Литье по выплавляемым моделям

1. Литье по выплавляемым моделям

1.1 Суть процесса.

Литье по выплавляемым моделям – это процесс, в котором  для получения отливок применяются  разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым  моделям с использованием жидких формовочных смесей. Перед выжиганием, выплавлением или испарением. Для  удаления остатков модели и упрочнения формы ее нагревают до высоких  температур. Прокалкой формы перед  заливкой достигается практически  полное исключение ее газотворности, улучшается заполняемость расплавом.

Основные  операции технологического процесса можно  проследить по рис. 1.1. модель или звено  моделей 2  изготовляют в разъемной  пресс-форме 1, рабочая полость которой  имеет конфигурацию и размеры  отливки с припусками на усадку (модельного состава и материала отливки) и обработку резанием (рис. 1.1 а). Модель изготовляют из материалов, либо имеющих невысокую температуру плавления, либо способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки 3 (рис. 1.1 б), имеющие модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель отливки. Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателя и стояка. Модели чаши и нижней части стояка изготовляют отдельно и устанавливают в блок при его сборке. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью – суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидного огнеупорного материала, например, пылевидного кварца или электрокорунда, и связующего (рис. 1.1 в). В результате поверхности модели образуется тонкий (менее 1 мм) слой 4 суспензии. Для упрочнения этого слоя и увеличения толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рис. 1.1 г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3-10 слоев).

Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или  в парах аммиака 6, что зависит  от связующего (рис 1.1 д). После сушки  оболочковой формы модель удаляют  из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. Например,  в процессе удаления выплавляемой модели в горячей воде 7 получают многослойную оболочковую форму по выплавляемой модели (рис. 1.1 е).  С целью упрочнения перед  заливкой ее (форму)  помещают в металлический контейнер и  засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рис. 1.1 ж). Для  удаления остатков  моделей из формы  и упрочнения связующего контейнер  с оболочковой формой помещают в  печь 9 для прокаливания (рис. 1.1 з). Прокалку формы ведут при температуре 900..1100°С, далее прокаленную форму 10 извлекают из печи и заливают расплавом (рис. 1.1 и). После затвердевания и охлаждения отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники.

Малая шероховатость  поверхности формы при достаточно высокой огнеупорности и химической инертности материала позволяет  получать отливки с поверхностью высокого качества.

Отсутствия  разъема формы, использование для  изготовления моделей материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед  заливкой – все это способствует улучшению заполняемости, дает возможность получать отливки сложнейшей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигурации готовой детали,  практически из известных сплавов.

Эффективность производства и область  применения. Исходя из производственного опыта можно выделить ряд преимуществ способа литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям: 1) возможность изготовления практически из любых сплавов отливок разной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, высоким коэффициентом точности по массе, минимальными припусками на обработку резанием, с резким сокращением отходов металла в стружку; 2) возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов; 3) возможность экономически выгодного осуществления процесса в единичном и серийном производствах, что важно при создании новых машин и приборов; 4) уменьшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного процесса на окружающую среду.

Наряду с  преимуществами данный способ обладает и следующими недостатками: 1) процесс  изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный; 2) большое  число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, и соответственно связанная с  этим возможность управления качеством; 3) большая номенклатура материалов, используемых для получения формы (материалы для моделей, суспензии, обсыпки блоков, опорные материалы); 4) сложность манипуляторных операций изготовления моделей и форм, сложность автоматизации этих операций; 5) повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного (ТВГ).

Указанные преимущества и недостатки определяют эффективную  область использования литья  в оболочковые формы по выплавляемым моделям, а именно:

1. Изготовление отливок, максимально приближающихся по конфигурации к готовой детали, с целью снизить трудоемкость по конфигурации к готовой детали, с целью снизить трудоемкость обработки труднообрабатываемых металлов и сплавов резанием, сократить использование обработки давлением труднодеформируемых металлов и сплавов, заменить трудоемкие операции, надежности конструкций деталей и узлов;
2. Изготовление тонкостенных крупногабаритных отливок повышенной точности с целью уменьшить массу конструкции при повышении ее прочности, герметичности и других эксплуатационных свойств;
3. Изготовление отливок повышенной точности из сплавов с особыми свойствами и структурой.

Производство  отливок по выплавляемым моделям  находит широкое применение в  разных отраслях машиностроения и в  приборостроении. Использование литья  в оболочковые формы для получения  заготовок деталей машин взамен изготовления их из кованых заготовок  или проката приводит к снижению в среднем на 34..90% отходов металла  в стружку. При этом трудоемкость обработки резанием уменьшается  на 25..85%, а себестоимость изготовления деталей – на 20..80%. однако следует  учитывать, что экономическая эффективность  существенно зависит от выбора номенклатуры отливок, изготовляемых этим способом. Только при правильном выборе номенклатуры деталей достигается высокая  экономическая эффективность данного  производства.

2. Пресс-формы

Требования к пресс-формам. Пресс-форма – это инструмент для изготовления модели. Главное требование к пресс-форме заключается в том, чтобы в ней можно было получить модели отливки с заданными точностью размеров и шероховатостью поверхности.

Точность  размеров модели и качество воспроизведение  ее конфигурации зависят от точности размеров полости пресс-формы, тем  выше точность моделей. Поэтому всегда стремятся использовать минимальное  число разъемов. Однако для получения  сложных моделей приходится делать несколько разъемов, чтобы модель можно было извлечь из пресс-формы.

Для хорошего заполнения полости пресс-формы  модельным составом она должна иметь  соответствующие литниковую систему, а также вентиляционную систему, обеспечивающую удаление воздуха из полости пресс-формы при заполнении ее модельным составом.

Для обеспечения  достаточной скорости охлаждения модельных  составов в пресс-форме предусмотрена  система охлаждения водой или  другими теплоносителями.

По конструкции  и методам изготовления обычно различают  пресс-формы для единичного и  мелкосерийного, серийного и массового  производства.

1.3 Технология изготовления моделей

Технологический процесс получения моделей и  блоков моделей состоит из приготовления  модельных составов, изготовления моделей  отливок и литниково-питающих систем, отделки и контроля моделей, сборки моделей в блоки.

Требования к модельным составам. Качество моделей зависит от свойств и технологии приготовления модельного состава.

Для получения  моделей используют различные модельные  составы: выплавляемые, растворяемые, выжигаемые. Любой модельный состав должен удовлетворять определенным требованиям.

В расплавленном  состоянии модельный состав должен обладать хорошей жидкотекучестью  для четкого воспроизведения  конфигурации модели при заполнении полости пресс-формы и легкого  и полного удаления из оболочковой  формы. Температура плавления модельного состава должна быть невысокой (60..140°С), что облегчает изготовление моделей и из удаление из оболочковой формы. Температура размягчения модельного состава должна быть 35..45°С, т.е. превышать температуру помещений, где изготовляют, хранят, собирают модели в блоки. Усадка состава при охлаждении и его расширение при нагреве должны быть минимальными и стабильными, чтобы точность моделей, а соответственно, и отливок была высокой. Модельный состав не должен прилипать к поверхности пресс-формы; химическое взаимодействие его с материалом пресс-формы недопустимо. После затвердевания в пресс-форме модельный состав должен обладать прочностью и твердостью, достаточными для того, чтобы модели не деформировались и не ломались на последующих операциях технологического процесса.

 Исходные материалы для модельных составов. Для приготовления модельных составов       наибольшее применение в производстве нашли следующие исходные материалы:

1. Парафин;
2. Стеарин;
3. Церезин;
4. Буроугольный воск;
5. Канифоль;
6. Полистирол блочный;
7. Полистирол вспенивающийся;
8. Полиэтилен
9. Полиэтиленовый воск;
10. Кубовый остаток;
11. Карбамид;
12. Этилцеллюлоза.

Изготовление моделей. Процесс изготовления моделей включает в себя подготовку пресс-формы, заполнение пресс-формы модельным составом, выдержку для затвердевания и охлаждения модели, разборку пресс-формы и извлечение модели, выдержку модели до окончания усадки.

При подготовке пресс-формы ее рабочую полость  и поверхность разъема очищают  от остатков модельного состава, наносят  на поверхность рабочей полости  смазочный материал (трансформаторное масло) или распыляют сжатым воздухом эмульсию. Смазочный материал должен быть нанесен ровным слоем.

Заполнение  пресс-форм модельным составом в  производстве чаще всего осуществляют свободной заливкой и заливкой под  давлением жидкого модельного состава, а также запрессовкой пастообразного модельного состава пресс-формы.

При охлаждении мелкие несложные модели охлаждают  в проточной воде или сжатым воздухом. При использовании воды последняя  и охлаждает модели, и одновременно транспортирует их к месту сборки в блоки. Крупные модели так охлаждать  нельзя, так как при ускоренном охлаждении возникнут неравномерности  температур, которые приведут к внутренним напряжениям и, как следствие, к  короблению. Поэтому крупные модели охлаждают медленно на воздухе в  течение не менее 3 ч.

Существуют  особые способы изготовления моделей, с помощью которых можно изготовлять  сложные модели с полостями, отверстиями  с криволинейной осью, с последующей  сборкой модели в единое целое. Используют также растворяемые карбамидные  стержни, керамические стержни и  гибкие резиновые пресс-формы.

1.4 Изготовление оболочковых форм.

Требования к формам. Оболочковая форма должна отвечать следующим требованиям: обладать достаточной прочностью, выдерживать динамический и статический напоры расплава, не деформироваться при заливке, затвердевании и охлаждении отливки; быть огнеупорный, т.е. не разоупрочняться при прокаливании и особенно при заливке; иметь газопроницаемые стенки, чтобы в полостях формы не возникало противодавление воздуха; быть химически инертной к модельному составу и металлу отливки; иметь достаточную податливость, чтобы не препятствовать усадке сплава; обеспечивать получение отливок с поверхностью требуемой шероховатости и высокой точности размеров, массы и конфигурации.

Материалами керамической оболочковой формы  являются огнеупорная основа (две  фракции – пылевидная не менее 0,05 мм и «грубая» 0,1..0,3 мм) и связующее. По химическому составу огнеупорных  материалов керамические оболочные  формы разделяют на оксидные и  углеродные. В свою очередь, оксидные материалы форм по химическому составу  разделяют на кислые, основные, амфотерные.

Материалы для изготовления форм. Для изготовления оболочковой формы используют следующие огнеупорные материалы: мелкодисперсную основу суспензии, обсыпку и опорный материал. Общими требованиями огнеупорным материалам для оболочковых форм являются: высокая огнеупорность (как правило, не ниже 1500С); низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР); отсутствие полиморфных превращений при нагревании и охлаждении; химическая стойкость при нагревании.

Не все  огнеупоры удовлетворяют этим требованиям. Например, наиболее дешевый и не дефицитный материал – кварц кристаллический, обладает достаточно высокой огнеупорностью, при нагревании претерпевает ряд  полиморфных превращений, сопровождающихся объемными изменениями. Это является причиной образования в оболочках  трещин и, как следствие, брака отливок.

Материалы, используемые для изготовления оболочковых  форм:

1. Кварц
2. Пылевидный кварц
3. Кварцевый песок
4. Плавленый кварц
5. Высокоглиноземистый шамот
6. Электрокорунд
7. Циркон
8. Оксид магния
9. Оксид кальция