Литье в формы, полученные вакуумированием
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАМСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА
"МиТЛП"
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине
"Специальные виды литья"
на тему:
"Литье в формы, полученные вакуумированием"
Набережные
Челны - 2011
Оглавление
Введение
Технологическое оборудование и материалы
Технологический процесс
Изготовление стержней
Замороженные формы и стержни
Особенности, преимущества и недостатки, область применения
Заключение
Список использованной литературы
Введение
В последние годы в литейном производстве повсеместно внедряются
специальные способы литья, имеющие ряд преимуществ по сравнению с традиционным
литьем в разовые песчано-глинистые формы. Удельный вес отливок, получаемых
специальными способами, неуклонно увеличивается.
Специальные способы литья позволяют получать отливки более точных
размеров с хорошим качеством поверхности, что способствует уменьшению расхода
металла и трудоемкости механической обработки; повысить механические свойства
отливок и уменьшить потери от брака; значительно снизить или исключить расход
формовочных материалов; сократить производственные площади; улучшить
санитарно-гигиенические условия и повысить производительность труда.
К наиболее распространенным специальным способам литья относят: литье в
кокиль, литье под давлением, центробежное литье, литье в оболочковые формы,
литье по выплавляемым моделям, литье по газифицируемым моделям, литье в
гипсовые формы, литье под регулируемым давлением, литье в керамические формы,
электрошлаковое литье, а также литье в формы, полученные вакуумированием.
Процессом литья в формы, полученные вакуумированием, называют способ
получения литой заготовки из различных сплавов в формы из огнеупорных сыпучих
материалов (обычно из кварцевого песка), без связующего, прочность которой
создается вакуумом. Этот процесс также называют V-процессом.
Освоение данной технологии началось в Японии в 1971 г. С плоских отливок,
различных художественных изделий, в первую очередь декоративных решеток из
алюминиевых, медных сплавов и из стали.
В последующие годы V-процессом
активно занимались все промышленно-развитые страны, усовершенствующие этот
процесс. В последствии появилось большое количество патентов, в которых
предлагались новые технологические приемы и материалы с использованием этого
процесса при литье в кокиль, центробежном литье, в литье по газифицируемым
моделям и др. Благодаря этому стало возможным повышение качества отливок,
полученных в вакуумированных формах, резкое уменьшение расхода формовочной
смеси и полное изъятие связующих материалов, уменьшение загрязнений окружающей
среды и др.
В данной работе мы рассмотрим литье в формы, полученные вакуумированием,
опишем технологический процесс вакуумной формовки, раскроем суть этого
процесса, обозначив его особенности, преимущества и недостатки.
Технологическое оборудование и материалы
1. Водокольцевой вакуум-насос.
. Вибростол переменного типа (мощность вибратора 3000 об/мин., двойная амплитуда
1,5 мм.).
3. Нагревательные элементы для размягчения и пластификации пленки из
полимерных материалов:
нагревательные элементы, принцип действия которых основан на
использовании тепловой энергии лучей дальней (коротковолновой) ИК-области
спектра излучения;
нагревательные элементы, отдающие тепловую энергию при помощи открытого
огня, либо принцип действия которых основан на излучении тепла при прохождении
через них электрического тока.
Чтобы тепло распространялось равномерно, нагревательные элементы,
находящиеся на пластине нагревателя, располагают в три группы А (240-280°С), В
(220-250°С), С (170°С). В процессе функционирования установки электрическая
схема управления нагревом использует каждую группу нагревательных элементов в
отдельности, и тем самым регулирует температуру каждой из групп нагревательных
элементов, распределяя нагрев равномерно.
. Формы и съемные части формы, в которых имеются отверстия для откачки
воздуха диаметром 2-3 мм. Данные отверстия необходимы для обеспечения плотного
прилегания пленки из полимерных материалов к форме. В местах неплотного
прилегания пленки к форме следует дополнительно просверлить еще одно маленькое
отверстие.
Для изготовления формы допускается использование пористых материалов.
Если форма не предусматривает конусности, то внешнюю часть формы можно
изготовить из материалов, не требующих соблюдения угла конусности отливки,
таких как гипс или дерево.
. Опока с трубой для откачки воздуха со специальным фильтром и отъемные
части формы. Способ откачки воздуха следующий:
по трубопроводам для откачки воздуха;
из боковой вытяжной камеры;
комбинированный способ.
При использовании трубопроводов для откачки воздуха (для изготовления
трубопроводов для откачки воздуха можно использовать металлизированные
гофрированные шланги от электрических проводов) на них должны быть установлены
специальные просеивающие фильтры, размер ячейки которых должен быть меньше
среднего размера песчинок формовочного песка.
Применяемые материалы
1. Полимерная пленка: полиэтилен низкой плотности (РЕ-пленка),
полипропилен (РР-пленка), этилвинилацетат (EVA-пленка), полистирол (PS-пленка). Пленка должна соответствовать следующим
требованиям:
равномерная пластическая деформация пленки во всех направлениях в
нагретом состоянии;
плотное прилегание нагретой пленки при наложении ее на вакуумируемую
модель без разрывов;
дефекты полимерной пленки должны быть легко устранимы;
во время разогрева пленки до вязко-текучего состояния (пластификации)
количество выделяемых газов и запахов должно быть незначительным;
содержание винил ацетата в таких материалах, как EVA-пленка должно находиться в пределах 14-19%. Чем выше
содержание винил ацетата в исходном полимерном материале, тем, соответственно,
выше будет термочувствительность полимерной пленки.
. Формовочные материалы: циркон, хромит, оливин, кварцевый песок и др.
огнеупоры. Все они обладают незначительным термическим расширением, большой
теплопроводностью и способностью легко отделяться от отливок. Однако чаще всего
применяют именно кварцевый песок в связи с его распространенностью,
доступностью и дешевизной.
Формовочный песок должен обладать достаточной степенью проницаемости, при
этом, чем меньше размер песчинок, тем проницаемость будет ниже. Наличие в песке
различных примесей, а также смешивание формовочных песков различных марок может
привести к возникновению песчаных раковин.
Технологический процесс
1. В процессе производства используется специальная вакуумная форма с
вытяжной камерой и с отверстиями для откачки воздуха. В качестве
герметизирующих материалов применяют синтетическую пленку, которую наносят на
модельную оснастку при изготовлении форм.
. Нагретую до размягченного пластичного состояния пленку из полимерного
материала, толщиной до 0,1 мм и площадью поверхности, равной площади модели в
плане, помещают на заранее подготовленную форму. Затем вакуумный насос
выкачивает воздух. Это приводит к тому, что под действием приложенной силы
вакуумного насоса полимерная пленка плотно прижимается к форме и оформляется в
готовое изделие.
3. Затем на уже прижатую к форме пленку из полимерного материала
накладывается опока, оборудованная трубой для откачки воздуха со специальным
фильтром.
. Внутренняя часть опоки заполняется специальным сухим огнеупорным
формовочным материалом (кварцевый, цирконовый и др. пески), не имеющим
спаивающих (вяжущих) веществ и других дополнительных примесей. Перед засыпкой
песка пленку, покрывающую модельную плиту, со стороны формы окрашивают
огнеупорными красками (графит, алюминиевая пудра, циркон и др.) для
предупреждения засора, что обеспечивает хорошую поверхность отливки без
пригара. Мелкими встряхиваниями вибростола достигается уплотнение заполнителя
опоки, удаляются излишки засыпного материала, а сверху опока накрывается
полимерной пленкой, необходимой для уплотнения заполнителя. После этого
открывается клапан трубы для откачки воздуха, что приводит к возникновению
вакуума в формовочном песке. В результате этого возникает разница внешнего и
внутреннего давления на форме (приблизительно 300~400 миллиметров ртутного
столба). Благодаря указанной разнице давлений получается форма для литья,
обладающая достаточно высокой жесткостью. Значение жесткости формы по шкале
твердости может достигать плюс-минус 95.
5. После полного окончания приложения усилия вакуума внутри формы,
указанную форму необходимо извлечь, чтобы получилась полость. Усилие должно
прилагаться к форме до тех пор, пока форму можно будет извлечь без особых
усилий и без ущерба для полученной полости для заливки. Нижнюю часть опоки
изготавливают точно так же, как и описано выше для верхней части опоки.
. В форму при необходимости устанавливаются различные литейные (песчаные)
стержни, которые образуют в форме полость отливки. Обе полуформы все время
находятся под вакуумом и в таком виде их собирают. Далее происходит заливка
металла в образовавшуюся форму. Во время контакта под вакуумом с расплавленным
металлом пленка практически не горит, она переходит в газообразное состояние и
под действием вакуума проникает в песок, частично конденсируется и затвердевает
вместе с зернами песка при охлаждении.
7. Сборка полуформ, ее выдержка перед заливкой и сам процесс заливки
металлом производятся без снятия вакуума. Усилие вакуумного насоса должно
прилагаться вплоть до полного затвердевания изделия. После полного
затвердевания изделия, прекращается откачка воздуха из формы. И когда давление
внутри формы начнет приближаться к атмосферному, нижняя и верхняя части формы
автоматически распадаются и песок с отливкой вываливаются из опоки через
охладительное и пылеулавливающее устройства.
. Далее следуют финишные операции: отбивка литников, заточка литников,
очистка литья, термическая обработка.
Технологический процесс изготовления формы вакуумированием
при использовании нагретого песка:
1. Песок нагревают до 70-90°С.
. Модельную плиту 1 покрывают пленкой 3 и устанавливают опоку 4, которую
засыпают нагретым сыпучим материалом 5.
. Пленка, размягчаясь, деформируется и под действием массы нагретого
наполнителя и подводимого вакуума идеально облегает профиль модели.
. Затем на контрлад опоки накладывается второй слой синтетической пленки
6 и подключают опоку к вакуумному насосу.
. Далее процесс протекает по стандартной схеме изложенной выше, начиная с
пункта 5.
Технология заливки
. Чтобы избежать воспламенения полимерной пленки, время отводимое на
формовку должно быть максимально коротким, для чего увеличивают внутреннюю
площадь литников-питателей или их количество. Если изделие имеет большую
плоскость, то заливку делают под уклоном.
. Во избежание разрушения формы из-за высокой скорости заливки на пути
следования металла делают специальные оттоки и рассекатели.
Механизм затвердевания отливки
Непосредственно после заливки металла скорость охлаждения отливки
сравнительно велика, так как залитый металл под действием вакуума плотно
прилегает к поверхности формы. После достаточного прогревания формы и повышения
температуры формы скорость охлаждения отливки снижается. Скорость теплоотвода
через форму при вакуумной формовке снижается при уменьшении размеров зерен
песка и увеличения разряжения.
С температурными условиями связано формирование структуры, а
следовательно, и механических свойств отливок. Замедленное охлаждение влияет на
свойства отливок неоднозначно. Склонность тонкостенных отливок из чугуна к
отбеливанию больше, чем при сырых песчаных формах; для относительно
толстостенных отливок - противоположная закономерность.
Изготовление стержней
Вакуумной формовкой можно получать стержни. Учитывая их тяжелые условия
при заливке металла, связанные с проникновением металла в поверхностные слои
стержня из-за его усадки и вакуумирования, для стержней используют только
мелкозернистые пески и предусматривают окраску огнеупорными составами. При
изготовлении стержней применяют стержневые ящики с газопроницаемыми стенками.
Стержни простой формы (например, цилиндрической) изготавливают в
разъемных стержневых ящиках. На внутренней поверхности стержневого ящика
расположены отверстия 5, соединенные с плоскостью 6 и вакуум-проводом 7. Внутрь
стержневого ящика 4 помещается подогретая эластичная пленка 8. При подключении
вакуума через вакуум-провод пленка обтягивает поверхность ящика. Затем в ящик
вставляют трубку 1 с фильтром 2 и через нее в ящик засыпают мелкозернистый
песок. Под действием вакуума, подаваемого через трубку 1, происходит фиксация
песка и сцепление его с эластичной пленкой. После разъема стержневого ящика
готовый стержень вынимают.
Стержни сложной формы также изготавливают в разъемных стержневых ящиках
(рис. см. ниже), но технология их изготовления отличается от технологии
изготовления стержней простой формы.
В этом случае синтетическая пленка 3 в виде мешка размещается между двумя
половинами стержневого ящика 1 и 4. Открытая горловина полимерного мешка
выступает за пределы стержневого ящика. Затем ящик нагревают для размягчения
пленки. В горловину вставляют сопло 2, через которое засыпают песок 5, например
пескострельной головкой. Под давлением песка размягченная пленка плотно
прилегает к поверхности рабочей полости ящика, одновременно с вдуванием песка
ящик вибрируют для его уплотнения. Через то же сопло 2 внутри стержня создают
разряжение (вакуум). Далее, после полного оформления конфигурации стержня сопло
2 убирают и при помощи электропаяльника 6 запаивают горловину. Такая технология
обеспечивает стержню 7 высокую прочность и хорошую выбиваемость из стержневого
ящика, а также устраняет необходимость в очистке ящика от остатков смеси.
Готовый стержень можно хранить неограниченное время без подключения к
вакуумному насосу.
Для установки стержня в форму используют различные технологические
приемы, например, создание вакуума. Для этого в облицовочной герметизирующей
пленки формы на участках контакта со стержнем выполняют отверстия. По другой
технологии стержень 1 устанавливают в углубление знак 2. Эта часть выступает за
пределы плиты и выполнена расширяющейся кверху. Затем на плиту 3 и стержень 1
накладывают облицовочную пленку 4. Плотное прилегание пленки 4 к плите 3 и
стержню 1 обеспечивают вакуумированием полости 7 и соединенных с ней сквозных
каналов 8. Далее устанавливают опоку 9, заполняют ее формовочным песком 5,
накладывают второй лист пленки 6 и вакуумируют опоку. Затем соединяют полость 7
с атмосферой и выполняют протяжку модели. Конфигурация знаковой части стержня 1
обеспечивает ее жесткую фиксацию в полуформе и предотвращает выпадение стержня
при протяжке модели.
Замороженные формы и стержни
литейный форма вакуумирование стержень
Вместо герметизирующей пленки возможно использование замороженного
поверхностного слоя формы. При этом используют единые формовочные смеси без
связующих материалов. Связующим служит вода, перешедшая при охлаждении в лед, что
значительно упрощает процесс регенерации формовочных смесей и улучшает условия
труда.
По качеству поверхности и размерной точности отливки, изготовленные по
данной технологии, превосходят отливки, полученные традиционным способом.
Отбела чугунных отливок, как правило, не наблюдается. По механическим свойствам
стальные отливки находятся на том же уровне, что и полученные в сырых
песчано-глинистых формах.
Технология изготовления замороженного стержня
В стержневой ящик 1 засыпают влажный песок и уплотняют его вибрацией.
Затем со стороны набивки к ящику прижимают коллектор 2, имеющий каналы
"а" и снабженный герметизирующей прокладкой 3. Внутренняя поверхность
коллектора и стенки каналов выполнены из теплоизоляционного материала.
Стержневой ящик поворотом вентиля 4 соединяют с вакуумным насосом 5. Через
вентиляционные каналы "б" в дне ящика вакуумируют песок и полость
коллектора 2. Затем открывают вентиль 6 и соединяют стержневой ящик с
изотермической емкостью 7, заполненной жидким азотом. Под действием
атмосферного давления сжиженный газ поступает через коллектор к поверхности
стержня, где испаряется и охлаждает его до температуры испарения.
Образовавшиеся холодные пары под действием разрежения (вакуума) фильтруются
через толщу песка, замораживают содержащуюся в нем воду и тем самым упрочняют
песок.
Для повышения качества форм наполнительную смесь, содержащую 0,1-2,0%
влаги перед подачей в оснастку можно охладить до минусовой температуры.
При изготовлении литейной формы облицовочный слой к модели не примерзает,
так как при извлечении модели из формы она имеет температуру выше 0°С.
Дальнейшее снижение температуры в облицовочном слое происходит после извлечения
модели за счет отвода теплоты предварительно охлажденным наполнителем.
Уменьшение влажности слоя формы до 0,1-2,0% способствует существенному
повышению его газопроницаемости и уменьшению парообразующей способности,
являющихся основными показателями качества формы. При более высокой влажности
возрастает парообразующая способность и снижается газопроницаемость,
обусловливая брак литья по газовым включениям.
Технология изготовления замороженной литейной формы
На модельную плиту 1 с моделью 2 и элементом литниковой системы
устанавливают опоку 3 и литниковую втулку 4. При помощи пескодувной машины на
модель наносят облицовочный слой смеси 5 толщиной 20 мм, затем в опоку 3 подают
наполнительную смесь 6, предварительно обезвоженную до содержания 0,1-2,0% воды
и охлажденную до -10 - -60°С. Температуру на границе модель-форма фиксируют
термопарой 7. При температуре около 0°С модельную плиту 1 вместе с моделью 2 и
элементом литниковой системы удаляют, а полученную полуформу направляют на
сборку, предварительно установив на нее литниковую воронку.
Особенности, преимущества и недостатки, область применения
Особенности процесса:
- отсутствие связующего материала в формовочных и стержневых смесях;
применение разряжения (вакуума) для придания форме требуемой прочности;
использование специальных полимерных пленок в качестве облицовки для форм
и стержней.
Преимущества процесса:
- высокое качество отливок (точность, уменьшение припуска, улучшение
поверхности);
уменьшение расхода исходных формовочных материалов и полное исключение
связующих материалов;
снижение трудоемкости процессов формообразования;
максимальная скорость заливки формы;
форма обеспечивает минимальную температуру заливки металла за счет
высокой заполняемости и теплоемкости;
исключение газовыделения при заливке и выбивке отливок;
высокая степень твердости, твердость отливки равномерная;
заполняемость формы металлом при заливке выше на 30% чем при сырой
формовке;
можно производить тонкостенные детали с толщиной стенки всего 3мм;
нет отходов и системы регенерации смеси, высокая экологичность;
возможность обеспечения формовочного уклона до 0° или отрицательных
уклонов с помощью отъемных частей модели;
долгий срок службы моделей, благодаря их низкому износу, изготовленных
обычно из пластмассы или дерева, т.к. отсутствует непосредственный контакт модели
с песком (только с пленкой, что исключает износ);
существенное уменьшение условий для "горячих трещин";
возможность выбивки отливок при высоких температурах;
меньше затрат на термообработку отливок.
Недостатки процесса:
- наличие вакуумного оборудования и необходимость поддержания вакуума в
течение всего технологического цикла изготовления отливки;
длительность изготовления и сборки форм;
сложность конструкций модельной и опочной оснастки, трудно увеличить
производительность изделий малой формы;
из-за того, что на заготовки из полимерных материалов накладывают
ограничения по тягучести и пластичности материала, то это ограничивает сферу
применения указанной технологии;
проблема с охлаждением формовочной смеси;
сильное пылевыделение.
Область применения процесса:
- декоративные крупногабаритные отливки типа фигурных решеток, оград,
ворот и т.п.;
машиностроительные отливки из различных черных и цветных сплавов с
ограниченным диапазоном высот и с отсутствием протяженных стержнем;
отливка бытовых ванн с уменьшенной толщиной стенок;
рамы текстильных машин, чугунные секции котлов, якоря и др.;
отливки из сплавов, склонных к трещинообразованию (регулирование
прочности форм после ее заливки).
Заключение
Большинство операций при специальных способах литья легко поддается
механизации и автоматизации. Экономическая целесообразность замены литья в
разовые песчано-глинистые формы тем или иным специальным способом зависит от
масштаба производства, формы и размеров отливок, применяемых литейных сплавов и
т.п. Она определяется на основе тщательного технико-экономического анализа всех
затрат, связанных с новым технологическим процессом.процесс, находясь на новом
витке технического и технологического развития, в последние годы стал еще
эффективнее при изготовлении не только стальных и чугунных отливок, но уже и
магниевых. А с учетом самой высокой экологичности V-процесса, по сравнению с
другими известными способами формовки, перспективы расширения его применения
очевидны.процесс позволяет существенно сократить инвестиции в модернизацию
литейного производства. При этом полученные отливки не только более
качественные, но, что также немаловажно, и более дешевые.процесс бесшумен и
является самым экологически чистым, так как формы во время заливки и начального
охлаждения постоянно находятся под вакуумным отсосом всех выделяемых формой
газов и рабочие могут работать в комфортных условиях (в отличие от традиционной
запыленности и задымленности старых литейных цехов). Экологические преимущества
с возможностью получения более качественных отливок по низкой себестоимости -
главные векторы современных тенденций дальнейшего совершенствования основных
технологий литья в разовые песчаные формы. V-процесс соответствует всем не
только самым современным, но и самым перспективным экологическим требованиям.
Список использованной литературы
1. Гини Э.Ч., Зарубин А.М., Рыбкин В.А. Технология литейного
производства: Специальные виды литья: Учебник для студ. высш. учеб. заведений.
- М.: Академия, 2005. - 352 с.
. Ефимов В.А., Анисович Л.А., Бабич В.Н. Специальные способы
литья: Справочник. - М.: Машиностроение, 2001. - 436 с.
. Иванов В.Н. Специальные виды литья: Учебное пособие, 2-е
изд., стереотип. - М.: МГИУ, 2008. - 316 с.