Способы изготовления моделей для литья

Литье по выплавляемым моделям. Суть процесса. Основные операции и область применения

Литье по выплавляемым моделям – это процесс, в котором для получения отливки применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, полученные по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Перед заливкой расплава модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием, растворением 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 формы расплавом. Основные операции технологического процесса показаны на рисунке 2.1.

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, а также обработку резанием (рисунок 2.1, а). Модель изготовляют из материалов, либо имеющих невысокую температуру плавления (воск, стеарин, парафин), либо способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол).

Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки 3 (рисунок 2.1, б), имеющие модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель отливки. Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателей и стояка. Модели чаши и нижней части стояка изготавливают отдельно и устанавливают в блок при его сборке.

Рисунок 2.1 – Последовательность изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым моделям: а – запрессовка модельного состава в пресс-форму; б – сборка блока; в – нанесение на блок суспензии; г – посыпка огнеупорным зернистым материалом: д – сушка; е – удаление модели; ж – засыпка опорным .материалом; з – прокалка в печи; и – заливка формы расплавом; 1 – пресс-форма; 2 – модель; 3 – блок моделей отливок и литниковой системы; 4 – слой суспензии; 5 – огнеупорный зернистый материал; 6 – пары аммиака; 7 – горячая вода; 8 – опорный материал; 9 – печь; 10 – прокаленная форма; Q – подвод теплоты

Для получения оболочковых форм полученный блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью – суспензией, состоящей из пылевидного огнеупорного материала, например, пылевидного кварца или электрокорунда и связующего (рисунок 2.1, в). В результате на поверхности модели образуется слой суспензии 4 толщиной менее 1 мм. Для упрочнения этого слоя и увеличения его толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рисунок 2.1, г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3 – 10 слоев). При этом каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что зависит от связующего (рисунок 2.1, д).

После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. В качестве примера на рисунке 2.1 показано, как в процессе удаления выплавляемой модели в горячей воде 7 при температуре менее 100 о С получают многослойную оболочковую форму (рисунок 2.1, е).

С целью упрочнения формы перед заливкой ее помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рисунок 2.1, ж).

Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещают в печь 9 для прокаливания (рисунок 2.1, з). Прокалку формы ведут при температуре 900 – 1100 о С, далее прокаленную форму 10 извлекают из печи и заливают расплавом (рисунок 2.1, и). После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники. Во многих случаях оболочки прокаливают в печи до засыпки огнеупорным материалом, а затем для упрочнения их засыпают предварительно нагретым огнеупорным материалом. Это позволяет уменьшить продолжительность прокаливания формы перед заливкой и сократить энергозатраты. Так, например, организован технологический процесс на автоматических линиях для массового производства отливок.

Малая шероховатость поверхности формы при достаточно высокой огнеупорности и химической инертности материала позволяет получать отливки с поверхностью высокого качества. После очистки от остатков оболочковой формы шероховатость поверхности отливок составляет от Rz = 20 мкм до Ra — 1,25 мкм.

Отсутствие разъема формы, использование для изготовления моделей материалов, позволяющих не разбирать форму для их удаления, высокая огнеупорность материалов формы, а также нагрев ее до высоких температур перед заливкой способствуют улучшению заполняемости, дает возможность получать отливки сложнейшей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигурации готовой детали, из практически всех известных сплавов. Достигаемый коэффициент точности отливок по массе (КТМ = 0,85 – 0,95) способствует резкому сокращению объемов обработки резанием и отходов металла в стружку. Точность отливок может соответствовать классам точности 2 – 5 по ГОСТ 26645—85 (изм. № 1,1989), припуски на обработку резанием для отливок размером до 50 мм обычно не превышают 1 мм, а для отливок размером до 500 мм – около 3 мм. Поэтому литье по выплавляемым моделям относится к прогрессивным материало- и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов.

Особенности формирования отливок и их качество. Получение отливок в оболочковой форме сопряжено с рядом особенностей, в частности, перед заливкой форму нагревают до сравнительно высоких температур. Это определяет следующие технологические моменты.

Небольшие теплопроводность, теплоемкость и плотность материалов оболочковой формы и повышенная температура формы снижают скорость отвода теплоты от расплава, что способствует улучшению заполняемости формы. Благодаря этому возможно получение сложных стальных отливок с толщиной стенки 0,8 – 2 мм со значительной площадью поверхности. Улучшению заполняемости формы способствуют также и малая шероховатость ее стенок, возможность использования внешних воздействий на расплав, таких, как поле центробежных или электромагнитных сил, заливка с использованием вакуума и др.

Невысокая интенсивность охлаждения расплава в нагретой оболочковой форме приводит к снижению скорости затвердевания отливок, укрупнению кристаллического строения, возможности появления в центральной части массивных узлов и толстых (6 – 8 мм) стенок усадочных дефектов – раковин и пористости. Тонкие же стенки (1,5 – 3 мм) затвердевают достаточно быстро, и осевая пористость в них не образуется. Для уменьшения усадочных дефектов необходимо создавать условия для направленного затвердевания и питания отливок. Для улучшения кристаллического строения отливок используют термическую обработку.

Повышенная температура формы при заливке способствует развитию на поверхности контакта отливки с формой физико-химических процессов, результатом которых может быть как желательное изменение структуры поверхностного слоя отливки, так и нежелательное, т. е. приводящее к появлению дефектов поверхности.

Например, на отливках из углеродистых сталей характерным дефектом является окисленный и обезуглероженный поверхностный слой глубиной до 0,5 мм. Причина окисления и обезуглероживания отливок заключается во взаимодействии кислорода воздуха с металлом отливки при ее затвердевании и охлаждении. Основные факторы, влияющие на процесс обезуглероживания, – это состав газовой среды, окружающей отливку, температура отливки и формы, содержание углерода в отливке.

С увеличением содержания в окружающей отливку среде газов-окислителей (О₂, СО₂ и паров Н₂О) при высоких температурах отливки и формы процессы обезуглероживания интенсифицируются. Поэтому небольшая скорость охлаждения отливки в нагретой оболочковой форме способствует увеличению глубины обезуглероженного слоя. Увеличение содержания углерода в стали повышает интенсивность обезуглероживания поверхностного слоя отливки. Для уменьшения глубины обезуглероженного слоя используют специальные технологические приемы, основанные на предотвращении или уменьшении контакта кислорода воздуха с затвердевающей отливкой, на создании вокруг отливки восстановительной газовой среды и на быстром охлаждении, т.е. сокращении длительности реакции. На отливках из легированных сталей следствием физико-химического взаимодействия материалов формы и отливки при высоких температурах появляются точечные дефекты (питтинги), приводящие к снижению коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности отливок и их браку.

Предупредить появление этого дефекта можно созданием восстановительной газовой среды в форме; проведением заливки форм в вакууме, в нейтральной или защитной среде; уменьшением или устранением взаимодействия оксидов отливки и формы; заменой ее огнеупорного материала, например кремнезема, основными огнеупорами (магнезитовыми, хромомагнезитовыми).

Наконец, стремление получить отливки с чистой гладкой поверхностью вызывает необходимость использования огнеупорных материалов с малыми размерами зерна основной фракции (менее 0,03 мм). Это снижает газопрони-цаемость оболочковой формы, создает опасность образования воздушных «мешков» в форме при ее заполнении, приводит к снижению заполняемости формы и образованию дефектов отливок из-за незаполнения форм.

Эффективность производства и область применения. Исходя из производственного опыта, можно выделить следующие преимущества способа литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям:

1. возможность изготовления из практически любых сплавов отливок сложной 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 (опытном) и серийном производствах, что важно при создании новых машин и приборов;
4. уменьшение расхода формовочных материалов для изготовления отливок, снижение материалоемкости производства;
5. улучшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного процесса на окружающую среду.

Наряду с преимуществами данный способ обладает и следующими недостатками:

1. процесс изготовления литейной формы является многооперационным, трудоемким и длительным;
2. большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, и соответственно связанная с этим сложность управления их 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 обработки труднообрабатываемых металлов и сплавов резанием, сократить использование обработки давлением труднодеформируемых металлов и сплавов, заменить трудоемкие операции сварки или пайки для повышения жесткости, герметичности, 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, изготавливаемых этим способом. Только при правильном выборе номенклатуры деталей достигается высокая экономическая эффективность данного производства.

Источник

Литье по выплавляемым моделям — технология

Издавна литьё по выплавляемым моделям пользовалось популярностью. С помощью данной технологии выливались пушки, колокола, античные скульптуры. Технологии сегодняшнего дня значительно усовершенствовались. Они дают возможность сделать детали, которые отличаются сложными конструкциями, малым весом, не требуют механической доработки.

Технология

Этот метод используется для производства изделий из разных сплавов. Обеспечивается показатель качества до ±0,005 мм на каждые 25 мм поверхности. Указанная точность позволяет изготавливать изделия, которые не требуют дополнительной обработки. Залог успешности технологического процесса в том, что модель производится из быстро плавящегося вещества. Используется парафин, воск, канифоль либо их смесь.

Технологический процесс состоит из действий:

1. Производство модели:
   • под модель берётся специальная форма из гипса, пластмассы, стали либо чугуна;
   • в нее заливается вещество образующее модель;
   • необходимо дождаться его полного застывания;
   • после этого специальная форма открывается, восковая модель вынимается и помещается в емкость под прохладную воду.
2. Сборка моделей в блоки:
   • для производства качественного изделия модели собираются в простые и сложные блоки, в каждый из них может войти от 2 до 100 штук;
   • для увеличения прочности в блочную конструкцию устанавливают алюминиевые стойки;
   • их покрывают слоем модельного вещества до 25 мм;
   • блочные конструкции объединяются в литниковую систему.
3. Нанесение на модель огнестойкой оболочки:
   • блок собранный из нескольких моделей помещается в емкость, где находится суспензия из керамики (кварцевая пыль, мелкие фракции шамота) и связывающего компонента (этилово силикатного раствора);
   • на протяжении суток он сушится в естественной среде, это время можно сократить до 40 минут под воздействием аммиака;
   • таким образом, на указанный блок поочередно наносится 46 слоёв огнезащитной оболочки, с тщательной просушкой каждого из них;
   • завершенная модель в огнезащитной оболочке помещается в нагретую воду 90°С;
   • за несколько минут модельное вещество растает и всплывет на поверхность воды, где оно собирается для следующего применения.
4. Подготовление формы к заливке:
   • пустая оболочка промывается в воде и сушится в шкафу на протяжении 2 часов при 200°С;
   • сухая оболочка выставляется вертикально в жаростойкую опоку и по краям уплотняется кварцевым песком, помещается в печь на 2 часа при 950°С;
   • в печи испаряется оставшаяся влага, остатки модельного состава выгорают, оболочка спекается с огнеупорным материалом, повышая прочность;
   • расплавленный металл заливается в прокаленную горячую форму.
5. Охлаждение отливки:
   • после того, как отливка остыла — оболочка разрушается;
   • изделие очищается от ее остатков, для чего поддается химической очистке;
   • далее изделие промывается водой и подвергается окончательной сушке.

В итоге, оно подлежит для проведения термической обработки и снятия контрольных мерок. Таким образом изготавливаются отливки необходимого размера и конфигурации.

Литниково-питающая система при литье по выплавляемым моделям

Ее особенности заключаются в следующем:

1. Этот метод продолжительное время используется в литейном производстве, дает возможность делать сложные конструкции, упрощает процесс производства. Система состоит из:

• воронки для литья;
• опоры;
• питателей и зумпфа.

При заливке — струя делится в зумпфе, что уменьшает температурное воздействие. Это положительно влияет на качество отливки. Она применяется в машиностроении и других отраслях промышленности.

2. Могут проявиться следующие недостатки:

• гидродинамический удар способен создать трещины в керамической форме;
• увеличение струи литья может разрушить оболочку;
• завихрения струи могут спровоцировать отслоение элементов и их попадание в структуру готового изделия.

Для предотвращения этого разработано техническое решение по разделу струи горячего металла, что оберегает общую конструкции от преждевременного разрушения.

3. Правильное соотношение между преимуществами и недостатками такой конструкции при осуществлении литья понизит негативное воздействие на 40%. Для этого необходимо сделать следующее:

• модель производится из обычных материалов; на форму наносится определенное количество слоев, защищающих ее от температурного воздействия;
• каждый слой после нанесения должен высохнуть на 100%;
• в период заливки расплавленного металла плавно увеличивается струя.

Это все приводит к увеличению прочности оболочки и понижению воздействия на нее. Простое решение при литье по выплавляемым моделям приводит к использованию системы в промышленных масштабах. Что значительно удешевляет стоимость готовой продукции.

Изготовление выплавляемых моделей

Для этого применяются легкоплавкие составы, которые состоят из парафина, церезина, воска и других компонентов. Эти составы должны иметь свойства:

• температура плавки 60–81,6 °С;
• стабильная линейная усадка и расширение должны свестись к минимуму;
• хорошая текучесть материала;
• хорошая прочность и твердость в застывшем состоянии;
• не прилипать к поверхности, минимальное образование золы;
• не вступать в химические реакции с огнеупорными материалами пресс-формы; отсутствие вредных паров во время нагревания;
• многократное применение;
• малая стоимость комплектующих материалов.

Сущность заключается в том, что модельный материал должен собой заполнить все элементы формы и не допустить ее повреждения. А впоследствии, не нанеся ущерба вытечь из формы, освободив место для металлической заливки.

Операции получения отливки

Существуют особенности литья по выплавляемым моделям при производстве подобных изделий. К ним относятся:

• Расплавленный металл заливается равномерно и постепенно. Это даёт возможность сделать выплавляемые детали с гладким и точным покрытием, которое не будет нуждаться в механической доработке.
• Литьё должно иметь необходимую температуру, для каждого материала она разная.
• Время заливки расплавленного состава будет зависеть от сложности будущей конструкции. Важно это делать постепенно, однако не затягивать процесс слишком долго.
• Чтобы выплавить качественное изделие необходимо осознавать, что тонкие детали кристаллизуются и остывают быстрее чем массивные элементы.
• Чтобы литьё остывало равномерно, форму оснащают специальным теплообменником в виде элементов с повышенной проводимостью тепла. Это может быть чугун либо графит.
• При охлаждении литьё передает свою температуру на форму неравномерно, на ее внутренней стороне температура не отличается от остывающей заготовки.
• Выбивка выплавляемой продукции производится после окончания процесса кристаллизации и полного остывания. Спешка может негативно сказаться на качестве изделия.

Благодаря выплавляемым моделям есть возможность сделать своими силами деталь любой сложности. Это дает возможность усовершенствовать производство необходимых предметов.

Плюсы и минусы процесса

Литьё по выплавляемым моделям имеет свои преимущества:

• отсутствие разъема в форме приводит к повышению точности литья;
• простота действий и дешевизна рабочего процесса;
• возможность сделать огромное разнообразие форм для отливки;
• широкий диапазон размеров и массы отливок;
• дает возможность получить сложные конструкции из любых сплавов;
• высокая точность изделия и чистота поверхностного слоя может исключить необходимость последующей механической обработки;
• оболочка легко разрушается;
• отливки хорошо очищаются от ее остатков.

Присутствуют и недостатки:

• требует осторожности в ходе проведения технологического процесса литья;
• длительность рабочего процесса подготовки формы;
• данное производство является рентабельным только при его массовом применении;
• необходимость проветривания в помещении;
• следует строго придерживаться технике безопасности;
• работа с расплавленным металлом требует особого внимания.

Как видим, литьё по выплавляемым моделям обладает достаточным количеством преимуществ, по этой причине оно широко применяется в различных отраслях машиностроения.

Цеха для литья по выплавляемым моделям находятся во многих самодостаточных заводах. Это позволяет делать качественные детали с большой точностью в короткие сроки, экономя денежные средства.

Источник