МосковскийГосударственный 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.
Клитью под регулируемым давлением относят способы литья, сущность которыхзаключается в том, что заполнение полости формы расплавим и затвердеваниеотливки происходит под действием избыточного давления воздуха или газа.
Литьепод регулируемым давлением создает широкие возможности для управлениязаполнением формы расплавим. Если внутрь герметичной камеры а подавать сжатыйвоздух или газ под давлениемРизб>Ратм, то за счет разницы давлений расплав поднимется по металлопроводу1 и заполнит форму 2 до уровня, соответствующего H=(pизб-pатм)/r.Такой способ заполнения называют литьемпод низким давлением. Термин «низкое давление» используетсяпотому, что для подъема расплава и заполнения формы требуемое избыточноедавление менее 0.1 МПа.
Если вгерметичной камере б установок создавать вакуум, а в камере а давлениеподдерживать равное атмосферному, то заполнение формы произойдет за счетразницы давлений Ратм-Р. Такой способ заполнения называют литьем вакуумным всасыванием.
Используясхему установки аналогичную данной можно осуществить заполнение формы иначе.Положим, что в камерах а и б вначале создано одинаковое, но больше атмосферногодавление воздуха или газа Рк>Ратм. Затем подача воздуха в камеру бпрекращается, а в камеру а продолжается; давление в камере а повышается до Рк+DР.Тогда металл будет подниматься по металлопроводу вследствие разницы давленийРа-Рб, т.е. аналогично тому, как и при литье под низким давлением. Того жерезультата можно достичь, если понижать давление в камере б, оставляяпостоянным давление в камере а. Такие процессы называют литьем под низким давлением с противодавлением.
Установкидля литья под регулируемым давлением — сложные динамические системы, позволяющие в широких пределах регулировать скоростьзаполнения формы расплавим. Использование таких установок позволяет заполнитьформы тонкостенных 9600 оливок, изменить продолжительность заполнения отдельныхучастков формы отливок сложной конфигурации с переменной толщиной стенки сцелью управления процессом теплообмена расплава и формы, добиваясь рациональнойпоследовательности затвердевания отдельных частей отливки.
Приложениедавления на затвердевающий расплав позволяет улучшить условия питания, усадкиотливки, повысить ее качество — механические свойства и герметичность. Врассматриваемых процессах после заполнения формы давление действует на расплав,который из тигля через металлопровод поступает в затвердевающую отливку ипитает ее. Благодаря этому усадочная пористость в таких отливках уменьшается,плотность и механические свойства возрастают.
Литьепод регулируемым давлением осуществляется на установках так, что процессзаполнения формы расплавим — самая трудоемкая и неприятная с точки зренияохраны труда и техники безопасности операция — выполняется автоматически.Конструкции установок и машин для этих литейных процессов обеспечивают такжеавтоматизацию операций сборки и раскрытия форм, выталкивания отливки и ееудаления из формы. Таким образом, процессы литья под регулируемым давлениемпозволяют повысить качество отливок и обеспечить автоматизацию их производства.
Впрактике наибольшее применение нашли следующие процессы литья под регулируемымдавлением: литье под низким давлением, литье под низким давлением спротиводавлением, литье вакуумным всасыванием, литье вакуумным всасыванием с кристаллизациейпод давлением (вакуумно — компрессионное литье).
Литье под низким давлением
Тигельс расплавим в раздаточной печи (камере) установки герметично закрывают крышкойв которой установлен металопровод, изготовленный из жаростойкого материала.Металлопровод погружают в расплав так, что конец его не достает до конца тигляна 40-60 мм. Форму установленную на крышке, соединяют с металопроводомлитниковой втулки. Полость в отливке может быть выполнена металлическим, оболочковымили песчаным стержнем.
Воздухили инертный газ под давлением до 0.1МПа через систему регулирования поступаетпо трубопроводу внутрь камеры установки и атмосферным давлением расплавпоступает в форму снизу через металопровод, литник и коллектор со скоростью,регулируемой давлением в камере установки. По окончании заполнения формы изатвердевания отливки автоматически открывается клапан, соединяющий камеруустановки с атмосферой. Давление воздуха в камере снижается до атмосферного инезатвердевший расплав из металопровода сливается в тигель. После этого формараскрывается, отливка извлекается и цикл повторяется.
Основными преимуществамипроцесса литья под низким давлением являются: автоматизация трудоемкой операциизаливки формы; возможность регулирования скорости потока расплава в полостиформы изменением давления в камере установки; улучшение питания отливки;снижение расхода металла на литниковую систему.
Основные недостаткиневысокая стойкость части металлопровода, погруженной в расплав, что затрудняетиспользование способа литья для сплавов с высокой температурой плавления;сложность системы регулирования скорости потока расплава в форме, вызваннаядинамическими процессами, происходящими в установке при заполнении ее камерывоздухом, нестабильностью утечек воздуха через уплотнения, понижением уровнярасплава в установке по мере изготовления отливок; возможность ухудшениякачества сплава при длительной выдержке в тигле установки; сложность эксплуатациии наладки установок.
Преимуществаи недостатки способа определяют рациональную область его применения иперспективы использования. Литье под низким давлением наиболее широко применяютдля изготовления сложных фасонных и особенно тонкостенных отливок изалюминиевых и магниевых сплавов, простых отливок из медных сплавов и сталей всерийном и массовом производстве.
Особенности формирования отливки при литье поднизким давлением.Заполнение форм расплавим при этом способе литьяможет осуществлятся со скоростями потока, которые можно регулировать в широкомдиапазоне. Для получения качественных отливок предпочтительно заполнять формусплошным потоком, при скоростях, обеспечивающих качественное заполнение формы иисключающих захват воздуха расплавим, образование в отливках газовых раковин,попадание в них окисных пленок и неметалических включений. Однако уменьшениескорости потока, необходимое для сохранения его сплошности может вызватьпреждевременное охлаждение и затвердевание расплава, т.е. до полного заполненияформы. Поэтому, как и в других литейных процессах, важно согласовыватьгидравлические и тепловые режимы заполнения формы рассплавом.
Взависимости от сочетания конструктивных и пневматических параметров установкидвижение расплава в металлопроводе и литейной форме при заполнении можетпроисходить как при возрастающей скорости потока, так и при колебательном ееизменении. Колебательный характер изменения скорости отрицательно влияет накачество отливок, поэтому конструкция установки и режим работы еепневмосистемы, а также конструкция вентиляционной системы формы должныспособствовать гашению колебаний скорости.
Основнымиконструктивными параметрамиустановки являются: объем рабочего пространствакамеры, площадь поперечного сечения отверстия металлопровода, площадь зеркаларасплава в тигле.
Увеличениеобъема рабочего пространства камеры установки увеличивает скорость потока,способствует гашению колебаний, но полностью их не исключает.
Уменьшениеплощади сечения отверстия металлопровода в установках с объемом рабочегопространства менее 0.07 м3 приводит к резкому гашению колебаний иувеличению скорости течения расплава, в установках с объемом рабочегопространства более 0.4 м3 увеличение площади сечения отверстияметаллопровода не влияет на характер движения потока и скорость расплава навходе в форму.
Увеличениеплощади зеркала расплава в тигле при условии постоянства массы расплава в немспособствует спокойному заполнению. Поэтому установки с тиглем ванного типа, вкоторых зеркало расплава достаточно велико, более предпочтительны, так какобеспечивают устойчивый режим работы.
Увеличениегидравлического сопротивления на входе расплава в металлопровод приводит кснижению ускорения расплава в начале заполнения и гасит возникающие колебания.
Важноезначение для обеспечения постоянства заданной скорости от заливке к заливке,т.е. по мере понижения уровня расплава в тигле, имеет система управленияподачей воздуха в камеру установки. Системы регулирования по величине давленияцелесообразно использовать только в установках ванного типа. При этом точностьрегулирования должна быть в пределах 0.01-0.05МПа; это обеспечивает поддержаниескорости заливки с погрешностью 10-15%. Для установок ванного типа используютдроссельные системы регулирования.
Конструкцияполости формы и конструкция ее вентиляционной системытакжеоказывают влияние на характер движения расплава в полости формы. При заполненииформ сложных отливок с ребрами, бобышками создаются условия для захвата воздухапотоком расплава. Гидравлическое сопротивление полости формы оказываетсущественное влияние на характер движения потока. Конструкция вентиляционнойсистемывлияет на характер движения потокарасплава в полости формы иметаллопроводе. Уменьшение площади вентиляционных каналов приводит квозрастанию противодавления воздуха в полости формы, способствует гашениюколебаний и снижает скорость потока расплава.
Тепловые условия формирования отливки создаютвозможность направленного затвердевания отливки и питания ее усадки. Частиформы, расположенные на верхней плите рабочей камеры установки нагреваются дотемпературы большей, чем верхняя часть формы. Кроме того, через нижние сеченияполости формы, расположенные ближе к металлопроводу, проходит большееколичество расплава, чем через сечения, расположенные в верхней части, чтосущественно 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 формырасполагают части отливки, не требующие питания.
Статическое давление на расплавпоокончании заполнения формы улучшает контакт затвердевающей корочки иповерхности формы, вследствие чего увеличивается скорость затвердеванияотливки. Вместе с тем давление воздуха на расплав в тигле способствуетпостоянной подпитке усаживающейся отливки, в результате чего уменьшаетсяусадочная пористость, возрастает плотность и повышаются механические свойстваотливки.
Избыточноедавление в потоке расплава при заполнении формы больше, чем при гравитационнойзаливке, и гидравлический удар, который может возникнуть при окончаниизаполнения формы, приводит к прониканию расплава в поры песчаного стержня,появлению механического пригара на отливках.
Прилитье под низким давлением стремятся заполнить форму расплавим с возможноменьшим перегревом, достаточным для хорошего заполнения формы. С уменьшениемтолщины стенки отливки и увеличением ее размеров температуру заливки принимаютбольшей. Литниковые системы конструируют с учетом литейных свойств сплава иконструкции отливки. Для отливок простой конфигурации литниковая система можетсостоять из одного литника, непосредственно примыкающего к массивной части, дляболее сложных тонкостенных отливок — из литника, литниковых ходов, коллектора ипитателей.
Литье с противодавлением
Развитиелитья под низким давлением является литье с противодавлением. Установка длялитья с противодавлением состоит из двух камер. В камере, устройство которойподобно герметической камере установки литья под низким давлением,располагается тигель с расплавим. В камере находится форма, обычнометаллическая. Камеры разделны герметичной крышкой, через нее проходитметаллопровод, соединяющий тигель и форму. Эти камеры прочно соединены друг сдругом зажимами.
Давлениевоздуха, под которым происходит заполнение формы расплавим, будет будетсоответственно равно разнице давлений в нижней Ра и верхней Рб камерахустановки: DР=Ра-Рб. Скорость подъема расплава вметаллопроводе и полости формы так же, как и при литье под низким давлением,будет зависеть от всей совокупности рассмотренных выше конструктивных ипневматических характеристик системы, определяющих скорость нарастания разницыдавлений DР, во время работы установки.
Литьес противодавлением позволяет уменьшить выделение газов из расплава, улучшитьпитание отливок и вследствие этого повысить их герметичность, а такжемеханические свойства. Этот способ литья дает наибольший эффект приизготовлении отливок с массивными стенками равномерной толщины из алюминиевых имагниевых сплавов, кристаллизующихся в широком интервале температур.Использование второй стадии процесса — кристаллизации под всесторонним избыточнымдавлением для тонкостенных отливок не всегда приводит к заметному улучшениюсвойств. Это объясняется тем, что продолжительность кристаллизации тонкостенныхотливок мала и отливка затвердевает прежде, чем давление в верхней камереустановки достигнет необходимой величины.
Литье вакуумным всасыванием
Сущностьпроцесса литья вакуумным всасыванием состоит в том, что расплав под действиемразряжения, создаваемого в полости формы, заполняет ее и затвердевает, образуяотливку. Изменением разности между атмосферным давлением и давлением в полостиформы можно регулировать скорость заполнения формы расплавим, управляя этимпроцессом. Вакуумирование полости форм при заливке позволяет заполнить формытонкостенных отливок с толщиной стенки 1-1.5 мм, исключить попадание воздуха врасплав, повысить точность, и механические свойства отливок.
Впроизводстве используют установки двух основных разновидностей.
Установкипервого типаимеют две камеры: нижнюю и верхнюю. Нижняя камерапредставляет собой раздаточную печь с электрическим или газовым обогревом, вкоторой располагается тигель с расплавим. Верхняя камера расположена на крышкенижней камеры, в крышке установлен металлопровод. Форму устанавливают изакрепляют в камере так, чтобы литник соединялся прижимами с крышкой. Полостьверхней камеры через вакуум-привод соединена с ресивером, в котором насосомсоздается разряжение, регулируемое системой управления. В начальный моментклапан управления открывается, в верхней камере создается разряжение, и расплаввследствие разницы давлений в камерах по металлопроводу поднимается и заполняетполость формы. После затвердевания отливки клапан системы управления соединяетполость верхней камеры с атмосферой, давление в обеих камерах становитсяодинаковым, а остатки незатвердевшего расплава сливаются из металлопровода втигель. Верхняя камера снимается, форма с отливкой извлекается и цикл можетповторятся.
Установкитакого типа используют обычно для улучшения заполнения форм тонкостенныхсложных фасонных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов с толщиной стенки2-2.5мм, а иногда и до 1-1.5мм.
Установкивторого типаиспользуют для отливки втулок, слитков и заготовокпростой конфигурации в водоохлаждаемых системах кристаллизаторы. Носокметаллического 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 соединяетсяв вакуумным ресивером. В полости кристаллизатора создается разрежение, ирасплав всасывается внутрь кристаллизатора, поднимаясь на высоту,пропорциональную разрежению hрт и обратно пропорционально ее плотности. Послезатвердевания отливки носок кристаллизатора извлекают из ванны расплава,поворотом крана, рабочую полость соединяют с атмосферой и отливка выпадает изкристаллизатора в приемный короб.
Особенности формирования отливки.Формаможет 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 чемусоздаются условия для получения отливок без газовых раковин и пористости. Дляполучения плотных отливок без усадочных дефектов необходимо согласовыватьинтенсивности затвердевания и питания отливки.
Обычнопри литье вакуумным всасыванием слитков, втулок, расплав засасывают втонкостенный металлический водоохлаждаемый катализатор, благодаря чему отливкаотливка затвердевает с высокой скоростью.
Такимспособом можно получать тонкостенные отливки типа втулок без стержней. В этомслучае после всасывания расплава в кристаллизатор и намораживания на внутреннихстенках кристализатора корочки твердого металла заданной толщины вакуумотключается и незатвердевший расплав сливается обратно в тигель. Таким образом получаютплотные заготовки втулок без газовых и усадочных раковин и пористости. Способпозволяет 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 яркопроявляются основные преимуществаданного способа: спокойное заполнение формы расплавим с регулируемой скоростью,сокращение расхода металла в следствии устранения литников и прибылей,автоматизация процесса заполнения формы.