План лекции
1. Основные операции получения отливки.
2. Технология изготовления моделей и керамических форм. Заливка
форм, обрубка и очистка отливок.
3. Механизация и автоматизация процесса. Контроль отливок.
Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) – способ получения отливок в многослойных оболочковых неразъемных керамических формах, изготовляемых с использованием выплавляемых, выжигаемых или растворяемых моделей однократного использования.
Сущность способа получения отливок по выплавляемым моделям состоит в том, что модель отливки и модель литниковой системы изготовляют из легкоплавких материалов путем запрессовки их или заливки их в пресс-формы. Затвердевшую модель извлекают из пресс-формы, припаивают к литниковой системе, образуя модельный блок. На поверхность модельного блока наносят несколько слоев суспензии и обсыпки, которые после сушки создают на блоке высокоогнеупорную керамическую оболочку. Выплавив из оболочки модельный состав, получают тонкостенную оболочку литейной формы отливки. Полученную оболочку формуют в специальных неразъемных опоках, прокаливают и заливают расплавом.
Способ получения отливок по выплавляемым моделям дает возможность:
Получать отливки, максимально приближенные по форме и размерам с высокой чистотой поверхности;
Получать отливки с минимальным припуском на обработку из любых сплавов, в том числе не поддающихся ковке и штамповке и трудно обрабатываемых механической обработкой;
Объединять отдельные детали в компактные цельнолитые узлы;
Создавать конструкции (например, лопатки ГТД со сложными лабиринтными полостями газового тракта), невыполнимые какими-либо другими методами обработки.
Все вышеперечисленные преимущества способа литья по выплавляемым моделям в полной мере могут быть реализованы только при условии, что детали сконструированы с учетом особенностей этого способа, т.е. они технологичны для литья по выплавляемым моделям
Литниково-питающая система при литье по выплавляемым моделям
Как известно, литниково-питающая система (ЛПС) должна обеспечить оптимальные условия заполнения формы и получение отливок без литейных дефектов, при минимальном расходе металла на ЛПС. Особенность ЛПС при литье по выплавляемым моделям состоит в том, что она выполняет три основные задачи:
ЛПС является несущей конструкцией, обеспечивающей прочность модельного блока и сохранность моделей отливок на всех технологических операциях, предшествующих выплавлению моделей из формы.
В период затвердевания отливок, элементы ЛПС одновременно выполняют роль прибыли, поэтому должны присоединяться к наиболее массивным частям отливки.
Кроме того, конструкция ЛПС должна обеспечить направленное затвердевание отливок от наиболее тонких частей к массивным.
Изготовление пресс-форм
При конструировании пресс-форм необходимо учитывать следующее:
Материал пресс-формы должен обеспечить ее прочность, а моделям высокую точность и малую шероховатость поверхности;
Пресс-форма должна иметь минимальное число разъемов;
Расположение внутренних частей пресс-формы должно быть таким, чтобы модели надежно, удобно и быстро извлекались из пресс-формы;
Необходимо обеспечить возможность свободного выхода воздуха из полости пресс-формы в момент заполнения ее модельным составом;
Конструкция пресс-формы должна обеспечить прочность крепления ее частей.
Выбор типа пресс-форм зависит от точности, предъявляемой к отливкам, свойств модельного состава и характера производства. в зависимости от сложности отливаемых изделий и их числа пресс-формы могут быть изготовлены из стали, легкоплавких сплавов, гипса, пластмассы, и резины.
Гипсовые пресс-формы применяют при художественном литье. В машиностроении применение гипсовых пресс-форм целесообразно при отливке небольшой серии сложных по форме деталей.
При изготовлении больших серий деталей применяются пластмассовые пресс-формы и пресс-формы из легкоплавких сплавов методом заливки на эталон.
Резиновые пресс-формы позволяют изготовить сложные изделия и применяют при изготовлении ювелирных изделий.
В массовом и крупносерийном производстве изделий применяют сложные стальные или алюминиевые пресс-формы, которые позволяют за одну операцию запрессовки получать несколько моделей, соединенных литникой системой в единую секцию.
Модели и модельные составы
К наиболее важным характеристикам готовой модели относятся механические характеристики, геометрическая точность размеров, шероховатость и твердость поверхности. Модельные композиции должны обладать свойствами, обеспечивающими высокое качество моделей, а, следовательно, и отливок. Для получения выплавляемых моделей высокого качества модельные состава должны обладать следующими основными свойствами:
Иметь достаточную прочность, твердость и теплостойкость, не размягчаться при температуре рабочего помещения;
Иметь необходимую жидкотекучесть, хорошо заполнять полость пресс-формы, четко воспроизводя ее рабочую поверхность;
Быстро затвердевать в пресс-форме, хорошо выниматься из формы при разборе, и не взаимодействовать с материалом пресс-формы;
Хорошо смачиваться суспензией и не взаимодействовать с ней;
Быть безвредными для работающих;
Входящие в состав компоненты должны быть дешевые и недефицитные.
В качестве исходных материалов используют парафин, стеарин, воск, канифоль, церезин, полистирол и др. Применяемые модельные составы подразделяют:
По температуре плавления – на легкоплавкие и тугоплавкие;
По состоянию при введении в пресс-форму – на жидкие и пастообразные;
По способу удаления из оболочки – на выплавляемые, выжигаемые и растворимые.
Выплавляемые легкоплавкие составы применяют для моделей небольших отливок и приготовляют в основном из парафина и стеарина. Преимуществом такого модельного состава является удобство выплавления моделей, возможность повторного использования выплавленного из форм модельного состава, недостатком является низкая температура размягчения и невысокая прочность моделей. Тугоплавкие модельные составы применяют для моделей крупных отливок с повышенной точностью размеров и прочностью поверхности. В качестве добавок, повышающих прочность, теплостойкость и снижающих хрупкость используют касторовое масло, полиэтиленовые воски, этилцеллюлозу и др. Растворимые модельные составы приготовляют на основе технической мочевины с добавкой в качестве пластификатора 2%-ной борной кислоты. В состав выжигаемых модельных составов входят вспенивающиеся термопласты на основе полистиролов.
Процесс приготовления модельного состава. Очищенные от механических загрязнений куски парафина, стеарина и возврата в определенных соотношениях закладывают в рабочий бак электрованны и расплавляют. Перегревают на 5…10 ºС выше температуры расплавления модельного состава и выдерживают 2…7 мин для осаждения попавших загрязнений. После выдержки расплав фильтруется и переливается в мешалку. Здесь модельный состав охлаждается до пастообразного состояния, после чего подается для запрессовки моделей.
Изготовление моделей.
Выплавляемые модели изготовляют в пресс-формах путем заполнения их полости модельным составом. Модельный состав вводится в полость пресс-формы в жидком состоянии путем свободной заливки или запрессовки. Способ свободной заливки полости пресс-формы жидким модельным составом прост, не требует применение специального оборудования, дает возможность получать прочные, большие модели. Однако он имеет и свои существенные недостатки, такие как:
Малая производительность
Ограниченные возможности получения моделей с четким рельефом внутренней поверхности пресс-формы.
Поэтому для получения моделей деталей ответственного назначения, а также в производстве художественных и ювелирных отливок наиболее распространен способ изготовления выплавляемых моделей путем запрессовки модельного состава. При этом способе модели получают более четкий рельеф поверхности. Кроме того, такой способ заполнения пресс-форм более производителен, т.к. позволяет использовать модельные составы в пастообразном (охлажденном) состоянии. Для запрессовки модельного состава применяется специальное оборудование, это – ручные шприцы, инжекционные установки, пневматические, гидравлические и рычажные прессы.
После затвердевания и охлаждения модели, ее извлекают из полости пресс-формы, поверхность модели очищают от облоев и швов. После чего, осуществляют сборку моделей в блоки либо припаиванием электропаяльником, либо склеванием. В производстве литья по выплавляемым моделям небольшие изделия отливают по нескольку штук в одной форме (4…12 шт. в машиностроении; до 100 шт. в ювелирном производстве).
При припаивании модели к стояку необходимо учитывать:
Прочность крепления модели на стояке;
Возможность полного выхода их формы модельного состава при выплавлении модели;
Устойчивость положения модельного блока при сушке и хранении.
Изготовление керамических оболочек Основой литейной формы при ЛВМ является многослойная неразъемная керамическая оболочка, изготовленная по разовым моделям. Оболочку изготовляют обычно последовательным нанесением на модельные блоки слоев суспензии (обычно этилсиликаты) и порошков огнеупорной основы (пылевидный кварц, электрокорунд, циркон). Размер зерен обсыпки составляет 0,1…1,5 мм. Каждый слой оболочки просушивают до удаления влаги. Обычно для получения оболочки необходимой прочности наносят 3…8 слоев.
После чего модельный состав выплавляют:
В ваннах с горячей водой;
С помощью подогретого воздуха или пара, направляемого в литниковую чашу;
В печах, применяемых для прокаливания форм.
Керамическая оболочка перед заливкой подвергается нагреванию для вытапливания воска, а затем и прокаливанию при высоких температурах (до 1000 ºС). Полученная оболочка огнеупорна, обладает необходимой прочностью и газопроницаемостью, имеет рабочую полость с поверхностью очень малой шероховатости и точными размерами, четко воспроизводя конфигурацию отливаемой детали.
Такая оболочка может быть единственной частью литейной формы или сочетаться с опорным наполнителем, который применяется с целью упрочнения оболочки.
Основные операции получения отливки
Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в использовании точной неразъемной разовой модели, по которой из жидких формовочных смесей изготовляется неразъемная керамическая форма. Перед заливкой расплава модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием, растворением или испарением; для удаления остатков модели и упрочнения форма нагревается до высоких температур. Модель или звено моделей изготовляют в разъемной пресс-форме, рабочая поверхность которой имеет конфигурацию отливки с припусками на усадку и механическую обработку.
Модель изготовляют из материалов с невысокой температурой плавления (воск, парафин, стеарин), способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звено моделей собирают в блоки, литниковые системы которых выполняют из того же материала, что и модели. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью – суспензией для оболочковых форм, состоя щей из пылевидного кварца или электрокорунда и связующего. Для упрочнения этого слоя и увеличения его толщины на него наносят слой огнеупорного зернистого материала (кварцевый песок, электрокорунд, шамот). Операцию нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения оболочки требуемой толщины (3–10 слоев).
Каждый слой высушивают на воздухе или в парах аммиака, что зависит от связующего. После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. Для упрочнения перед заливкой оболочковую форму помещают в контейнер и засыпают огнеупорным материалом. Для удаления остатков моделей и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещается в печь для прокалки. Прокаленную форму заливают металлом. После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и производят обрезку литников.
Последовательность операций при изготовлении оболочковых форм по выплавляемым моделям показана на рис. 1.25. Отсутствие операции разъема формы, использование для изготовления моделей материалов, позволяющих не разбирать форму при удалении моделей, высокая огнеупорность материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой дают возможность получать отливки сложней шей конфигурации, максимально приближающейся к конфигурации готовой детали, поэтому литье по выплавляемым моделям относится к прогрессивным материалом и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов.
Технология изготовления моделей и керамических форм.
Заливка форм, обрубка и очистка отливок
Изготовление моделей. Для изготовления выплавляемых моделей используют смеси и сплавы легкоплавких материалов, чаще всего органического происхождения. В качестве исходных материалов применяют буроугольный воск, церезин, парафин, стеарин, канифоль, этилцеллюлозу и др. Модельные составы должны обладать следующими свойствами:
температура плавления 60–100 °С;
температура размягчения 35–45 °С;
хорошая жидкотекучесть;
минимальная линейная и объемная усадка;
минимальная зольность и неприлипаемость к поверхности пресс-форм;
хорошая смачиваемость облицовочными составами;
минимальное выделение паров при нагревании и сгорании;
возможность многократного использования.
Технологический процесс приготовления модельного состава зависит от входящих в него компонентов. Чаще всего приготовление модельного со става и расплавление возврата производится в специальных термостатах с водяным обогревом.
Заполнение пресс-формы модельным составом осуществляется свободной заливкой расплавленной массы, запрессовкой в пастообразном со стоянии, заливкой и запрессовкой под высоким давлением. Основным способом изготовления моделей является запрессовка со става в рабочую полость пресс-формы. Это обеспечивает хорошую точность и чистоту поверхности моделей. Для выполнения этой операции применяют установки, на которых приготовление пасты из жидкого расплава и запрессовка модельной массы в пресс-формы производится автоматически.
На рис. 1.26 приведена схема запрессовки модельной массы в пресс форму. Перед запрессовкой модельной массы стенки пресс-формы смазывают касторовым или трансформаторным маслом, смешанным с этиловым спиртом. Готовые модели хранятся в холодной проточной воде или в термостатах. Одновременно с изготовлением модели отливки изготавливают модели элементов литниковой системы: стояка и воронки. Затем модели собирают в блоки («елки») с помощью припайки моделей отливки к моделям литниковой системы. Изготовление оболочки. Процесс изготовления литейной формы включает подготовку материалов, формирование огнеупорной оболочки на поверхности моделей, удаление модели из оболочки, формовку оболочки в наполнителе и прокалку формы.
Исходными материалами для изготовления оболочки являются кварцевый песок, пылевидный кварц, гидролизованный раствор этилсиликата и 15 %-й раствор едкой щелочи.
Этилсиликат – сложное химическое соединение, основой которого является эфир ортокремниевой кислоты, содержащий до 45 % окиси кремния. Для придания этилсиликату вяжущих свойств осуществляют операцию его гидролиза в смеси воды, этилового спирта или ацетона и соляной кислоты. В результате гидролиза образуется золь кремниевой кислоты, обладающий высокими вяжущими свойствами.
Огнеупорную суспензию рекомендуется готовить в специальных смесителях. В бак загружается пылевидный кварц и добавляется связующее – гидролизованный раствор этилсиликата. Смесь тщательно перемешивается до полного удаления пузырьков воздуха.
Суспензию наносят на блоки моделей окунанием их в ванну с суспензией, а на крупные блоки и модели – обливанием. В зависимости от характера производства и степени механизации блок моделей погружают в ванну вручную, с помощью манипуляторов или копирующих устройств на цепных конвейерах. Блок погружают так, чтобы с поверхности моделей, особенно из глухих полостей, отверстий могли удалиться пузырьки воздуха. Вынутый из суспензии блок моделей поворачивают в различных направлениях так, чтобы суспензия равномерно распределилась по поверхности моделей, а излишки ее стекли назад в бак. После этого модельный блок сразу обсыпается песком; между нанесением суспензии и обсыпкой песком не должно проходить более 10–15 с, так как суспензия быстро сохнет и песок не соединяется с ней. Суспензию в баке непрерывно перемешивают, чтобы предотвратить оседание огнеупорного материала. Для нанесения песка на слой суспензии используют погружение модельного блока в слой «кипящего» песка.
Установки для обсыпки блока моделей в слое «кипящего» песка (рис. 1.27) состоит из емкости с песком, в ее нижней части расположена полость 2, в которую подводится сжатый воздух. Полость отделена от емкости с песком 1 сеткой, на которой уложен слой войлока. Воздух, проходя через войлок, переводит песок во взвешенное состояние, и песок обсыпает модельный блок 3.
После нанесения каждого слоя суспензии и обсыпки его высушивают в потоке воздуха или в парах аммиака. Продолжительность сушки и обсыпки каждого слоя суспензии на воздухе составляет 2–4 ч, а в парах аммиака – 50–60 мин. Сушку производят в вертикальных или горизонтальных много ярусных сушилах.
В зависимости от материала моделей используют различные способы их удаления из оболочки. Модели из выплавляемых воскообразных составов удаляют из формы погружением блока моделей в горячую воду или ванну с модельным составом. Этот способ получил наибольшее применение на производстве. Полистироловые выжигаемые модели удаляются из форм выжиганием или растворением в бензоле, ацетоне. Выжигание сопровождается выделением большого количества паров стирола, углеводородов, сажи. Во всех случаях при выжигании, растворении полистироловых моделей должна быть обеспечена хорошая приточно-вытяжная вентиляция с последующей очисткой удаляемого в атмосферу воздуха.
После удаления из блока легкоплавкого модельного состава оболочки формуют в жаропрочной опоке; засыпают наполнитель, уплотняют его, а за тем форму прокаливают в газовых или электрических печах при температуре 850–900 °С и выдерживают при этой температуре не менее двух часов, после чего формы поступают на участок заливки.
Изготовление отливки. Заливка форм металлом может производиться различными способами в зависимости от размера и веса отливок, состава сплава, назначения отливок. Заливка может быть: свободная – металл заполняет форму под действием собственного веса; на центробежных машинах – металл заполняет форму и затвердевает под действием центробежных сил.
После охлаждения форм производят выбивку отливок на специальных установках с поворотом опок на 180° для того, чтобы из опок высыпался наполнитель. Отделение отливок от литников осуществляют следующими способа ми: на вибрационных установках; продавливанием стояка с отливками через обрезной штамп; отрезкой дисковыми и ленточными пилами; отрезкой газовыми горелками.
Очистка отливок от огнеупорного покрытия является очень трудоемкой операцией. На практике применяют вибрационную, пескоструйную, гидропескоструйную, химико-термическую в растворах щелочей и кислот, а также в расплавленных солях и другими способами. Механизация и автоматизация процесса. Контроль отливок Литье по выплавляемым моделям – процесс многооперационный.
Манипуляторные операции при изготовлении и сборке моделей, нанесение суспензии на модель и другие достаточно сложны и трудоемки, что осложняет автоматизацию процесса. Процесс состоит из ряда длительных операций, определяющих производительность: послойное формирование и сушка слоев оболочковой формы на модели, прокаливание формы.
Качество отливок, полученных данным способом, существенно зависит от стабильности качества исходных материалов для изготовления моделей, суспензии, формы, а также от стабильности режимов технологического процесса.
Это осложняет автоматизацию управления технологическим процессом. В зависимости от характера производства (единичное, серийное, массовое), номенклатуры отливок и предъявляемых к ним требований проблема автоматизации производства решается различно. В серийном производстве осуществляется автоматизация отдельных операций, таких, как изготовление моделей или звеньев модельных блоков, приготовление суспензии и др. В массовом производстве отливок используют автоматизированные линии, выполняющие следующие операции: приготовление модельных со ставов; изготовление моделей; приготовление суспензий; изготовление оболочек; их прокаливание; заливку расплава; очистку отливок. Такие линии позволяют комплексно автоматизировать все производство.
Контрольные вопросы и задания
1. Опишите технологические операции изготовления форм при литье по выплавляемым моделям.
2. Какие материалы используют для изготовления выплавляемых моделей?
3. Для каких целей используются пресс-формы в технологическом процессе литья по выплавляемым моделям?
4. Назовите состав жидкой формовочной смеси – суспензии для формирования оболочки.
5. Опишите процесс изготовления оболочки при литье по выплавляемым моделям.
6. Какие требования предъявляются к модельным составам?
7. Назовите способы заполнения пресс-форм модельным составом.
8. Для чего производят гидролиз этилсиликата при изготовлении оболочек?
9. При каких температурах производится выплавка модельного состава и прокалка форм перед заливкой?
10. Опишите достоинства и недостатки литья по выплавляемым моделям.
Лекция 18
Применяется для стального литья, а также для получения отливок из цветных металлов и их сплавов при небольших размерах деталей (например, детали швейных машин, режущий инструмент сложной формы из очень твердых материалов, детали ружей, мелкие детали счетных машин). Этот метод обеспечивает очень высокую степень точности до ±0,005 мм на 25 мм длины отливки, после которого почти не требуется механической дообработки.
Сущность метода состоит в том, что модель изготавливается из легко–плавких материалов: стеарина, парафина, воска, канифоли или чаще из смеси этих материалов.
После получения формы при просушке и прокалке этих форм, модель в форме расплавляется и состав ее выливается из формы, таким образом форма получается неразъемная, цельная, что и обеспечивает высокую точность отливок. Формовочная смесь состоит из мелкого пылевидного песка, небольшого количества каолина и водного раствора жидкого стекла (Na 2 O·SiO 2), т.е. представляет сметанообразную массу. Парафино-стеариновая модель, изготовленная в специальных прессформах для получения формы, погружается в эту смесь. В результате на поверхности модели образуется тонкая корка формы (толщиной 0,5÷2 мм), которая присыпается мелким песком.
Такая готовая форма с моделью внутри в течение 5–6 часов сушится на воздухе, а затем помещается в специальный сушильный шкаф литниковой системой вниз, где при t до 200°С модель расплавляется и вытекает из формы. Для упрочнения формы, она затем помещается в печь, где прокаливается при t3800–900°C. При этом остатки состава модели выгорают. Чтобы форма не разрушалась во время заливки металла ее ставят в специальные ящики из листвой стали и засыпают песком. Литниковая система обычно делается после получения самой формы. Причем в силу малых размеров деталей несколько форм блокируют и соединяют в общую литниковую систему. После заливки жидкого металла в такую форму и затвердения его, форма разрушается.
Для лучшего отделения формовочной смеси от отливки, отливку погружают в щелочные растворы, где формовочная смесь растворяется и окончательно отделяется от отливки.
Пресс формы изготавливают из пластичных сплавов, цветных металлов, обжимая и спрессовывая их на специальную модель из стали, называемой эталоном при Р = 1,5÷2 атм (0,15…0,2 МПа).
Технологический процесс изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям состоит из следующих основных операций.
Изготовление моделей
Модельный состав, состоящий из двух или более легкоплавких компонентов: парафина, стеарина, жирных кислот, церезина и др., в пастообразном состоянии запрессовывают в прессформы (рисунок 2.5, а). В качестве материала прессформ в зависимости от вида производства используют гипс, пластмассы, легкоплавкие металлы, сплавы, сталь или чугун. После затвердевания модельного состава прессформа раскрывается и модель (рисунок 2.5, б) выталкивается в ванну с холодной водой.
Рисунок 2.5 – Последовательность операций процесса литья по выплавляемым моделям:
1 – прессформа; 2 – модельный состав; 3 – модель; 4 – модельный блок;
5 – емкость с керамической суспензией; 6 – специальная установка для обсыпки; 7 – кварцевый песок; 8 – бак с водой; 9 – устройство для нагрева воды; 10 – электрическая печь; 11 – оболочки; 12 – жаростойкая опока;
13 – ковш с расплавленным металлом
Сборка модельных блоков
Для этого модели собирают в модельные блоки (рисунок 2.5, в) с общей литниковой системой. В один блок объединяют от 2 до 100 моделей. Соединяют модели в кондукторе, механически скрепляя или склеивая их. Одновременно ведется отливка литниковой системы.
Для сборки моделей в блоки в кондукторе выставляют металлические стояки из алюминия, наращивают на них слой модельного состава толщиной 25 мм и крепят к нему модели. Этот прием ведет к повышению прочности блока, сокращению расхода состава, обеспечению удобства транспортирования, хранения и просушивания блоков при нанесении обмазки.
Покрытие моделей огнеупорной оболочкой
Модельный блок погружают в керамическую суспензию, налитую в емкость (рисунок 2.5, г), с последующей обсыпкой кварцевым песком в специальной установке (рисунок 2.5, д). Используемая керамическая суспензия состоит из огнеупорных материалов (пылевидный кварц, тонкоизмельченный шамот, электрокорунд и другие материалы) и связующего (гидролизованный раствор этилсиликата).
Затем модельные блоки сушат 22,5 ч на воздухе или 20 – 40 мин в среде аммиака. На модельный блок наносят 46 слоев огнеупорного покрытия с последующей сушкой каждого слоя.
Выплавление модельного состава из форм производят в горячей воде (80 – 90°С) (рисунок 2.5, е). При выдержке в горячей воде в течение нескольких минут модельный состав расплавляется, всплывает на поверхность ванны, откуда периодически удаляется для нового использования.
Подготовка литейных форм к заливке
После извлечения из ванны оболочки промывают водой и сушат в шкафах (1,52 ч при 200°С). Затем оболочки ставят вертикально в жаростойкой опоке, вокруг засыпают сухой кварцевый песок и уплотняют его, после чего форму направляют в электрическую печь (рисунок 2.5, ж), в которой ее прокаливают (не менее 2 ч при 900 – 950°С).
В печи частички связующего спекаются с частичками огнеупорного материала, влага испаряется и остатки модельного состава выгорают.
Заливка расплавленного металла из ковша производится сразу же после прокалки в горячую литейную форму (рисунок 2.5, з).
Охлаждение отливок.
После охлаждения отливки форму разрушают. Отливки отделяют от литников и для окончательной очистки направляют на химическую очистку, затем промывают проточной водой, сушат, подвергают термической обработке и контролю.
Участки литья по выплавляемым моделям имеются на многих судостроительных и машиностроительных заводах. На них изготовляют сложные по конфигурации стальные отливки, получение которых другими способами или с применением механической обработки невозможно или привело бы к значительному усложнению технологического процесса и удорожанию продукции. К таким отливкам относятся в основном различные мелкие детали: турбинные лопатки, крыльчатки, решетки, распылители, угольники, кронштейны, рукоятки, ключи и другие детали высокой точности.
Электрошлаковое литье (ЭШЛ) – это способ получения фасонных отливок в водоохлаждаемой металлической литейной форме – кристаллизаторе, основанной на применении ЭШЛ расходуемого электрода. Применяется для получения точных крупных стальных (спец. сплавов) отливок ответственного назначения (фасонные элементы аппаратуры, работающие под давлением).
Сущность заключается в том, что приготовление расплава (плавка) совмещено по месту и времени с заполнением литейной формы V распл. = V кристал.
Не всегда возможно изготовить требуемую стальную деталь методом штамповки или при обработке на токарном станке. В особенности это касается тонкостенных заготовок сложной формы. В таком случае применяется по выплавляемым моделям. Описание технологии будет полезно не только для общего развития – она может быть адаптирована для работы в домашних условиях.
Общая схема
Принцип литья по моделям заключается в предварительном изготовлении формы, которая после определенной обработки заливается металлом. Но для начала необходимо определиться с основными этапами этого процесса.
Обобщенная технологическая схема
Первое, что предшествует литью – изготовление формы. В заводских условиях для этого используют разъемные алюминиевые изложницы. Их конфигурация соответствует форме будущей заготовки, но имеет большие габариты. Обычно части изложницы изготавливают методом прессования алюминиевых заготовок.
Модель
В качестве материала изготовления первичной формы используют материал с низкой температурой плавления: парафин, стеарин, воск или этилцеллюлоза. При этом температура заливки не должна превышать 100°С. В твердом состоянии модельный состав обладает достаточной степенью пластичности, чтобы заполнить все пространство изложницы.
При сложной конфигурации изделия могут быть изготовлены несколько моделей, которые соединяются между собой путем незначительного нагрева торцевых частей.
Заполненная изложница
Форма
Поверх модели наносят специальный состав на основе керамики. Для лучшей термической сопротивляемости она обсыпается мелкозернистым песком с добавлением циркония. В зависимости от габаритов изделия этот процесс может повторяться от 3 до 7 раз. Минимальная толщина керамической формы должна составлять 7 мм.
Обработка керамическим составом
На этом этапе важно соблюдать следующие условия:
- Равномерное распределение состава по всей поверхности модели.
- Отсутствие внутренних пустот. Они приведут к неправильной конфигурации изделия.
- Критическая температура, при которой форма не изменит своих габаритов, должна быть больше, чем температура расплавленного металла. Обычно это от 900 до 1200°С.
По окончании формирования необходимо сделать отверстия для удаления парафинового материала. Формы помещаются в печь, где под воздействием высоких температур происходит испарение парафина. В случае надобности проводится дополнительный дожег керамической формы.
Готовая отливка
Основной проблемой литья по выплавляемым моделям в домашних условиях является частое появление дефектов формы при заливке в нее расплавленного металла. Поэтому предварительно ее поверхность нагревается до температуры заполняемой массы. При этом термическая обработка должна быть сделана равномерно по всей поверхности керамической заготовки.
В ранее сформированную горловину заливают металл. Остывание происходит при комнатной температуре. Не допускается принудительное остывание изделия.
Заливка металла
По истечении 4-6 часов можно удалить поверхностную керамическую оболочку. В промышленных условиях для этого используют вибрационную машину. Основательный этап – отсечение литника. В дальнейшем изделие может подвергаться обработке сжатым воздухом, шлифовке.
Области применения
Общее описание технологии не дает представление о практическом применении этой схемы. В настоящее время она используется в машиностроении и при изготовлении сложных конструкций. Учитывая высокую точность получаемых деталей и относительно низкую себестоимость их изготовления, литье по выплавляемым моделям активно применяется в следующих областях:
- Машиностроение, судостроение и приборостроение. Применяется относительно недавно, так как при изготовлении были проблемы с качеством сформированной формы. Появление этилсиликата позволило добиться требуемых показателей термической устойчивости и вязкости.
- Ювелирная промышленность. Так как температура плавления золота, серебра и бронзы значительно ниже, чем у стали – требования к качеству керамических заготовок дают возможность делать литье в домашних условиях.
- Зубопротезирование.
Ярчайшими примерами применения метода воскового литься являются памятники Санкт-Петербурга – Петру Первому и «Укротитель коней», установленный на Аничковом мосту. Соблюдение технологии и применение соответствующих составов позволяет добиться изготовления деталей, ювелирных украшений, произведений искусства высокой точности.
Ассортимент продукции, выпускаемой Воронежским механическим заводом, чрезвычайно широк: ракетная техника, жидкостные ракетные двигатели, поршневые двигатели для авиации, нефтегазовое оборудование, автозаправочные станции, оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции, сложная медицинская техника, узлы и блоки для автомобильной и тракторной промышленности, бытовые электрические и газовые плиты… Этот список можно продолжать и продолжать.
Работу предприятия характеризуют «космические» требования, предъявляемые к производимой продукции, сложность и разнообразие используемого оборудования, наличие высококвалифицированного персонала. Однако для выпуска изделий высочайшего качества одних этих факторов было бы недостаточно. Современное производство мертво без передовых технологий.
И здесь наш завод не отстает от требований времени. Наряду с традиционными, на предприятии успешно внедряются новые уникальные технологии, являющиеся ноу-хау в металлургии. Используя метод вакуумного литья на основе нержавеющих особо прочных сталей, наши специалисты создали серию новых высокопрочных материалов, которые могут применяться в сероводородной среде при температуре от –253 до + 800 °C .
Литье в оболочковые керамические формы позволяет получить высокоточные литые детали сложного профиля, практически исключающие необходимость дополнительной обработки (чистота поверхности составляет 20-40 мкм), сократить металлоемкость изделий, не снижая при этом надежности.
Введение
В мировой практике для изготовления корпусов задвижек и угловых штуцеров высокого давления, применяемых в фонтанной арматуре нефтегазового оборудования, используют заготовки, полученные из стальных поковок и штамповок, или литые заготовки, выполненные обычным способом литья, так называемым литьем «в землю». Разработчики и изготовители корпусных заготовок традиционно отдают предпочтение кованым заготовкам. Литые заготовки используются реже, поскольку литые материалы обладают более низким комплексом механических характеристик и имеют значительно больше дефектов в виде различных примесей и включений. По плотности структуры литье также уступает кованому материалу, что особенно характерно для изделий с массивными стенками. Поэтому использование литых корпусных деталей в запорно-регулирующих устройствах (ЗРУ), как правило, ограничено невысокими давлениями (до 21 МПа).
На Воронежском механическом заводе (ВМЗ) решили изменить такое положение дел. Чтобы получить литые крупногабаритные заготовки для запорно-регулирующих устройств высокого давления, на ВМЗ впервые в мировой практике применили метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). Последовательное и направленное затвердевание отливок в нагретой оболочковой форме ЛВМ создает условия, благоприятные для фильтрации жидкого расплава из прибыли в двухфазную область отливки и получения плотного металла.
Обычно методом ЛВМ изготавливают тонкостенные отливки сложной конфигурации повышенной плотности, масса которых не превышает нескольких килограммов, а толщина стенок составляет от 5 до 10 мм. Освоение производства массивных отливок ЗРУ потребовало новых технологических решений, позволяющих расширить возможности традиционного процесса ЛВМ.
При заливке оболочковых форм, заформованных в опорный наполнитель и нагретых до высокой температуры, резко замедляется отвод тепла от затвердевающих стальных отливок. Возрастание толщины и массы отливок при изготовлении литых корпусов ведет к увеличению продолжительности затвердевания отливки и, как следствие, к появлению дефектов усадочного характера.
Для изготовления ЗРУ высокого давления (до 105 МПа) требовались высококачественные корпусные заготовки размером до 700 мм и более, массой до 500 кг и с толщиной стенок и фланцев до 60 и 110 мм соответственно.
Постановка задачи
Одной из основных проблем, с которыми столкнулись специалисты Воронежского механического завода, было обеспечение питания отливки металлом, поскольку сложность изготовления керамической оболочки и длительность технологического процесса затрудняли поиск оптимальных условий кристаллизации.
Чтобы решить эту проблему, для анализа процессов кристаллизации отливки типа «Корпус» была использована система автоматизированного моделирования литейных процессов LVMFlow, имеющая ряд преимуществ по сравнению с аналогичными системами, представленными на мировом рынке. Работа LVMFlow основана на методе конечных разностей (МКР), позволяющем анализировать заполнение формы расплавом с учетом предварительного прогрева формы. При этом необходимость прорисовки керамической оболочки во внешней конструкторской программе отпадает, поскольку система позволяет создать оболочковую форму в течение нескольких секунд.
Конструкция детали может быть представлена в виде двух взаимопроникающих под углом 90° цилиндрических тел с протяженными тонкими стенками и массивными фланцами. Ее особенностью является выраженная разнотолщинность (соотношение толщин стенок и фланцев составляет 30:100 мм), а также наличие термических центров в местах переходов от тонких элементов к толстым.
Исходя из известных закономерностей формирования отливок, можно утверждать, что литье такой конструкции приведет к появлению дефектов усадочной природы. Чтобы избежать этого и обеспечить герметичность, необходимо добиться последовательного развития кристаллизации отливки с соблюдением принципа направленного затвердевания. Безусловно, достижение искомого результата во многом зависит от расположения отливки при заливке, поэтому были рассмотрены два основных варианта такого расположения: вертикальное (рис. 1 а ) и горизонтальное (рис. 1 б ).
В первом случае керамическую оболочку размещали таким образом, чтобы проходной канал отливки формировался в горизонтальном положении, а корпус шиберного канала в вертикальном. На каждый массивный элемент в отливке (три фланца) устанавливали индивидуальные прибыли. Наиболее протяженные стенки во время заливки ориентировали в керамической оболочке вертикально. При таком расположении питание стенок в процессе затвердевания происходит последовательно через массивные фланцы по направлению к прибылям.
На центральном и двух боковых фланцах устанавливали местные прибыли (одну кольцевую и две прямоугольные), сообщающиеся между собой через литниковые ходы, что позволяло на завершающем этапе заливки подводить горячий металл в боковые прибыли. Расплав поступал в полость оболочки через металлоприемник и четыре распределительных канала.
Конструкция ЛПС приведена на рис. 2 .
В зоне массивного «глухого кармана», расположенного в нижней части отливки, для усиления направленности затвердевания металла был применен холодильник. Керамическую оболочку формовали в опоку шамотным наполнителем, а заливку расплава осуществляли в нагретые до 750 °С формы. Температура расплава составляла порядка 1590 °С.
Качество полученных отливок контролировалось с помощью рентгенографического просвечивания, а герметичность корпусов посредством гидростатических испытаний.
Анализ полученных данных показал, что характерный дефект корпусных отливок при таких условиях формирования отливки рыхлота и пористость. В наибольшей степени это проявляется в стенках горизонтально расположенного проходного канала. При этом наиболее сильно пораженными оказались места переходов от тонкостенных элементов канала к фланцам и массивная часть глухого канала. Несколько менее рыхлота присуща вертикально расположенным стенкам нижнего яруса корпуса и вертикально ориентированным боковым фланцам.
Поскольку полученное распределение дефектов не отвечало требованиям герметичности отливок, был применен второй способ горизонтальное расположение.
Формирование отливки в керамической оболочке является очень сложным процессом, поэтому учесть все факторы, влияющие на процесс кристаллизации, практически невозможно. Экспериментально отрабатывать все варианты ЛПС не представляется возможным из-за сложности и длительности процесса получения отливки. Разработка варианта литниково-питающей системы до получения опытной отливки занимает несколько недель, поэтому для анализа процесса затвердевания отливки «Корпус» была использована система автоматизированного моделирования литейных процессов LVMFlow.
Горизонтальное расположение отливки предусматривало наличие пяти прибылей, одна из которых была установлена в центре отливки, три на фланцах и еще одна на конусной части отливки (в районе седловины). Как и при вертикальном расположении отливки, все прибыли были соединены между собой в единое целое, что на завершающем этапе заливки позволяло обеспечить подвод горячего металла в прибыли.
По исходным чертежам отливки специалисты «Consistent Software Воронеж» совместно с сотрудниками отдела главного металлурга Воронежского механического завода построили трехмерную модель отливки «Корпус» с ЛПС (рис. 3).
При построении исходной геометрической модели отливки (ГМ) были использованы внешние конструкторские программы Autodesk Inventor Series и Unigraphics.
Компьютерное моделирование в САМ ЛП LVMFlow
Для моделирования была использована отливка корпуса задвижки с диаметром проходного горизонтального канала 3 1/16 дюйма, изготовленная из низколегированной стали 35ХМЛ, применяемой на ВМЗ для производства запорной арматуры. Температура заливки составляла 1590±10 °С, температура заформованной керамической оболочки перед заливкой изменялась в пределах 500-850 °С. Масса залитого блока составляла порядка 520 кг, время заливки от 60 до 120 с.
Процесс создания керамической оболочки в программе LVMFlow упрощен до минимума: технологу требуется лишь указать (с учетом количества слоев) толщину будущей керамической оболочки (рис. 4).
Процесс заполнения формы расплавом и последующая кристаллизация отливки «Корпус» рассчитывались в течение 53 ч (процессор Pentium 4 2,8 ГГц, оперативная память 1 Гбайт). Процесс компьютерного моделирования (без учета времени на предварительный прогрев формы), в зависимости от требуемой точности результатов, занимает от 30 до 60 мин. В итоге было рассчитано распределение температурно-фазовых полей процесса заполнения формы расплавом, а также полей скоростей, давления; выявлено расположение дефектов усадочной природы (усадочная пористость, микропористость).
Процесс заполнения формы расплавом представлен на рис. 5 . В зависимости от начальной температуры формы, при заливке происходит резкое падение температуры расплава. Большая высота формы и особенности литья по выплавляемым моделям налагают ограничения на конфигурацию ЛПС.
Распределение температуры в отливке и форме для некоторых этапов, начиная с момента начала заливки, приведено на рис. 6 .
Итоговое распределение дефектов представлено на рис. 7 . Массивные прибыли позволили почти полностью удалить из тела отливки дефекты усадочного характера. Однако анализ полученных данных показал наличие дефектов типа «усадочная пористость» в зоне «глухого кармана» и нижней части центрального фланца, что свидетельствует о недостаточности питания этих тепловых узлов жидким металлом.
Прогноз микропористости (рис. 8) показал наличие «опасных» участков в горизонтально расположенных стенках отливки. Расчет микропористости ведется на основе критерия Нийяма и требует адаптации результатов в соответствии с особенностями технологии производства. В целом картина распределения мест пониженной плотности металла соответствовала натурным испытаниям.
Выводы
Компьютерное моделирование процесса кристаллизации отливки «Корпус» с применением САМ ЛП позволило:
Выявить места появления и процесс формирования дефектов;
Отследить в реальном времени изменение температурно-фазовых полей процесса кристаллизации;
Получить распределение векторов скоростей, давлений;
Получить данные по распределению потока жидкого металла и движению шлаковых частиц в отливке.
Таким образом, была обеспечена возможность в кратчайшие сроки провести оптимизацию литниково-питающей системы без доработки модельной оснастки, создания керамической оболочки, заливки и механической обработки детали, а продолжительность процесса отработки технологии получения годных отливок была сокращена с 30 до 3-5 дней, то есть в 6-10 раз.
Способ литья по выплавляемым моделям позволяет получать сложные по конфигурации отливки из различных сплавов (в том числе из сплавов с высокой температурой плавления, а также из труднообрабатываемых сплавов) с точностью, при которой полностью устраняется механическая обработка или она сводится только к шлифованию некоторых поверхностей. Поэтому такой способ в настоящее Время служит обычно для получения мелких точных отливок (например, детали счетных и пишущих машин, хирургических инструментов), а также для отливок из специальных сплавов-лопатки газовых турбин, режущие инструменты и т. п.).
Сущность процесса состоит в том, что модель отливки изготовляется путем литья из модельного состава, из пластмассы или из замороженной ртути. После образования на модели корки из огнеупорной массы модельный состав выплавляется и в полученную таким образом полость после прокаливания формы заливается жидкий металл. Благодаря тому, что форма неразъемная и не деформирована расколоткой при удалении модели (как это делается в песчаных формах), полость формы получается в точном соответствии с моделью.
Процесс литья по выплавляемым моделям складывается из следующих операций:
1) изготовление точного эталона отливки;
2) изготовление пресс-формы для получения выплавляемых моделей;
3) заливка моделей;
4) соединение нескольких моделей в комплект с литниковой системой:
5) покрытие поверхностей моделей слоем огнеупорной массы (обычно путем окунания моделей в эту массу);
6) засыпка слоя огнеупорной массы на комплекте моделей мелким песком: и сушка его;
7) формовка модельного комплекта в опоке;
8) сушка формы, вытапливание модельного состава;
9) выжигание из полости остатков модельного состава;
10) заливка горячей формы металлом (свободная, под давлением сжатого газа, центробежным или вакуумным способом).
Точность отливок зависит от их размеров. Приближенно можно считать, что отклонения размеров точного литья соответствуют 11-12-му классам точности по ISA, а чистота поверхности 5-6-му классам PN.
Обычно наносят последовательно 3-4 слоя огнеупорной массы.
Литье по выплавляемым моделям имеет точность размеров, соответствующую 5-7-му классам по ОСТ 1010, 1015 и ГОСТ 2689-54; чистота поверхности литья соответствует 3-6-му классам по ГОСТ 2789-73.
Высокая стоимость литья по выплавляемым моделям оправдывает применение этого способа только для получения точных отливок с весьма сложной конфигурацией или собираемых из многих механически обработанных частей (соединяемых с помощью пайки, винтов и т. п.), а также для отливок, изготовляемых из труднообрабатываемых сплавов. В качестве примеров, такого литья могут служить ротор с лопатками и лопатки газовой турбины (Рис. 1, а), зубчатый сегмент счетной машины (Рис. 1, б). Стоимость литого сегмента приблизительно в 15 раз меньше стоимости сегмента, собранного из отдельных частей.
Рис. 1. Примеры точного литья по выплавляемым моделям: а - ротор и мелкие детали; б - зубчатый сегмент.
С помощью литья по выплавляемым моделям иногда изготовляют довольно большие тонкостенные отливки, например отливки из жаропрочной стали для авиационных реактивных двигателей (Рис. 2).