно иметь отсасывающие устройства, а помещение оборудовано приточно – вытяжной вентиляцией при скорости отсоса от мест выделения вредностей не менее 1,0 м/с.

4. Установки для приготовления противопригарного покрытия на спиртовой основе должны быть оборудованы вытяжными зон­тами со скоростью воздушного потока 0,7 м/с. Окраску и сушку модельных блоков следует производить в местах, оборудованных вытяжной вентиляцией.

5. Формовка модельных блоков песком сопровождается выде­лением пыли, содержащей оксид кремния. При ручной формовке рабочее место должно быть оборудовано вытяжной вентиляцией со скоростью вытяжки воздуха 1,0-1,5 м/с.

6. При заливке формы металлом происходит интенсивное вы­деление продуктов термодеструкции модели, количество и кон­центрация которых зависят от температуры, массы отливки и спо­соба формовки. В серийном производстве отливок следует приме­нять открытое или закрытое вакуумирование формы в процессе ее заливки и охлаждения отливки. При отсутствии вакуумирования перед выбивкой форму следует продувать воздухом, а выделяю­щиеся газы поджигать. При вакуумировании формы удаляемые газы необходимо дожигать в установках регенерации отработан­ного песка или каталитического дожигания газов. Применение ва­куума при заливке формы металлом, оборудования для регенера­ции отработанного песка и каталитического дожигания газов по­зволяет организовать экологически чистое производство отливок ЛГМ. Примерами создания таких производств могут служить литейные цеха на заводе «Сатурн» фирмы «Дженерал Моторс» (США), Арматурном заводе в г. Киеве (Украина) и др.

7. При производстве крупных отливок в опоках следует приме­нять систему вакуумирования формы с последующим дожиганием газа или местные передвижные вытяжные зонты. При этом необ­ходимо своевременно поджигать газы, выделяющиеся из формы при ее заливке. Запрещается устанавливать открытые выпора, прибыли, делать вентиляционные каналы из формы большого диа­метра без их перекрытия кварцевым песком или другим фильтра­ционным материалом. За рубежом находит применение способ очистки отходящих газов в фильтрах из активированного угля. Все эти меры позволяют обеспечить нормальные санитарно-гигиени­ческие условия труда.

8. Общие требования по безопасности должны соответствовать ГОСТ 12.2.04.60-90, ГОСТ 12.3.027-81 и ОН ТП07-83. Воздух в рабочей зоне и микроклимат на рабочем месте в производствен­ных помещениях должны соответствовать ГОСТ 12.1.005-88. Про­изводственные помещения должны удовлетворять требованиям СНиП 11-4.8-71, СН245-71. Метрологическое обеспечение в об­ласти безопасности труда — по ГОСТ 12.0.005-84. Освещенность рабочих мест должна удовлетворять требованиям пятого разряда подразд. 13 СНиП 11-4-79. Электрооборудование должно соответ­ствовать разд. 2 ГОСТ 10580-74.

Противопожарная безопасность. Пенополистирол — легко­воспламеняющийся материал, в процессе горения он плавится и растекается по поверхности. Горит с выделением большого коли­чества сажи и черного дыма. Скорость распространения пламени по поверхности пенополистирола 1,5-2 м/мин. Температура са­мовоспламенения пенопласта — около 400 °С, теплота сгора­ния — 7500 ккал/кг. Поэтому на всех этапах технологического про­цесса должны соблюдаться меры противопожарной безопасности.