Специальные виды литья. Литье под давлением (Word 6.0)
НАПИСАН:
март 1995 года, Юрий Борисович М...
Специальные виды литья. Литье под давлением (Word 6.0)
НАПИСАН:
март 1995 года, Юрий Борисович М...
Московский Государственный
Авиационный Технологический Университет имени К.Э.Циолковского
Кафедра: Технология
литейного производства
Литье под регулируемым давлением
Студент группы 1МТСВ-3-8 Мошкин Ю.Б.
Преподаватель Бобрышев Б.Л.
Москва, 1995 год.
К литью под регулируемым
давлением относят способы литья, сущность которых заключается в том, что
заполнение полости формы расплавим и затвердевание отливки происходит под
действием избыточного давления воздуха или газа.
Литье под регулируемым давлением
создает широкие возможности для управления заполнением формы расплавим. Если
внутрь герметичной камеры а подавать сжатый воздух или газ под давлением
Ризб>Ратм, то за счет разницы давлений расплав поднимется по металлопроводу
1 и заполнит форму 2 до уровня, соответствующего H=(pизб-pатм)/r. Такой способ заполнения
называют литьем под низким давлением. Термин "низкое давление"
используется потому, что для подъема расплава и заполнения формы требуемое
избыточное давление менее 0.1 МПа.
Если в герметичной камере б установок
создавать вакуум, а в камере а давление поддерживать равное атмосферному, то
заполнение формы произойдет за счет разницы давлений Ратм-Р. Такой способ
заполнения называют литьем вакуумным всасыванием.
Используя схему установки
аналогичную данной можно осуществить заполнение формы иначе. Положим, что в
камерах а и б вначале создано одинаковое, но больше атмосферного давление
воздуха или газа Рк>Ратм. Затем подача воздуха в камеру б прекращается, а в
камеру а продолжается; давление в камере а повышается до Рк+DР. Тогда металл будет
подниматься по металлопроводу вследствие разницы давлений Ра-Рб, т.е.
аналогично тому, как и при литье под низким давлением. Того же результата можно
достичь, если понижать давление в камере б, оставляя постоянным давление в
камере а. Такие процессы называют литьем под низким давлением с
противодавлением.
Установки для литья под
регулируемым давлением - сложные динамические системы, позволяющие в широких
пределах регулировать скорость заполнения формы расплавим. Использование таких
установок позволяет заполнить формы тонкостенных 9600 оливок, изменить
продолжительность заполнения отдельных участков формы отливок сложной
конфигурации с переменной толщиной стенки с целью управления процессом
теплообмена расплава и формы, добиваясь рациональной последовательности
затвердевания отдельных частей отливки.
Приложение давления на
затвердевающий расплав позволяет улучшить условия питания, усадки отливки,
повысить ее качество - механические свойства и герметичность. В рассматриваемых
процессах после заполнения формы давление действует на расплав, который из
тигля через металлопровод поступает в затвердевающую отливку и питает ее.
Благодаря этому усадочная пористость в таких отливках уменьшается, плотность и
механические свойства возрастают.
Литье под регулируемым давлением
осуществляется на установках так, что процесс заполнения формы расплавим -
самая трудоемкая и неприятная с точки зрения охраны труда и техники
безопасности операция - выполняется автоматически. Конструкции установок и
машин для этих литейных процессов обеспечивают также автоматизацию операций
сборки и раскрытия форм, выталкивания отливки и ее удаления из формы. Таким
образом, процессы литья под регулируемым давлением позволяют повысить качество
отливок и обеспечить автоматизацию их производства.
В практике наибольшее применение
нашли следующие процессы литья под регулируемым давлением: литье под низким
давлением, литье под низким давлением с противодавлением, литье вакуумным
всасыванием, литье вакуумным всасыванием с кристаллизацией под давлением
(вакуумно - компрессионное литье).
Литье под низким
давлением
Тигель с расплавим в раздаточной
печи (камере) установки герметично закрывают крышкой в которой установлен
металопровод, изготовленный из жаростойкого материала. Металлопровод погружают
в расплав так, что конец его не достает до конца тигля на 40-60 мм. Форму
установленную на крышке, соединяют с металопроводом литниковой втулки. Полость
в отливке может быть выполнена металлическим, оболочковым или песчаным
стержнем.
Воздух или инертный газ под
давлением до 0.1МПа через систему регулирования поступает по трубопроводу
внутрь камеры установки и атмосферным давлением расплав поступает в форму снизу
через металопровод, литник и коллектор со скоростью, регулируемой давлением в
камере установки. По окончании заполнения формы и затвердевания отливки
автоматически открывается клапан, соединяющий камеру установки с атмосферой.
Давление воздуха в камере снижается до атмосферного и незатвердевший расплав из
металопровода сливается в тигель. После этого форма раскрывается, отливка
извлекается и цикл повторяется.
Основными преимуществами процесса литья под
низким давлением являются: автоматизация трудоемкой операции заливки формы;
возможность регулирования скорости потока расплава в полости формы изменением
давления в камере установки; улучшение питания отливки; снижение расхода
металла на литниковую систему.
Основные недостатки невысокая стойкость
части металлопровода, погруженной в расплав, что затрудняет использование
способа литья для сплавов с высокой температурой плавления; сложность системы
регулирования скорости потока расплава в форме, вызванная динамическими
процессами, происходящими в установке при заполнении ее камеры воздухом,
нестабильностью утечек воздуха через уплотнения, понижением уровня расплава в
установке по мере изготовления отливок; возможность ухудшения качества сплава
при длительной выдержке в тигле установки; сложность эксплуатации и наладки
установок.
Преимущества и недостатки способа
определяют рациональную область его применения и перспективы использования.
Литье под низким давлением наиболее широко применяют для изготовления сложных
фасонных и особенно тонкостенных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов,
простых отливок из медных сплавов и сталей в серийном и массовом производстве.
Особенности формирования
отливки при литье под низким давлением. Заполнение форм расплавим при
этом способе литья может осуществлятся со скоростями потока, которые можно
регулировать в широком диапазоне. Для получения качественных отливок
предпочтительно заполнять форму сплошным потоком, при скоростях, обеспечивающих
качественное заполнение формы и исключающих захват воздуха расплавим,
образование в отливках газовых раковин, попадание в них окисных пленок и
неметалических включений. Однако уменьшение скорости потока, необходимое для
сохранения его сплошности может вызвать преждевременное охлаждение и
затвердевание расплава, т.е. до полного заполнения формы. Поэтому, как и в
других литейных процессах, важно согласовывать гидравлические и тепловые режимы
заполнения формы рассплавом.
В зависимости от сочетания конструктивных
и пневматических параметров установки движение расплава в металлопроводе и
литейной форме при заполнении может происходить как при возрастающей скорости
потока, так и при колебательном ее изменении. Колебательный характер изменения
скорости отрицательно влияет на качество отливок, поэтому конструкция установки
и режим работы ее пневмосистемы, а также конструкция вентиляционной системы
формы должны способствовать гашению колебаний скорости.
Основными
конструктивными параметрами установки являются: объем рабочего пространства камеры,
площадь поперечного сечения отверстия металлопровода, площадь зеркала расплава
в тигле.
Увеличение объема рабочего
пространства камеры установки увеличивает скорость потока, способствует гашению
колебаний, но полностью их не исключает.
Уменьшение площади сечения
отверстия металлопровода в установках с объемом рабочего пространства менее
0.07 м3 приводит к резкому гашению колебаний и увеличению скорости
течения расплава, в установках с объемом рабочего пространства более 0.4 м3
увеличение площади сечения отверстия металлопровода не влияет на характер
движения потока и скорость расплава на входе в форму.
Увеличение площади зеркала
расплава в тигле при условии постоянства массы расплава в нем способствует
спокойному заполнению. Поэтому установки с тиглем ванного типа, в которых
зеркало расплава достаточно велико, более предпочтительны, так как обеспечивают
устойчивый режим работы.
Увеличение гидравлического сопротивления
на входе расплава в металлопровод приводит к снижению ускорения расплава в
начале заполнения и гасит возникающие колебания.
Важное значение для обеспечения
постоянства заданной скорости от заливке к заливке, т.е. по мере понижения
уровня расплава в тигле, имеет система управления подачей воздуха в камеру
установки. Системы регулирования по величине давления целесообразно использовать
только в установках ванного типа. При этом точность регулирования должна быть в
пределах 0.01-0.05МПа; это обеспечивает поддержание скорости заливки с
погрешностью 10-15%. Для установок ванного типа используют дроссельные системы
регулирования.
Конструкция полости
формы и конструкция ее вентиляционной системы также оказывают влияние на
характер движения расплава в полости формы. При заполнении форм сложных отливок
с ребрами, бобышками создаются условия для захвата воздуха потоком расплава.
Гидравлическое сопротивление полости формы оказывает существенное влияние на
характер движения потока. Конструкция вентиляционной системывлияет на характер
движения потокарасплава в полости формы и металлопроводе. Уменьшение площади
вентиляционных каналов приводит к возрастанию противодавления воздуха в полости
формы, способствует гашению колебаний и снижает скорость потока расплава.
Тепловые условия
формирования отливки создают возможность направленного затвердевания отливки
и питания ее усадки. Части формы, расположенные на верхней плите рабочей камеры
установки нагреваются до температуры большей, чем верхняя часть формы. Кроме
того, через нижние сечения полости формы, расположенные ближе к металлопроводу,
проходит большее количество расплава, чем через сечения, расположенные в
верхней части, что существенно увеличивает разницу температур в нижней и
верхней частях отливки. Поэтому массивные части отливки, требующие питания, располагают
внизу формы, соединяют их массивными литниками с металлопроводом; вверху же
формы располагают части отливки, не требующие питания.
Статическое давление на расплав по окончании заполнения
формы улучшает контакт затвердевающей корочки и поверхности формы, вследствие
чего увеличивается скорость затвердевания отливки. Вместе с тем давление
воздуха на расплав в тигле способствует постоянной подпитке усаживающейся отливки,
в результате чего уменьшается усадочная пористость, возрастает плотность и
повышаются механические свойства отливки.
Избыточное давление в потоке
расплава при заполнении формы больше, чем при гравитационной заливке, и
гидравлический удар, который может возникнуть при окончании заполнения формы,
приводит к прониканию расплава в поры песчаного стержня, появлению
механического пригара на отливках.
При литье под низким давлением
стремятся заполнить форму расплавим с возможно меньшим перегревом, достаточным
для хорошего заполнения формы. С уменьшением толщины стенки отливки и
увеличением ее размеров температуру заливки принимают большей. Литниковые
системы конструируют с учетом литейных свойств сплава и конструкции отливки.
Для отливок простой конфигурации литниковая система может состоять из одного
литника, непосредственно примыкающего к массивной части, для более сложных
тонкостенных отливок - из литника, литниковых ходов, коллектора и питателей.
Литье с противодавлением
Развитие литья под низким
давлением является литье с противодавлением. Установка для литья с
противодавлением состоит из двух камер. В камере, устройство которой подобно
герметической камере установки литья под низким давлением, располагается тигель
с расплавим. В камере находится форма, обычно металлическая. Камеры разделны
герметичной крышкой, через нее проходит металлопровод, соединяющий тигель и
форму. Эти камеры прочно соединены друг с другом зажимами.
Давление воздуха, под которым
происходит заполнение формы расплавим, будет будет соответственно равно разнице
давлений в нижней Ра и верхней Рб камерах установки: DР=Ра-Рб. Скорость подъема
расплава в металлопроводе и полости формы так же, как и при литье под низким
давлением, будет зависеть от всей совокупности рассмотренных выше
конструктивных и пневматических характеристик системы, определяющих скорость
нарастания разницы давлений DР, во время работы установки.
Литье с противодавлением
позволяет уменьшить выделение газов из расплава, улучшить питание отливок и вследствие
этого повысить их герметичность, а также механические свойства. Этот способ
литья дает наибольший эффект при изготовлении отливок с массивными стенками
равномерной толщины из алюминиевых и магниевых сплавов, кристаллизующихся в
широком интервале температур. Использование второй стадии процесса - кристаллизации
под всесторонним избыточным давлением для тонкостенных отливок не всегда
приводит к заметному улучшению свойств. Это объясняется тем, что
продолжительность кристаллизации тонкостенных отливок мала и отливка
затвердевает прежде, чем давление в верхней камере установки достигнет
необходимой величины.
Литье вакуумным
всасыванием
Сущность процесса литья
вакуумным всасыванием состоит в том, что расплав под действием разряжения,
создаваемого в полости формы, заполняет ее и затвердевает, образуя отливку.
Изменением разности между атмосферным давлением и давлением в полости формы можно
регулировать скорость заполнения формы расплавим, управляя этим процессом.
Вакуумирование полости форм при заливке позволяет заполнить формы тонкостенных
отливок с толщиной стенки 1-1.5 мм, исключить попадание воздуха в расплав,
повысить точность, и механические свойства отливок.
В производстве используют
установки двух основных разновидностей.
Установки первого типа имеют две камеры:
нижнюю и верхнюю. Нижняя камера представляет собой раздаточную печь с
электрическим или газовым обогревом, в которой располагается тигель с расплавим.
Верхняя камера расположена на крышке нижней камеры, в крышке установлен
металлопровод. Форму устанавливают и закрепляют в камере так, чтобы литник
соединялся прижимами с крышкой. Полость верхней камеры через вакуум-привод соединена
с ресивером, в котором насосом создается разряжение, регулируемое системой
управления. В начальный момент клапан управления открывается, в верхней камере
создается разряжение, и расплав вследствие разницы давлений в камерах по
металлопроводу поднимается и заполняет полость формы. После затвердевания
отливки клапан системы управления соединяет полость верхней камеры с
атмосферой, давление в обеих камерах становится одинаковым, а остатки незатвердевшего
расплава сливаются из металлопровода в тигель. Верхняя камера снимается, форма
с отливкой извлекается и цикл может повторятся.
Установки такого типа используют
обычно для улучшения заполнения форм тонкостенных сложных фасонных отливок из
алюминиевых и магниевых сплавов с толщиной стенки 2-2.5мм, а иногда и до
1-1.5мм.
Установки второго типа используют для отливки
втулок, слитков и заготовок простой конфигурации в водоохлаждаемых системах
кристаллизаторы. Носок металлического водоохлаждаемого кристаллизатора
погружается в рассплав, находящийся в тигле раздаточной печи. Рабочая полость
кристаллизатора, оразующая отливку, соединяется вакуумом-проводом с вакуумным
ресивером. Разряжение в системе создается вакуумом-насосом и регулируется
натекателем. Поворотом распределительного крана рабочая полость кристаллизатора
соединяется в вакуумным ресивером. В полости кристаллизатора создается
разрежение, и расплав всасывается внутрь кристаллизатора, поднимаясь на высоту,
пропорциональную разрежению hрт и обратно пропорционально ее плотности. После
затвердевания отливки носок кристаллизатора извлекают из ванны расплава,
поворотом крана, рабочую полость соединяют с атмосферой и отливка выпадает из
кристаллизатора в приемный короб.
Особенности формирования
отливки.
Форма может заполнятся расплавим с тебуемой скоростью, плавно, без
разбрызгивания, сплошным фронтом; расплав, заполнивший форму, затвердевает в
условиях вакуума; газы, содержащиеся в расплаве, могут из него выделяться,
благодаря чему создаются условия для получения отливок без газовых раковин и
пористости. Для получения плотных отливок без усадочных дефектов необходимо
согласовывать интенсивности затвердевания и питания отливки.
Обычно при литье вакуумным всасыванием
слитков, втулок, расплав засасывают в тонкостенный металлический
водоохлаждаемый катализатор, благодаря чему отливка отливка затвердевает с
высокой скоростью.
Таким способом можно получать
тонкостенные отливки типа втулок без стержней. В этом случае после всасывания
расплава в кристаллизатор и намораживания на внутренних стенках кристализатора
корочки твердого металла заданной толщины вакуум отключается и незатвердевший
расплав сливается обратно в тигель. Таким образом получают плотные заготовки
втулок без газовых и усадочных раковин и пористости. Способ позволяет получать
отливки из легких цветных и медных сплавов, чугуна и стали. Наиболее часто этот
способ исползуетсядля литья заготовок втулок, вкладышей, подшипников скольжения
из дорогостоящих медных сталей. При этом наиболее ярко проявляются основные преимущества
данного способа: спокойное заполнение формы расплавим с регулируемой скоростью,
сокращение расхода металла в следствии устранения литников и прибылей,
автоматизация процесса заполнения формы.
|