6.9.1. ЗАО «Златоустовский литейный завод — Метапласт»
В 1999 г. на заводе было организовано производство точных (без механической обработки) отливок JITM из высоколегированных жаропрочных и износостойких углеродистых сплавов для цементной, горно-обогатительной, металлургической промышленности.
В это же время было освоено и начато производство по запатентованной технологии литых бесшовных цепей из сталей различных марок и сплавов с широким спектром назначения (рис. 6.24, а, б). Это позволило отказаться от импорта (из ФРГ, Бельгии) дорогих цепей для цементной промышленности.
Рис. 6.24. Продукция ЗАО «Метапласт»:
А) цепи навесные литые из круглых звеньев;
Б) цепи навесные литые из овальных звеньев; в) серьга для двухзвенной навесной цепи;
Г) стойка для подвески цепей;
Д) футеровка отбойного бруса, сталь 110Г13; е) молоток для дробилки; ж) башмак
В настоящее время завод поставляет заказчикам жаропрочные и износостойкие отливки, приведенные на рис. 6.25, а также многие другие отливки специального назначения.
Средняя масса отливок от 2 до 380 кг. Материал — сталь марок 35Х23Н7СЛ, 20Х27Н4СЛ, 30ХСЛ, 40Х23Н10СЛ, 40Х9С2Л, 110Г13Л и чугун ЧХ16М. Точность отливок в зависимости от размеров 4-10-го классов по ГОСТ 26645-85.
Литейный цех завода оснащен современным оборудованием (рис. 6.26). На плавильном участке установлены среднечастотные индукционные печи. Заливка форм металлом производится на технологической линии. Модельный цех для изготовления газифицируемых моделей из пенополистирола оснащен автоматами и автоклавами.
В настоящее время данным способом завод выпускает более 3000 т отливок в год.
Е.
Рис. 6.25. Отливки из жаропрочных и износостойких материалов: а) плита порога печей; б) бронефутеровочная плита для мельниц; в) башмак порога; г) сектор щелевой; д) колосник для холодильников; е) плита футеровочная; ж) приспособление для изготовления отводов труб
Модельный
Участок
(автоклавы)
Рис. 6.26. Производственные участки литейного цеха ЗАО «Метапласт»
6.9.2. ОАО «Специальное машиностроение и металлургия», ОАО «Волжский завод точного литья» (B3TJI)
ОАО «ВЗТЛ», созданное в 1994 г. на базе Волжского литейно — механнческого завода, специализируется на производстве отливок для автотракторного производства, машиностроения и коммунального хозяйства.
Действующее производство ЛГМ в формах из кварцевого песка включает:
• склад формовочных и шихтовых материалов;
• плавильное отделение (индукционные печи ИЧТ-2,5 и ИСТ-0,25);
¦ формовочное отделение (автоматизированная линия формовки, заливки и выбивки форм с системой вакуумирования форм при их заливке металлом и охлаждении отливок и системой регенерации оборотного кварцевого песка);
¦ модельное отделение (автоматическая линия вспенивания полистирола и модельные автоматы);
¦ очистное отделение (дробеметные барабаны и станки для зачистки отливок);
¦ ремонтно-механическое отделение.
Техническая характеристика действующего производства:
¦ максимальный объем производства отливок — 5,5 тыс. т в год;
¦ минимальная и максимальная массы отливок — от 1 до 120 кг;
¦ максимальные габаритные размеры отливок составляют 600 х 630 х 630 мм;
¦ минимальная толщина стенок отливок —- 2-3 мм;
¦ марки чугунов для отливок: ВЧ-50, ВЧ-60, СЧ-15, СЧ-20, СЧ-25.
На рис. 6.27 представлен склад готовых окрашенных моделей корпуса турбонасоса для автомобиля КамАЗ.
Рис. 6.27. Склад готовых окрашенных моделей корпуса турбонасоса для автомобиля КамАЗ
«ж
Угеок!^»,,!
Рис. 6.28. Автоматизированная линия ЛГМ в вакуумированные формы из кварцевого песка конструкции ОАО «НИИТАвтопром»
Рис. 6.29. Участок заливки форм металлом на формовочной линии
Рис. 6.30. Характерные отливки из чугуна, полученные ЛГМ: 1 — разрез гайки; 2 — гайка резьбовая; 3 — гайка торцевая; 4 — рычаг передачи; 5 — гильза двигателя мотоцикла ИЖ; 6 — крышка реактивной тяги; 7 — корпус турбонасоса
Рис. 6.31. Сечения отливок: корпус гидропривода, секция маслопровода и корпус пневмопривода
На рис. 6.30 представлены наиболее характерные отливки из серого и высокопрочного чугуна, производство которых переведено с литья в песчано-глинистые формы на ЛГМ. В результате освоения производства отливок ЛГМ были снижены:
• масса отливок на 10-15 %;
• трудоемкость изготовления отливок на 20-30 %;
• трудоемкость при механообработке до 2 раз.
На рис. 6.31 представлены сечения отливок масло — и пневмоап — паратуры, получение каналов в которых даже литьем по выплавляемым моделям весьма сложно. Заводом освоено производство таких отливок по газифицируемым моделям в формах из песка.
6.9.3. Производственно-коммерческая компания «СОЭЗ-Автодеталь»
ПКК «СОЭЗ-Автодеталь» образована в форме общества с ограниченной ответственностью в 1996 г. в результате реконструкции ЗАО «Самарский опытно-экспериментальный завод». Направление деятельности компании ориентировано на сотрудничество с АО «АВТОВАЗ» по поставке деталей для сборки автомобилей. В 2003 г. на заводе организовано производство отливок из алюминиевых сплавов, чугуна и стали в составе плавильного, модельного, формовочного и термообрубного отделений, а также отделения проектирования и изготовления пресс-форм для производства газифицируемых моделей. Модели из пенополистирола изготавливаются на модельных автоматах, формовка модельных блоков осуществляется на формовочной установке, плавка металла — в индукционных электрических печах.
Рис. 6.32. Модель ресивера, отливка и модель корпуса тормозного цилиндра для автомобиля ВАЗ
На рис. 6.32 представлены модели из пенополистирола и отливки из алюминиевого сплава деталей, наиболее характерных для АО «АВТОВАЗ».
Высокое качество отливок, получаемых по газифицируемым моделям, является основой для расширения производства и поставки готовой продукции для других автомобильных заводов России.
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 63> 1,05
Цг = -0,8 +19 З03 + (0,03IB3 — 0,03)Кп; (6.7)
При перегреве металла G3 > 1,15
Цг = 0,72 + 0,007КП. (6.7, а)
Для отливок из цветных металлов цг определяется следующим образом:
При температуре перегрева металла 1,15 > O3 > 1,01
Цг=-1 + О, ОО8Кц+1,403; (6.8)
При температуре перегрева металла O3 > 1,15
= 0,54 + 0,008Кп. (6.8, а)
Температура перегрева O3 определяется по формуле
Т.-т,
Где T135 Гф, Tsi — температуры заливки, формы и ликвидуса соответственно. Температуру заливки металла при ЛГМ следует принимать с учетом потерь на термодеструкцию модели по данным табл. 4.1- 4.3 или по формулам [5]:
Для железоуглеродистых сплавов
T3 =Г3′ +10,1 ‘IO3-^-; (6.10)
C1P1
Для цветных металлов и сплавов:
T3 = Г3′+9,2-103-^, (6.10, а)
Где Tf3 — рекомендуемая температура заливки в песчано-
Глинистые формы по извлекаемым моделям [3]; С\, pi — соответственно теплоемкость и плотность сплава, Дж/(кг • °С) и кг/м3; Р5 — объемная масса модели, кг/м3.
Можно также использовать методики, изложенные в [2]~[4] с учетом формул (6.7), (6.7, а), (6.8), (6.8, а).
При получении единичных отливок массой более 500 кг для расчета литниковой системы можно использовать методику, применяемую на заводе ВАЗ при получении отливок пггамповой оснастки.
Сущность методики состоит в следующем: первоначально определяется время заливки формы металлом по уравнению (6.1). Затем рассчитывается массовая скорость заливки M3 делением массы отливки M0 на время заполнения формы металлом T3 :
По массовой скорости заливки подбирается диаметр стакана стопорного ковша по табл. 6.3.
Диаметр стояка определяется в зависимости от диаметра стакана стопорного ковша по следующей зависимости:
Диаметр стопорного стакана, мм…….. 30 35 40 50 55 60 70
Диаметр стояка, мм…………………………. 40 45 50 60 70 80 90
Остальные элементы литниковой системы определяются из соотношения их площадей поперечного сечения: для крупных стальных отливок
Fcr ‘.Fjsx: Fn =1,6: (1+2): (1+2);
Для чугунных отливок
Где FCT, Fsix, Fn — соответственно площадь сечения стояка, литникового хода (шлакоулавливателя) и питателя.
Таблица 6.3
Диаметр стакана стопорного ковша
Уровень |
Массовая скорость заливки (кг/с) |
||||||||
Металла |
Объем |
При диаметре стопорного стакана, мм |
|||||||
В ковше, MM |
Ковша, т |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
70 |
300 |
8,0 |
10,7 |
14,5 |
18,9 |
24 |
29,6 |
35,8 |
42,7 |
58,1 |
600 |
8,0 |
15,1 |
20,5 |
26,7 |
33,8 |
41,8 |
50,7 |
60,2 |
82 |
1600 |
10,20 |
24,7 |
33,4 |
43,7 |
55,3 |
68,3 |
95,5 |
95,5 |
134,0 |
Конструкция литниковой системы зависит от вида сплава, габаритов отливки, ее массы и способа формовки.
При единичном производстве крупных отливок из черных сплавов литниковая система состоит из стояка, литникового хода и питателя. Количество литниковых ходов и питателей зависит от габарита отливки и ее массы. Как правило, все элементы литниковой системы выполняются из керамики (сифонного припаса), а литниковая чаша делается из формовочной (стержневой) смеси или применяется керамическая воронка. Литниковая система выполняется только сифоном с подводом металла в самые нижние поверхности отливки.
При серийном производстве отливок литниковая система состоит из питателей, шлакоулавливателя, коллектора, стояка ц, чаши. В зависимости от массы отливки (отливок) и вида сплава литниковая система выполняется из пенополистирола, включая стояк и чашу, или из керамики и других огнеупорных материалов; она может быть и комбинированной: питатели, шлаковик и коллектор выполняются из пенополистирола, а стояк и чаша — из керамики или из стержневой смеси. К конструкции литниковой системы при ЛГМ предъявляются определенные требования, которые обусловлены особенностями данной технологии.
Литниковая система из пенополистирола должна быть достаточно прочной и жесткой, обеспечивающей цельность модельного блока при его покраске, транспортировке, хранении и формовке.
Сборка элементов литниковой системы должна быть простой и надежной, желательно без применения сварки и клея. Предпочтительно секционное исполнение литниковой системы, при котором каждая секция состоит из коллектора и части стояка, что позволяет производить быструю сборку модельного блока.
Питатели должны составлять с моделью единое целое и изготавливаться в одной пресс-форме с моделью или ее частью.
Элементы литниковой системы из пенополистирола должны изготавливаться в простой пресс-форме с одним разъемом.
На рис. 6.1 представлены конструкции модельных блоков, собранных из элементов литниковой системы с моделями, наиболее часто применяемых при ЛГМ. Вертикальные ряды отличаются исполнением стояка: ряд 1 — стояк керамический из сифонного припаса или стержневой смеси; ряд 2 — стояк трубчатый пустотелый из пенополистирола или из огнеупорных волокнистых материалов; ряд 3 — стояк кольцевой из пенополистирола. Горизонтальные ряды отличаются способом сборки моделей в блок и подводом металла к отливкам. На рис. 6.2 показаны некоторые схемы сложных коллекторов литниковой системы, которые применяются для сборки модельных блоков. При производстве отливок из черных сплавов необходимо литниковую чашу выполнять из керамики или из стержневой смеси.
При выполнении технологических операций транспортировки, покраски или формовки на модельный блок действуют силы, которые вызывают деформацию элементов модельного блока. Максимальные внешние нагрузки испытывают питатели и коллектор, которые связывают модели со стояком. Так, при транспортировке на коллектор и питатели действуют силы тяжести модели и стояка, при покраске модельного блока окунанием — выталкивающая сила веса вытесненной жидкости, при формовке — давление со стороны формовочного материала. Если под действием внешних сил в элементах литниковой системы возникнут напряжения, превосходящие предельно допустимые для пенополистирола, то модельный блок разрушится. Это чаще всего происходит при покраске и формовке модельного блока.
(6.12)
Противопригарное покрытие после сушки увеличивает прочность элементов литниковой системы и жесткость модельного блока. Следовательно, необходимо производить расчет прочности элементов литниковой системы на изгиб в наиболее опасном сечении как до нанесения противопригарного покрытия, так и после его нанесения и сушки. До нанесения на модель противопригарного покрытия прочность элементов литниковои системы определяется прочностью пенополистирола, которая зависит от его объемной массы. Предел прочности пенополистирола можно определить по эмпирической формуле [5]:
Fem — F^- Fm»
&i-t,4/>