» » Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением
24.04.2015

При литье фасонных деталей, когда масса заливаемого металла значительно меньше, чем при литье слитков, и когда металл должен заполнить полости малого поперечного сечения, где он может быстро затвердеть до поступления давления, применение кристаллизации под давлением ограничено и зависит от конфигурации детали и толщины ее стенок.
Для уплотнения металла в процессе его затвердевания давление должно действовать на всю площадь заготовки или непосредственно на ее верхние торцы (у деталей типа втулок или коробчатого сечения) и должно быть передано в нижележащие слои по вертикали или в лучевом направлении. Давление должно действовать до тех пор, пока в верхней части залитой формы еще имеется жидкий или жидкотвердый металл, который сможет быть запрессован для пополнения усадочных раковин и неплотностей.
Применять кристаллизацию под давлением при работе на обычных прессах можно только для деталей с толщиной стенок не менее 7 мм. При работе на специализированных машинах, например, машине ОВП-2, где давление может быть подано очень быстро (менее чем через 1/2 сек.), толщина стенок может быть уменьшена (до 6 мм).
На фиг. 194 показаны втулки из латуни ЛК80-3, отлитые под прессом мощностью 30 т, с установленными металлическими стержнями и с применением кольцевых пуансонов. Детали отличаются мелкозернистой структурой и высокой плотностью.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

Неточность дозировки жидкого металла изменяет высоту детали, поэтому нельзя изготовлять детали, которые должны быть точными без механической обработки. Если деталь (или ее торцы) имеет гладкую поверхность, то обработка ее не встречает затруднений. Если поверхность детали фасонная, то общее понижение заготовки для получения точных размеров по высоте очень трудоемко и в ряде случаев нецелесообразно. С учетом этого фасонную поверхность заготовки целесообразно оформлять в нижней части матрицы.
Тонкостенные плоские детали, быстро затвердевающие с образованием со всех сторон кристаллической корочки, непригодны для изготовления методом кристаллизации под давлением.
Наиболее подходящими для кристаллизации под поршневым давлением являются толстостенные несложные заготовки, у которых высота превышает размеры поперечного сечения.
При применении небольших прибылей (высотой 5—8 мм) и использовании их в качестве резервуара, в котором металл некоторое время сохраняется в жидком состоянии, процесс изготовления тонкостенных фасонных заготовок значительно расширяется.
При отливке фасонного фланца 2, представленного на фиг. 195. прибыль 1 образуется в результате припуска на обработку (3—4 мм) и установки центрального стержня не на всю глубину отверстия.
Примеры установки небольших кольцевых прибылей 1 на деталях типа втулок 2 с буртиком и без буртика показаны на фиг. 196.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

При наличии невысокого, но развитого по диаметру буртика, торцы матрицы, оформляющие буртик, могут служить опорой, затрудняющей передачу давления в глубинные части детали.
В подобных случаях прибыль необходима для устранения этой помехи.
Если прессование металла при изготовлении сплошных деталей (без полостей) производится фасонным пуансоном, площадь поперечного сечения которого равна площади сечения матрицы, то заготовка приобретает негативное изображение фасонного торца пуансона; металл при этом в зависимости от конфигурации пуансона перемещается путем осадки или высадки. Поверхность заготовки, получаемая в результате соприкосновения металла с пуансоном и перемещения металла, отличается от остальной поверхности заготовки высокой чистотой поверхности, остротой своих граней и плотностью.
В подобных случаях для получения точных размеров по высоте производится обработка нижней части детали.
Процесс при малых перемещениях торцевой части фасонным пуансоном квалифицируется как кристаллизация под давлением в отличие от штамповки жидкого металла, при котором площадь поперечного сечения пуансона меньше площади сечения матрицы, благодаря чему выдавливание металла идет более интенсивно с получением полостей.
При изготовлении деталей с несквозной полостью стержни (или выступы), оформляющие полость, располагаются в нижней части формы. При этом необходимо учитывать, что стержни обжимаются металлом и для снятия с них отливки необходимо предусмотреть ее выталкивание вверх.
В нижней части формы не должно быть тонких и глубоких полостей, где металл мог бы затвердеть до поступления давления.
При изготовлении деталей типа втулок металл заливается в собранную форму с установленным в ней стержнем. Благодаря этому в отличие от штамповки жидкого металла заготовки типа втулок получаются со сквозным отверстием.
При применении этого процесса для сравнительно толстостенных заготовок необходима достаточно продолжительная выдержка сплава под давлением до момента окончания кристаллизации (не менее 12 сек.).
Литье мелких фасонных деталей с кристаллизацией под давлением осуществляется в следующем технологическом оформлении. Отливка деталей без полостей или с небольшими полостями производится в неразъемных формах (фиг. 197).
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

Выталкивание подобных отливок вверх производится с помощью универсального приспособления — съемного гидравлического постамента 8, мощностью от 10 г и выше, смонтированного на столе пресса.
Применение гидравлических постаментов дает возможность в ряде случаев осуществить процесс на обычных гидравлических прессах.
У деталей с неглубокой полостью выталкивателем может служить стержень 5, выполняющий центральное отверстие. Этот стержень соединен на резьбе с поршнем гидравлического постамента. В поднятом положении, в тот момент, когда поршень включается на обратный ход, отливка снимается вилкой-съемником.
Формы для литья с кристаллизацией под давлением подобных деталей должны состоять из нормализованной оснастки, в которую устанавливаются сменные пуансоны и матрицы, а также стержни.
К нормализованной оснастке относятся: пуансонодержатели 1, матрицедержатели 3 и гидравлические постаменты 8.
Сменными деталями являются пуансоны 2, матрицы 4, стержни подвижные 5 (они же служат толкателями), основания матриц 6, стойки (или подкладные кольца) 7.
Пуансонодержатель (дет. 1) крепится к прессующему поршню машины клиновым соединением, обеспечивающим быстрое снятие пуансонодержателя.
Для крепления сменных пуансонов в пуансонодержателе имеется внутренняя резьба.
Материал пуансонодержателя — сталь 50.
Mатрицедержатель (дет. 3) крепится к столу машины или постаменту (обычному переходному или гидравлическому) через отверстия, проходящие через заплечики (фланец), имеющиеся в нижней части формодержателя. При больших размерах матрицедержателя фланцы выполняются в виде отдельного прижимного кольца. Материал — сталь 50.
Пуансон (дет. 2) крепится к пуансонодержателю на резьбе, для свертывания с которой на пуансоне имеются соответствующие шлицы для захвата гаечным ключом. Материал — сталь ЗХ2В8, термически обработанная на твердость RС= 48—50.
Матрица (дет. 4) сопрягается с матрицедержателем на скользящей посадке 3-го класса.
Материал — сталь ЗХ2В8, термически обработанная на твердость RС=48—50.
Стержни неподвижные, применяющиеся при литье с кристаллизацией под давлением деталей со сквозной центральной полостью, должны иметь конусность 1,5—2° для облегчения снятия с них отливки. Материал — сталь ЗХ2В8, термическая обработка — закалка до твердости RС=48—50. Для снятия отливки со стержня она должна иметь наружную и внутреннюю конусность.
Литье крупных деталей типа втулок диаметром от 80 мм и выше целесообразно производить со стержнями, выпрессовываемыми вниз (фиг.
198). По мере увеличения размеров втулок и толщины их стенок увеличивается степень охвата металлом стержней, что создает большие помехи для их удаления из отливки.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

В процессе изготовления уплотненного литья значение обжатия увеличивается вследствие необходимости достаточно длительной выдержки отливки под давлением пуансопа до момента окончательного затвердевания. Это настолько увеличивает степень охвата стержня металлом при изготовлении крупных втулок, что усилие выталкивающей системы оказывается недостаточным для снятия с них отливки.
На основании этого существовало мнение, что для изготовления крупных втулок (диаметром больше 120 мм) кристаллизация под давлением не сможет быть применена и что оптимальным процессом для изготовления подобных деталей является центробежное литье.
Применение стержней, выпрессовываемых вниз с помощью прессующего цилиндра машины, показало, что при соответствующей мощности этого цилиндра охват металлом стержней перестает являться помехой.
Опыт изготовления втулок диаметром около 150 мм с толщиной стенок 20 мм методом кристаллизации под давлением и центробежным литьем показал, что расход металла при кристаллизации под давлением на 20% меньше благодаря значительному уменьшению припусков на обработку, а структура заготовок значительно измельчена, что обеспечило получение более высоких механических характеристик.
Форма для отливки крупных втулок с установленным стержнем 5, удаляемым путем выпрессовки вниз, показана на фиг. 198.
Матрица 2 установлена на постамент 5, снабженный Т-образными пазами для прихватов 6. На верхней плите постамента расположено подвижное дно 4, приводимое в движение горизонтальным цилиндром машины.
После заливки металла и его прессования кольцевым пуансоном 1 и по окончании затвердевания отливки пуансон поднимается, выдвигается подвижное дно 4, повторным прессованием стержень выпрессовывается вниз и отливка извлекается из матрицы обратными клещами.
Если отливка имеет фасонные приливы на наружной поверхности, то применяются формы с разъемом по вертикальной плоскости (фиг. 199) с установкой стержня 2 в выемке, имеющейся в этой плоскости. Прессование металла производится кольцевым пуансоном 5.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

Ввиду того что выпрессовка стержня из формы, имеющей вертикальную плоскость разъема, нецелесообразна, так как могут поломаться крепежные болты и направляющие колонки 1, то отливка извлекается из формы вместе со стержнем, который выпрессовывается с помощью кольца 9 и съемника 8 повторным прессованием.
Способ кристаллизации под давлением является незаменимым для изготовления фасонных деталей со сложными криволинейными образующими, получение которых механической обработкой затруднительно, а иногда и невозможно. Таким способом изготовляют массивные уплотненные сердечники и пуансоны из высокопрочных алюминиевых сплавов для галошных прессформ на заводе «Красный треугольник». Для этого организован специальный литейный цех, оборудованный гидравлическими прессами мощностью 100—125 т с нижними цилиндрами.
Отливка указанных сердечников и пуансонов должна отличаться высокой плотностью и прочностью, необходимыми при прессовании галош под мощными прессами. Кроме того, должна быть обеспечена достаточная точность отливки без применения механической обработки.
Форма для сердечников (фиг. 200) имеет разъем по вертикальной плоскости. При высокой точности отливаемой детали должно быть обеспечено надежное закрытие половинок формы 1 и 3 в процессе прессования металла, стремящегося раскрыть ее. Плотное замыкание достигается применением обоймы-рамы с внутренним конусом, в который при подъеме вверх нижнего цилиндра пресса запрессовываются половинки форм, приводимые в движение гидравлическими приводами. Мощность замыкания, достигающая 400 т, исключает возможность приоткрытая половинок.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

Прессование производится фасонным пуансоном 2, имеющим конфигурацию комлевой (знаковой) части сердечника.
Возможность применения при кристаллизации под давлением форм с вертикальной плоскостью разъема с надежным их закрытием имеет большое значение и значительно расширяет область применения процесса для получения сложных деталей.
Из работ, производимых за рубежом в этом направлении, известны опыты по литью алюминиевых лопаток для воздуходувки, опубликованные в 1950 г.
Сущность этой работы заключается в сифонной заливке металла в закрытую металлическую форму (с разъемом по вертикальной плоскости) с поступлением после этого прессующего пуансона на входной литник для уплотнения отливки (фиг. 201). Согласно приведенным данным для изготовления лопаток с габаритами 150х180 мм применяется пресс мощностью 500 г; удельное давление при этом составляет свыше 4000 кг/см2. Высота входного литника около 430 мм.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

Основным затруднением при производстве опытных отливок было обеспечить плотное прилегание друг к другу половинок формы, причем шлифование их по плоскости разъема не давало положительных результатов. Плотное прилегание удалось получить только при укладке в канавки, прорезанные по плоскости разъема проволоки из чистого алюминия. Уплотнение, достигаемое при деформации проволоки, не должно сопровождаться образованием грата.
В практике отечественных заводов, где литье с кристаллизацией под давлением вышло из стадии опытных работ и применяется в серийном производстве с 1937 г., упоминаемые выше затруднения устранены следующим образом:
1) Плотное замыкание достигается применением массивной обоймы-рамы, в которую запрессовываются половинки формы. Для осуществления этого построены специальные машины. Это дает возможность достигнуть высокого уплотнения на прессах менее значительной мощности. Так, например, сердечник для галош весом свыше 3 кг алюминиевого сплава уплотняется при прямом прессовании на прессах мощностью 100—125 т.
2) При сифонной заливке, когда формообразование осуществляется в закрытой форме (обеспечивающей получение точных размеров во всех направлениях), путь металла по литниковым каналам до рабочей полости значительно сокращен, что дает возможность уплотнить металл при невысоких удельных давлениях (~ 1500 кг/см2) (см. фиг. 202).
3) Опыт литья с кристаллизацией под давлением в закрытые полости (как, например, литье лопаток, показанное на фиг. 201) показал, что в подобных случаях нельзя пренебрегать вентиляцией форм. С помощью высоких удельных давлений можно полностью устранить газовые и усадочные раковины, но воздух, который не удалился через вентиляционные каналы, можно только сжать, но не устранить.
Для борьбы с воздушными включениями разработан вариант литья в двухместных формах с применением сифонной заливки. Металл заливается через одно гнездо и выходит через другое, свободно вытесняя весь воздух из рабочих полостей.
Прессование металла производится двумя пуансонами, собранными в пуансонодержатель. Таким образом, наибольшему уплотнению подвергается отливка, а не входной литник, практически отсутствующий в данном варианте литья.
Литье сложных фасонных деталей с применением боковых подвижных стержней

Если деталь имеет сплошную обрабатываемую площадку, на которую может поступить прессующий пуансон, то она становится пригодной для изготовления методом литья с кристаллизацией под давлением.
На фиг. 202 представлены две детали — фасонные патрубки с площадкой и с отверстиями, расположенными под углом.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

Отливка производится в двухместной форме с вертикальной плоскостью разъема. Отверстия патрубков выполняются подвижными стержнями, приводимыми в движение с помощью наклонных пальцев, проходящих через прорези в хвостовиках стержней. В рабочем положении стержни крепятся замками; при открытии формы стержни своими наклонными прорезями скользят по пальцу и автоматически извлекаются из отливки.
Для прессования металла одновременно двумя пуансонами, расположенными в пуансонодержателе, зеркало залитого металла должно быть на одном уровне в обоих гнездах. Это достигается с помощью соединительных каналов вверху и внизу. Металл заливается в хорошо нагретую форму через одно гнездо, вытесняет по пути воздух и по каналам выходит через другое гнездо. Такое поступление металла уподобляется сифонной заливке со всеми ее преимуществами. Наиболее горячий металл, пройдя через верхний поперечный канал, окажется, таким образом, в верхней части формы, что будет способствовать более совершенной передаче давления на нижележащие участки.
Нижний соединительный поперечный канал одновременно выполняет функции перегонного резервуара, способствующего хорошему заполнению углубленных тонких полостей.
Изготовление фасонных биметаллических деталей методом кристаллизации под давлением с армированием

На фиг. 203 дан разрез формы для заливки бронзовых венцов 7 с кристаллизацией под давлением на стальную ступицу 6, являющуюся арматурой.
В гнездо матрицы 8 устанавливается стержень 5, на котором фиксируется ступица-арматура 6. На верхнюю часть стержня устанавливается вкладыш 4 для перекрытия ступицы (предохраняющий ее от заливки металлом изнутри), служащий также в качестве направляющей для прессующего кольцевого пуансона 3.
Сменный кольцевой пуансон 3 крепится на резьбе к пуансонодержателю 2, находящемуся в системе прессующего пуансона 1.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением

По окончании кристаллизации и подъема пуансона отливка при помощи выталкивателя 9, действующего на стержень 5, поднимается вверх. После удаления вкладыша отливка снимается со стержня.
Преимущество отливки с арматурой заключается в том, что в данном случае обжатие металлом ступицы при усадке используется для прочного соединения ее с венцом.
Литье с кристаллизацией под давлением с применением стержней из кварцевой муки. При изготовлении деталей с глубокой полостью опробовано литье с прокаленными стержнями из кварцевой муки (применяемой при литье по выплавляемым моделям с добавлением 10% жидкого стекла, фиг. 204).
Отливка производится в металлическую форму 1, установленную на поддон 5.
Стержень 4 армирован металлическим сердечником и двумя направляющими, из которых верхняя цилиндрическая служит для направления кольцевого пуансона 2, а нижняя коническая для установки стержня в поддон. Обе направляющие стянуты болтами.
Опыт показал, что при применении удельных давлений около 100—150 кг/см2 стержень не деформируется, чему в значительной мере способствует образование кристаллического каркаса до поступления давлений.
Охлаждение матриц. При тесном контакте с залитым металлом матрицы быстро перегреваются, для устранения чего необходимо применять водяное охлаждение. На фиг. 205 показана матрица с охлаждением; кольцевая полость 1 для воды перекрывается кольцом 2, привариваемым к основанию матрицы. Вода поступает через нижнюю трубу 3 и выходит через верхнюю трубу. Охлаждение включается для предохранения форм от перегрева после удаления отливки.
Литье фасонных деталей с кристаллизацией под поршневым давлением