6.8. Технология формовки в серийном производстве | Металлолом

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 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 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