Как сделать кокиль для литья поршней
Обновлено: 03.07.2024
С уществует несколько наиболее применяемых способов литья алюминия. Какой именно из способов выбрать определяется еще на этапе разработки технологии. Основными параметрами, определяющими итоговый выбор являются: конфигурация отливки, ряд требований к ней, масса, толщина стенок и серийность заказа.
Литье алюминия в кокиль, металлическую многоразовую форму, применяют довольно часто. Плюсы этого способа литья в том, что сделав разово форму, можно в дальнейшем отлить по ней десятки тысяч изделий. Также высока производительность процесса литья алюминия, в связи с тем, что не нужно использовать дополнительных формовочных материалов, в частности, песка и связующих (за исключением стержней).
Кокильное литье обладает повышенными мех. свойствами по сравнению с литьем в песчаные формы, из-за того, что кристаллизация происходит быстрее, ведь металлические стенки кокиля быстрее отбирают тепло расплавленного металла. Ускоренная кристаллизация позволяет получить более прочную структуру (мелкие кристаллы) металла алюминиевой литой заготовки. Также из преимуществ стоит отметить высокую размерную точность алюминиевого литья и хорошее качество литой поверхности.
Минусы литья алюминия в кокиль — сложность, повышенная трудоемкость изготовления и, как следствие, дороговизна кокиля. Поэтому, обычно алюминиевое литье в кокиль применяют при высокой серийности заказа (сотни или тысячи деталей).
П ри производстве отливок литьем в кокиль высока вероятность дефектов — трещин, образующихся в результате высоких внутренних напряжений в металле, которые, в свою очередь, являются следствием затрудненного процесса усадки на этапе затвердевания алюминиевого литья.
Перечень и назначение отливок из алюминия в кокиль довольно обширны: детали автомобилей (блоки цилиндров, поршни, головки блока, различные крышки и кронштейны), корпуса и крыльчатки насосов и прочие детали машин.
Строение кокиля проектируется на этапе разработки литейной технологии. В зависимости от конфигурации и индивидуальных особенностей алюминиевого литья, кокиль может состоять из одной или двух частей, а может содержать 4 или даже 6 разъемных элементов. Плоскость разъема может быть вертикальной, горизонтальной, с криволинейным разъемом, с книжным разъемом и икомбинированным.
Ч асто внутренние стержни, необходимые для формирования полостей и отверстий в теле отливки, делают песчаными, их закладывают в кокиль перед заливкой, таким образом часть формы получается металлическая, а часть песчаная.
Д ля получения качественного алюминиевого литья иногда применяют принудительное охлаждение определенных частей кокиля, с целью создать направленное затвердевание или направленную кристаллизацию алюминиевой детали.
Кокиль может быть одноместным или многоместным, например, за одну заливку может заливаться сразу несколько литых алюминиевых заготовок.
П еред заливкой металла в кокиль, на его стенки обычно наносят противопригарное покрытие. Оно необходимо для того, чтобы отливка не "прилипала" к стенкам, легко выбивалась и не разрушала поверхность формы. Покрытия изготавливаются на основе огнеупорных материалов. Существуют покрытия с различными свойствами предназначенные для разных задач. Например, кокильное покрытие с низкой теплопроводностью позволяет замедлить кристаллизацию и дальнейшее остывание литьй алюминиевой заготовки.
Перед первым использованием кокиля его всегда нагревают до рабочей температуры. При алюминиевом литье это, обычно, около 250-300 градусов Цельсия. Это необходимо для того, чтобы отливка хорошо проливалась и не затвердела слишком быстро, что приводит к образованию усадочных дефектов (раковин), толщины стенок, переходов и ребер.
Отливки из алюминиевых сплавов
Согласно ГОСТ 1583 – 73 литейные алюминиевые сплавы разделены на пять групп (I – V). Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы группы I – силумины. Для них характерны хорошая жидкотекучесть, небольшая линейная усадка (0,9 – I %), стойкость к образованию трещин, достаточная герметичность. Силумины марок АЛ2, АЛ4, АЛ9, АК7, АК9, АК12 широко используют в производстве, однако они склонны к образованию грубой крупнозернистой эвтектики в структуре отливки и растворению газов.
Сплавы групп III – V имеют более низкие литейные свойства по сравнению со сплавами групп I и II – пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку (до 13%), склонны к образованию трещин, рыхлот и пористости в отливках. Получение отливок из сплавов III—V групп сопряжено со строгим соблюдением технологических режимов для обеспечения хорошего заполнения формы и питания отливок при затвердевании.
Все литейные алюминиевые сплавы в жидком состоянии интенсивно растворяют газы и окисляются. При их затвердевании газы выделяются из раствора и образуют газовую и газоусадочную пористость, которая снижает механические свойства и герметичность отливок. Образующаяся на поверхности расплава пленка оксидов при заполнении формы может разрушаться и попадать в тело отливки, снижая ее механические свойства и герметичность. При высоких скоростях движения расплава в литниковой системе пленка оксидов, перемешиваясь с воздухом, образует пену, которая попадает в полость формы, приводя к образованию дефектов в теле отливки.
Температуру заливки расплава в кокиль назначают в зависимости от химического состава и свойств сплава, толщины стенки отливки и ее размеров. Для силуминов типа АЛ2, AJI4, АЛ9 ее принимают о пределах 700 – 750 о С, для сплавов с широким интервалом затвердевания, в частности для сплавов типа АЛ19, обладающих пониженной жидкотекучестью, – в пределах 720 – 770 о С.
Продолжительность выдержки отливки в кокиле назначают с учетом ее размеров и массы. Обычно отливки охлаждают в форме до температуры около 400 о С.
Отливки из магниевых сплавов
Магниевые литейные сплавы по сравнению с алюминиевыми обладают худшими литейными свойствами. Они обладают пониженной жидкотекучестью, большой усадкой (3,2 – 1,5%), склонностью к образованию горячих трещин, пониженной герметичностью, высокой склонностью к окислению в жидком и твердом состояниях, способностью воспламеняться в жидком состоянии. Магниевые сплавы имеют большой интервал кристаллизации, склонны к растворению газов и поэтому в отливках часто образуются микрорыхлоты. Отливки из магниевых сплавов склонны к короблению при затвердевании и термической обработке.
Наибольшее применение для литья в кокиль нашли сплавы марок МЛ5 и МЛ6 (системы Mg – Al – Zn), сплав МЛ12 (системы Mg – Zn – Zr) и МЛ10 (системы Mg – Nd – Zr).
Температура заливки магниевых сплавов зависит от их химического состава и обычно на 100 – 150 о С превышает температуру ликвидуса, что вызвано пониженной жидкотекучестью этих сплавов. Обычно температура заливки составляет 700 – 750 о С для тонкостенных отливок и 650 – 700 о С для массивных и толстостенных отливок.
Отливки из медных сплавов
Литьем в кокиль изготовляют отливки из латуней, бронз, а также из чистой меди. Латуни обычно имеют небольшой интервал кристаллизации, хорошую жидкотекучесть, но большую усадку (1,5 – 2,5%). Латуни мало склонны к образованию усадочной пористости, но интенсивно растворяют водород. Эта особенность всех медных сплавов наиболее сильно проявляется у кремнистых латуней, отливки из которых часто поражаются газовой пористостью.
Бронзы оловянные имеют хорошую жидкотекучесть, повышенную усадку (1,4 – 1,6%), большой интервал кристаллизации, а потому и повышенную склонность к образованию усадочной пористости в отливках. Алюминиевые бронзы имеют небольшой интервал кристаллизации, большую усадку (1,7 – 2,5 %). Отливки из них получаются плотными, но эти сплавы склонны к образованию оксидных плен из-за повышенной окисляемости содержащегося в них алюминия. Плены, попадающие в тело отливки, снижают механические свойства и герметичность изделий из алюминиевых бронз. Кремнистые бронзы, аналогично кремнистым латуням, склонны к образованию газовой пористости. Свинцовые бронзы склонны к ликвации, ухудшающей свойства отливок.
Отливки из медных сплавов при литье в кокиль часто поражены трещи-нами. Это затрудняет получение в кокилях сложных тонкостенных отливок. Главный способ предупреждения этих дефектов – хорошее раскисление и ра-финирование сплавов от шлаковых включений, увеличивающих склонность сплавов к образованию трещин.
Температура заливки медных сплавов выбирается в зависимости от их химического состава и конфигурации отливки. Для отдельных сплавов температура заливки составляет, о С: оловянные бронзы – 1150 – 1200; алюминиевые бронзы – 1100 – 1150; кремнистые латуни – 1000 – 1050; свинцовые латуни – 1000 – 1100. При этом массивные отливки заливают при температурах близких к нижнему пределу, а тонкостенные – к верхнему.
Дефекты отливок из цветных сплавов и методы их предупреждения
Общими характерными дефектами отливок при литье в кокиль являются:
- недоливы и неслитины при низкой температуре расплава и кокиля перед заливкой, недостаточной скорости заливки, большой газотворности стержней и красок, плохой вентиляции кокиля;
- усадочные дефекты (раковины, утяжины, пористость, трещины) из-за недостаточного питания массивных узлов отливки, чрезмерно высокой температуры расплава и кокиля, местного перегрева кокиля, нерациональной конструкции литниковой системы;
- трещины вследствие несвоевременного подрыва металлического стержня или вставки, высокой температуры заливки, нетехнологичной конст-рукции отливки;
- шлаковые включения при использовании загрязненных шихтовых материалов, недостаточном рафинировании сплава перед заливкой, неправильной работе литниковой системы;
- газовая пористость при нарушении хода плавки (использовании загрязненных влагой и маслом шихт, чрезмерно высокого перегрева, недостаточного рафинирования или раскисления сплава).
Специфические дефекты отливок из магниевых сплавов – это дефекты усадочного происхождения (пористость, трещины, рыхлоты), обусловленные широким температурным интервалом их затвердевания. Для устранения этих дефектов требуется доводка и точное соблюдение технологических режимов – температуры расплава и кокиля, применение краски и др. Часто отливки из магниевых сплавов из-за плохой работы литниковой системы поражены шлаковыми включениями, что приводит к коррозии отливки при ее эксплуатации и хранении. Такие дефекты устраняют тщательной доводкой литниковой системы.
Специфическими дефектами отливок из медных сплавов являются: газовая пористость при плохом рафинировании и очистке сплава от шлаковых частиц, вторичные оксидные плены при литье алюминиевых бронз вследствие разделения потока расплава на струи и окисления его в форме, трещины из-за плохого раскисления сплавов при плавке.
Литье в кокиль — основной способ серийного и массового производства отливок из алюминиевых сплавов, позволяющий получать отливки 4—6-го классов точности с шероховатостью поверхности Rz = 50-20 и минимальной толщиной стенок 3—4 мм. При литье в кокиль наряду с дефектами, обусловленными высокими скоростями движения расплава в полости литейной формы и несоблюдением требований направленного затвердевания (газовая пористость, оксидные плены, усадочная рыхлота), основными видами брака отливок являются недоливы и трещины. Появление трещин вызывается затрудненной усадкой. Особенно часто трещины возникают в отливках из сплавов с широким интервалом кристаллизации, имеющих большую линейную усадку (1,25—1,35 %). Предотвращение образования указанных дефектов достигается различными технологическими приемами.
Для того чтобы обеспечить плавное, спокойное поступление металла в полость литейной формы, надежное отделение шлака и оксидных плен, образовавшихся в металле в процессе плавки и движения по литниковым каналам, и предотвращение их образования в литей-ной форме, при литье в кокиль применяют расширяющиеся литниковые системы с нижним, щелевым и многоярусным подводом металла к тонким сечениям отливок. В случае подвода металла к толстым сечениям должна быть предусмотрена подпитка места подвода установкой питающей бобышки (прибыли). Все элементы литниковых систем располагают по разъему кокиля. Рекомендуются следующие соотношения площадей сечения литниковых каналов: для мелких отливок EFст : EFшл : EFпит = 1 : 2 : 3; для крупных отливок EFст : EFшл : EFпит = 1 : 3 : 6.
Для получения плотных отливок создают, так же как и при литье в песчаные формы, направленное затвердевание путем надлежащего расположения отливки в форме и регулирования теплоотвода. Как правило, массивные (толстые) узлы отливок располагают в верхней части кокиля. Это дает возможность компенсировать сокращение их объема при затвердевании непосредственно из прибылей, установленных над ними. Регулирование интенсивности теплоотвода с целью создания направленного затвердевания осуществляют охлаждением или утеплением различных участков литейной формы. Для местного увеличения теплоотвода широко используют вставки из теплопроводной меди, предусматривают увеличение поверхности охлаждения кокиля за, счет оребрения, осуществляют локальное охлаждение кокилей сжатым воздухом или водой. Для снижения интенсивности теплоотвода на рабочую поверхность кокиля наносят слой краски толщиной 0,1—0,5 мм. На поверхность литниковых каналов и прибылей для этой цели наносят слой краски толщиной 1-1,5 мм. Замедление охлаждения металла в прибылях может быть достигнуто также за счет местного утолщения стенок кокиля, применения различных малотеплопроводных обмазок и утепления прибылей наклейкой асбеста. Окраска рабочей поверхности кокиля улучшает внешний вид отливок, способствует устранению газовых раковин и неслитин на их поверхности и повышает стойкость кокилей. Перед окраской кокили подогревают до 100—120 °С. Излишне высокая температура нагрева нежелательна, так как при этом снижаются скорость затвердевания отливок и длительность срока службы кокиля. Нагрев уменьшает перепад температур между отливкой и формой и расширение формы за счет прогрева ее металлом отливки. В результате этого в отливке уменьшаются растягивающие напряжения, вызывающие появление трещин. Однако одного только подогрева формы недостаточно, чтобы устранить возможность возникновения трещин. Необходимо своевременное извлечение отливки из формы. Удалять отливку из кокиля следует раньше того момента, когда температура ее сравняется с температурой кокиля, а усадочные напряжения достигнут наибольшей величины. Обычно отливку извлекают в тот момент, когда она окрепнет настолько, что ее можно перемещать без разрушения (450—500 °С). К этому моменту литниковая система еще не приобретает достаточной прочности и разрушается при легких ударах. Длительность выдержки отливки в форме определяется скоростью затвердевания и зависит от температуры металла, температуры формы и скорости заливки. Алюминиевые сплавы в зависимости от состава и сложности конфигурации отливок заливают в кокили при 680—750 °С. Весовая скорость заливки составляет 0,15—3 кг/с. Отливки с, тонкими стенками заливают с большими скоростями, чем с толстыми.
Для устранения прилипания металла, повышения срока службы и облегчения извлечения металлические стержни в процессе работы смазывают. Наиболее распространенной смазкой является водно-графитовая суспензия (3—5 % графита).
Части кокилей, выполняющих наружные очертания отливок, изготавливают из серого чугуна. Толщину стенок кокилей назначают в зависимости от толщины стенок отливок в соответствии с рекомендациями ГОСТ 16237—70. Внутренние полости в отливках выполняют с помощью металлических (стальных) и песчаных стержней. Песчаные стержни используют для оформления сложных полостей, которые невозможно выполнить металлическими стержнями. Для облегчения извлечения отливок из кокилей наружные поверхности отливок должны иметь литейный уклон от 30′ до 3° в сторону разъема. Внутренние поверхности отливок, выполняемых металлическими стержнями, должны иметь уклон не менее 6°. В отливках не допускаются резкие переходы от толстых сечений к тонким. Радиусы закруглений должны быть не менее 3 мм. Отверстия диаметром более 8 мм для мелких отливок, 10 мм для средних и 12 мм для крупных выполняют стержнями. Оптимальное отношение глубины отверстия к его диаметру равно 0,7—1. Величина припуска на обработку при литье в кокиль назначается в два раза меньшей, чем при литье в песчаные формы.
Воздух и газы выводятся из полости кокиля с помощью вентиляционных каналов, размещаемых в плоскости разъема, и пробок, размещаемых в стенках вблизи глубоких полостей.
В современных литейных цехах кокили устанавливают на однопозиционные или многопозиционные полуавтоматические литейные машины, в которых автоматизированы закрытие и раскрытие кокиля, установка и извлечение стержней, выталкивание и удаление отливки из формы. Предусмотрено также автоматическое регулирование температуры нагрева кокиля. Заливку кокилей на машинах осуществляют с помощью дозаторов.
Для улучшения заполнения тонких полостей кокилей и удаления воздуха и газов, выделяющихся при деструкции связующих, осуществляют вакуумирование форм, заливку их под низким давлением или с использованием центробежной силы.
Кокили (рис. 73) по конструкции разделяются на неразъемные (а) и разъемные с вертикальной (б), горизонтальной (в), и комбинированными (г) плоскостями разъема. Они могут быть одноместными и многоместными (т. е. в одной форме одновременно получают несколько отливок). Внутренние полости отливок при литье в кокиль получают как с помощью постоянных (металлических) стержней (рис. 73, б), так и разовых песчаных (рис. 73, а, в, г). Формы с использованием песчаных стержней называют комбинированными.
Число плоскостей разъема и их расположение зависят от конфигурации литой детали и положения отливки при заливке. Спаривание и центрирование разъемных частей кокиля делают с помощью металлических штырей (в одной половине кокиля предусматривают штырь, а в другой — калиброванное отверстие).
Часто для получения отливок со сложной внутренней конфигурацией применяют песчаные стержни. Их устанавливают в форме каждый раз при сборке ее с помощью знаковых частей. Наиболее удобны оболочковые стержни, которые обеспечивают точные размеры и чистые поверхности отливок. Песчаные стержни податливы, поэтому отпадает необходимость их удаления до выбивки отливки из формы. Однако они уменьшают скорость затвердевания жидкого металла в форме, и металл получается со стороны стержней менее плотным; сами стержни могут размываться металлом и загрязнять отливку песком.
По конструкции различают детали технологичные, удобные для кокильного литья, и нетехнологичные. Технологичные детали не имеют выступов, впадин, поднутрений, массивных узлов; у них плавные переходы от тонких к толстым сечениям, небольшое число отверстий; на деталях предусмотрены конусы и уклоны, облегчающие извлечение отливок из кокилей.
Стойкость чугунных и стальных кокилей при получении медных сплавов составляет 5—10 тыс. заливок, легких сплавов 10 тыс. и более, Для повышения стойкости кокилей рабочие поверхности покрывают красками. С помощью красок устраняется также приваривание металла к стенкам кокиля, обеспечивается получение качественных поверхностей и регулируется направленность затвердевания отливок. Обычно литниковые канаты и прибыли покрывают более толстым слоем краски для предотвращения охлаждения металла в процессе заливки и питания. Там, где необходимо обеспечить быстрое затвердевание, наносят небольшой слой краски; в отдельных случаях в кокиле для ускорения затвердевания делают вставки из более теплопроводного металла (медь, бронза).
В практике различаются краски сухие и жирные. Сухие краски состоят из порошкообразного наполнителя (мел, тальк, оксид цинка, маршалит и др.), связующего (жидкое стекло и др.) и воды. Они имеют сметанообразную консистенцию. Например, для крупных сложных отливок из алюминиевых сплавов со стенками толщиной 6 мм и более применяют краску состава: 4 % мела, 3 % оксида цинка, 5 % графита коллоидального, 3 % жидкого стекла и 85 % воды. При литье магниевых сплавов в состав красок, кроме того, добавляют присадки, предохраняющие жидкий металл от взаимодействия с кислородом. Для средних и мелких отливок широко распространен следующий состав краски: 5 % мела, 5 % талька, 2 % борной кислоты, 88 % воды.
Краску наносят кистью или пульверизатором один-два раза в смену на подогретый до 100—200 °C кокиль. В крупносерийном и массовом производстве для нанесения краски применяют автоматические устройства. Предварительный подогрев кокиля необходим для замедленного охлаждения металла в начале работы и быстрого высыхания краски. Толщина слоя краски 0,5—0,6 мм, а на литниковых и прибыльных частях 0,6—4 мм.
При литье в кокиль медных сплавов, которые склонны к привариванию, чаще применяют краски на основе различных масел, мазута. Например, при литье оловянных бронз поверхность кокиля смазывают смесью из 96 % олифы и 4 % графита или 50 % мазута и 50 % керосина. При соприкосновении с металлом краска возгоняется, создается газовая и сажистая прослойка между жидким металлом и кокилем, которая предохраняет от приваривания жидкого металла к кокилю.
В процессе работы очень важным технологическим параметром является температурный режим кокиля. Для получения качественного литья из медных и алюминиевых сплавов температура кокиля должна поддерживаться в пределах 200—350 °C, магниевых 300—400 °С. Температура кокиля в последнем случае выше из-за более быстрого охлаждения магниевых сплавов, у которых удельная теплоемкость почти в два раза меньше, чем у алюминия. Температуру кокиля поддерживают специальным подогревом или искусственным охлаждением, а контроль осуществляют термопарами с помощью терморегуляторов.
Выбор оптимального теплового режима кокиля — основная, но довольно сложная технологическая задача. Для обеспечения условий направленного затвердевания отливки в кокилях приходится одни части охлаждать (массивные узлы отливки), а другие (прибыли тонкие стенки) утеплять.
Охлаждение кокиля осуществляется естественным путем передачи тепла окружающей среды через оптимальные толщины стенок кокиля. Стенки кокиля делают примерно в 1,2—2 раза массивнее стенок отливки. Для увеличения поверхности охлаждения кокиля на его наружной стороне предусматривают тонкие ребра, которые одновременно делают его конструкцию более жесткой, долговечной. Для местного охлаждения делают вставки из теплопроводной меди и ее сплавов Внутренние (рабочие) поверхности кокилей обрабатывают до чистоты, соответствующей 4—6-му классам. Поверхности разъемов обрабатывают по 6-му классу. Отдельные части кокиля центрируют с помощью штырей и втулок. Штырь (7-й класс чистоты) цилиндрической формы запрессовывают в одной половине кокиля, а в другой (симметрично) — втулку (отверстие). Половинки кокилей (при горизонтальном) разъеме делают створчатыми (т. е. раскрывающимися, как книга). Для вывода газа и воздуха из полости кокиля предусматривают вентиляционные каналы (риски толщиной 0,1-0,2 мм по разъему формы). Газы удаляются также через знаковые части песчаных стержней (если они предусмотрены).
Большое значение имеет температура заливки сплавов в кокиль, которая зависит от состава сплава, конфигурации и толщины стенок отливок и литниковой системы, температуры подогрева кокиля и других технологических факторов. Обычно температура заливки сплавов в кокиль несколько выше, чем при литье в песчаные формы, из-за более быстрого охлаждения в кокиле. Однако стремятся работать с минимально возможными температурами заливки, чтобы уменьшить усадку, снизить время охлаждения, увеличить стойкость кокиля. Вместе с тем заниженные температуры заливки приводят к незаполнению формы, появлению усадочных трещин, например при литье сплавов с широким интервалом кристаллизации. Практически алюминиевые сплавы заливают при 680—750 °C, магниевые при 700—760 °C, оловянные бронзы при 1150—1250 °С, алюминиевые бронзы при 1130—1200 °С, латуни при 980—1100 °C. Однако каждая отливка имеет оптимальную температуру заливки, которая устанавливается опытным путем и строго соблюдается.
Принципы технологического проектирования кокилей для получения качественной отливки не отличаются от тех, которые соблюдаются при проектировании моделей для разовых форм. Отливки располагают таким образом, чтобы обеспечить принципы направленного затвердевания, т. е. тонкие сечения снизу, массивные сверху при одновременном соблюдении условий удобного разъема формы и ее частей, чтобы отливка легко извлекалась из кокиля. Необходимо, чтобы литниковые системы обеспечивали спокойное, без образования пены и брызг поступление металла в полость кокиля. Скорость движения металла в кокиле должна быть достаточной, чтобы обеспечить хорошее заполнение полости формы, так как жидкотекучесть сплава в кокиле меньше, чем в песчаной форме. Одновременно скорость движения металла должна быть умеренной, чтобы воздух и газы успевали выйти из формы через прибыли, выпоры и специальные вентиляционные каналы, так как сама форма негазопроницаема. Эти условия в наибольшей степени обеспечиваются при нижнем подводе металла в полость формы или через вертикально-щелевые литниковые системы.
На рис. 75 приведены схемы наиболее распространенных литниковых систем при литье алюминиевых сплавов в кокиль (по разъему). Изогнутые формы литников обеспечивают снижение линейной скорости движения жидкого металла в литниковых каналах; при этом уменьшается опасность окисления и попадание окисных пленок в отливку.
Недостатком нижнего подвода металла является неблагоприятное затвердевание металла в форме, когда нижние части, более разогретые, затвердевают позднее верхних (прибылей) и тем самым не обеспечивается надлежащее питание отливки. При заливке сверху достигается удобная направленность затвердевания (часто металл подводится в прибыль), но металл разбрызгивается, окисляется и образуется много включений, что особенно заметно при литье пленообразующих сплавов.
Поэтому при верхнем подводе металла в форму предусматривают механизмы в кокиле для одновременного его наклона таким образом, чтобы металл в течение всей заливки плавно стекал по стенкам формы (рис. 76). Для уменьшения в полости формы окислительных процессов в ходе заливки ее заполняют иногда инертными газами или окрашивают стенки покрытиями из хлористых или фтористых солей.
Прибыли предусматривают для питания массивных частей отливок (однако по массе они обычно меньше, чем при литье в песчаные формы). Прибыли бывают открытыми (соприкасающимися с атмосферой) или закрытыми (глухими), имеющими верхнюю сферу, выполненную в кокиле. Поскольку металл в прибылях должен затвердевать в последнюю очередь, в прибыльные части подводят дополнительный литниковый канал, либо утепляют прибыль (оклеивают рабочую внутреннюю поверхность прибыли листовым асбестом), либо выполняют ее в песчаных, малотеплопроводных стержнях; предусматривают также обогрев газовой горелкой или электричеством (с помощью нихромовых спиральных нагревателей).
Наладка кокиля (определение оптимального технологического процесса) заключается в установлении трех основных параметров рациональных размеров литниковоприбыльных систем (при минимальном расходе на них металла и обеспечении максимальной плотности и качества отливок), оптимальных температур заливки металла и самого кокиля.
Основные виды дефектов при кокильном литье — усадочная пористость и трещины в местах перехода от толстых к тонким сечениям. Поэтому прежде всего необходимо обеспечить плавные переходы сечений (в кокиле выполняются соответствующие радиусы-галтели). Усадочные раковины и пористость обнаруживаются визуально или рентгеновским просвечиванием. Основные причины усадочных раковин и пор — отсутствие направленного затвердевания металла в форме, недостаточное питание. Устраняют эти дефекты изменением литниково-прибыльной системы, методами дифференцированного утепления или охлаждения различных частей формы.
В современных литейных цехах процессы литья в кокиль механизируют и автоматизируют, применяя специальные кокильные машины с механическим, пневматическим, гидравлическим и другими устройствами для разъема и сборки кокилей, которые используют индивидуально или в поточных линиях обычно карусельного типа.
Различают машины с вертикальным и горизонтальным разъемами кокилей, с одной подвижной и одной неподвижной плитой, с двумя, тремя и более подвесными плитами.
На рис. 77 приведена отечественная универсальная однопозиционная кокильная машина модели 5А93 для производства отливок из черных и цветных сплавов. Цикл работы на этой машине может быть полуавтоматическим или автоматическим (в случае применения автоматического дозирующего устройства для заливки). Машина состоит из двух подвижных плит 1, на которых крепятся половинки кокилей и которые установлены на станине 2 и перемещаются по колоннам 3 с помощью гидравлических приводов 4. Сверху укреплен гидроцилиндр 5 для крепления подвижного металлического стержня, который может перемещаться вокруг продольной оси, что позволяет производить установку его под разными углами по отношению к кокилю. Управление машиной осуществляется с помощью пульта 6.
Машина осуществляет смыкание двух половинок кокилей, раскрытие, выталкивание отливки из кокилей (с помощью толкателей в виде металлических стержней, проходящих через стенки кокилей и выталкивающих отливку при раскрытии кокиля). Вытолкнутые отливки через нижний проем в станине попадают на транспортер.
Наиболее высокую производительность обеспечивают карусельные машины, которые обычно состоят из нескольких однопозиционных машин, установленных на вращающемся карусельном столе.
На рис. 78 показана кокильная многопозиционная карусельная машина, состоящая из шести кокильных машин 1 с горизонтальным разъемом с помощью копира 2. Машины укреплены на вращающейся карусели 3 с приводом 4. Установка управляется с пульта 5. Заливка металла в один из кокилей производится из ковша 6. После заливки на позиции А происходит охлаждение отливок на позициях Б, B, Г, а на позиции Д — раскрытие кокиля и сталкивание отливки пневмоцилиндром 7 на приемный рольганг 8, на позиции E — очистка, окраска и смыкание половин кокилей.
В таблице помещён небольшой обзор применяемых для алюминиевого литья литейных процессов и соответствующих литейных форм. В нижеследующих подразделах описываются определённые литейные процессы, а также поясняются их преимущества и недостатки.
Литьё в песчаные формы
Литьё в песчаные формы является традиционной технологией литья в формы с разрушаемыми (теряемыми) песчаными формами. Формы, применяемые для одной единственной отливки, изготавливаются, в принципе, из кварцевого песка как основного материала формы с применением связующих средств. Изготовление форм производится копированием моделей из дерева, металла или пластмассы и позволяет получать отливки сложной формы путём разъёма и разделения модели и формы. После застывания отливок песчаные формы разрушаются, а песчаные стержни, служащие для достижения недоступных и необрабатываемых полостей, вытряхиваются или вымываются. Обычно применяемое литьё в песчаные формы играет в серийном производстве второстепенную роль. Главная область применения - изготовление прототипов и малых серий. Экономично литьё в песчаные формы в форме автоматизированного метода стержневого пакета (CPS = core package system). Чистый процесс литья в песчаные формы (форма и стержни изготовлены из песка) производится методом свободной заливки форм или методом литья под низким давлением. На Изображении 1 показано литьё в песчаные формы методом свободной заливки форм.
1. Разливочный ковш
3. Песчаная форма
Литьё в кокиль
При литье в кокиль жидкий алюминий разливается в долговременные металлические формы из чугуна или жароупорных сталей. При данном методе литья конструкция и свобода её конструирования зависят, однако, от того, производится ли отливка методом свободной заливки форм или методом литья под низким давлением. По сравнению с литьём в песчаные формы при литье в кокиль достигается лучшее качество поверхности и большая точность размеров отливок
Свободное литьё в кокиль
При свободном литье в кокиль заполнение формы происходит исключительно под влиянием действующей на металл силы тяжести при атмосферном давлении. Отливка производится вручную или на частично или полностью автоматизированных литейных машинах. При данном методе существует достаточно большая свобода конструирования, поскольку возможно применение песчаных стержней (изобр. 3). Таким образом, реализуемы также разрезы сзади или полости, недостижимые механообработкой. Благодаря быстрому, направленному застыванию расплава при методе свободного литья в кокиль по сравнению с литьём в песчаные формы достигается более тонкая структура, более высокая прочность, а также неограниченные возможности по работе с теплом.
1. Разливочный ковш
5. Литниковая система
6. Песчаный стержень
Литьё в кокиль под низким давлением
При литье под низким давлением расплав при относительно низком избыточном давлении (для алюминиевых сплавов - от 0,2 до 0,5 бар) поднимается в кокиль и при этом давлении застывает Речь идёт, - если речь идёт о давлении, - собственно, о давлении заполнения, необходимом для того, чтобы жидкий металл доставить в литейной машине наверх, в форму. Давление заполнения поддерживается до тех пор, пока не произойдёт затвердевание, от самого удалённого места до среза сифонного литника (входное отверстие литейной формы). Тем самым почти идеально происходящее, направленное затвердевание и заполнение формы без турбулентности являются существенным основанием высокой ценности отливок под низким давлением. Как и при свободном литье в кокиль, и при данном методе применимы стержни из песка, дающие в достаточной степени простор для конструирования формы.
2. Стальной кокиль
3. Сифонный литник
4. Литейная печь с расплавом
5. Подъёмный стол
6. Подъёмное приспособление
Литьё под давлением
При литье под давлением расплав под высоким давлением и с большой скоростью впрыскивается в долговременные формы из улучшенной жаропрочной стали. Металл течёт под давлением в полости формы. В конце заполнения формы давление на жидкий металл возрастает до 700 - 1000 бар. Давление поддерживается в процессе затвердевания металла. Это позволяет получить самую точную передачу формы по сравнению с другими методами литья. Тем самым достижимы узкие поля допусков размеров, резкость контуров и качество поверхности с малыми припусками на обработку. Благодаря высокому съёму продукции с квадратного метра площади речь идёт об очень экономичном методе литья. Этот метод имеет, однако, также определённые недостатки. Так, увеличивающая прочность двойная термообработка, в общем, невозможна, поскольку заключённые в материале пузырьки воздуха или газовые поры, образующиеся из-за толчкообразного наполнения формы, при определённых условиях создадут трудности. Также следует назвать ещё имеющуюся в настоящее время ограниченную свободу конструирования, поскольку при литье под давлением не могут быть применены для литейных полостей никакие обычно применяемые песчаные стержни. Обычно применяемые песчаные стержни были бы разрушены высоким давлением литья и сделали бы отливку непригодной. Однако происходит дальнейшее развитие литейной технологии. В настоящее время разрабатываются такие песчаные стержни, которые могут выдерживать высокое давление литья в процессе литья под давлением.
1. Разливочный ковш
2. Отверстие заполнения
3. Поршень прессования
4. Камера прессования
6. Стальная форма
Прессование (Squeeze Casting)
Речь идёт, в принципе, о литье под давлением с несколько иными преимуществами и недостатками. Конструкция литейной машины, однако, отличается. Создание давления при прессовании происходит в конце процесса заполнения формы, который идёт значительно медленнее, чем при литье под давлением. Расплав, в отличие от литья под давлением, выдавливается в форму не в течение нескольких миллисекунд; процесс литья длится значительно дольше, до нескольких секунд. Это особенно важно при заливке чувствительных заливаемых частей, таких, как, напр. Silizium Preforms (LOKASIL метод) или усиления волокном постели под подшипники. Впрыск расплава, как это делается при литье под давлением, повредил или разрушил бы эти чувствительные части, сделав данную отливку негодной. Благодаря отсутствию турбулентности при заполнении формы прессованные части полностью термообрабатываемы для увеличения прочности.
Данный метод предполагает получение отливки с помощью кокиля. Кокиль —металлическая многократно используемая форма, заполняемая жидким металлом под действием гравитационных сил.
Конструкции кокилей разнообразны. Так, различают кокили:
Рис. 4.6. Примеры блока моделей (а) и отдельных моделей (6) отливок для литья по выжигаемым моделям
Число плоскостей разъема и их расположение зависят от конфигурации литой детали и положения отливки при заливке. Внутренние полости в отливках при литье в кокиль могут выполняться как разовыми песчаными, так и постоянными металлическими стержнями, в том числе и разъемными. На рис. 4.7 приведена конструкция кокиля с разъемным стержнем для получения литого алюминиевого поршня.
Рис. 4.7. Конструкция кокиля для литья алюминиевого поршня:
- 1,6 — половинки кокиля; 2 — внутренняя полость кокиля;
- 3—5 — металлический разъемный стержень; 7 боковой стержень;
- 8 — нижняя плита
Кокиль имеет вертикальный разъем и состоит из двух половин 1, 6 и нижней плиты 8. Для получения отверстий в поршне используются металлические стержни. Причем если боковые стержни 7 иод поршневые пальцы будут затем извлекаться из отливки без особых затруднений, то извлечь центральный стержень можно, только если он разъемный. После охлаждения отливки сначала извлекается центральная клиновая часть 4, а затем боковые части 3 и 5 стержня.
Технология литья в кокиль имеет ряд особенностей. Формирование отливки происходит в условиях интенсивного отвода тепла от отливки к металлической форме, обладающей повышенной теплопроводностью. В результате быстрого затвердевания структура металла становится мелкозернистой и плотной, а следовательно, отливки получаются с повышенными механическими свойствами.
На поверхности чугунных отливок в результате быстрого охлаждения возможно образование слоя цементита (Fe3C) — отвела, затрудняющего механическую обработку отливок. Образование отбела можно предотвратить использованием облицованных кокилей, имеющих внутреннее теплоизоляционное покрытие, которое предотвращает отбеливание чугуна и разгар кокиля.
Кокиль практически неподатлив и интенсивно препятствует усадке отливки, что способствует возникновению в отливках внутренних напряжений, которые в большинстве случаев снимаются последующей термической обработкой.
Литьем в кокиль можно получать отливки практически из всех сплавов массой от нескольких килограммом до нескольких тонн. Наибольшее распространение получило литье в кокиль алюминиевых и магниевых сплавов, обладающих сравнительно невысокой температурой плавления и хорошими технологическими свойствами. Этим методом получают головки блоков автомобилей, поршни, корпуса масляных насосов и другие детали.
Читайте также: