Специальные виды литья. Литье под давлением
Специальные виды литья. Литье под давлением
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.
[pic]
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.
[pic]
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. |
