Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Особенность литья под давлением состоит в том, что в металлическую разъемную пресс-форму, установленную на машине, жидкий металл подается под давлением (2/10)*10в7 Па с повышенной скоростью до 60 м/с. Этот способ позволяет получать сложные по конфигурации отливки, наиболее близкие к размерам готовой детали без механической обработки (или с очень небольшими припусками 0,3—1,0 мм и с очень тонкими стенками 1—7,0 мм). Детали при этом получаются точных размеров (5—7-й класс точности) с чистой поверхностью (6-й класс), четкими конструктивными рельефами и готовыми отверстиями диаметром до 1 мм. При литье под давлением можно получать отливки с армированными вставками из других материалов.
Производство фасонных отливок литьем под давлением вызвано большим спросом на изделия из легких и цинковых сплавов, поскольку этот способ высокопроизводителен, что особенно ценно при массовом производстве. В настоящее время 95 % отливок из цинковых и около 40 % из алюминиевых сплавов выпускают этим способом. Потребители литья под давлением — точное приборостроение, автомобильная, электротехническая, бытовая промышленность. Этим способом отливают также детали из магниевых и медных сплавов, но в меньших количествах. Например, литьем под давлением отливаются корпус карбюратора (цинковый сплав ЦА1), картер корпуса водяного и масляного насосов (алюминиевые сплавы) и другие детали двигателя машины «Жигули».
Литье под давлением осуществляется на машинах, которые конструктивно подразделяются на машины с холодной и горячей камерами прессования.
На рис. 79 дана принципиальная схема работы машин с холодной камерой прессования, расположенной у одних машин горизонтально (a), a y других — вертикально (б). При работе машины жидкий металл мерной ложкой или с помощью автоматического дозатора заливают в камеру прессования 1 и гидравлическим плунжером 2 запрессовывают в пресс-форму 3. Пресс-формы изготовляют из двух половин (подвижной 4 и неподвижной 5) с вертикальной или горизонтальной плоскостью разъема. Это обеспечивает быстрое извлечение отливок с помощью толкателей 6, которые крепятся с тыльной стороны подвижной прессформы.
Отливки выталкиваются из пресс-формы, падают в коробку или по конвейеру подаются в отделение обрезки и отделки литья. В России машины строят с различными усилиями прессования — от 13 (машина марки 515М) до 1500 кН (машина марки 5А19). Для плотного запирания пресс-форм, которые испытывают большие давления в момент запрессовки жидкого металла, все машины снабжены системами запирания с усилиями от 550 до 30000 кН. Большинство машин работает в полуавтоматическом или автоматическом режимах прессования. Средняя производительность машин с холодной камерой прессования 50—180 запрессовок (ударов) в час.
Основные конструктивные элементы отечественной машины литья под давлением марки 71106 приведены на рис. 80.
Машина состоит из отдельных агрегатов, смонтированных снаружи и внутри станины 1. Две половины пресс формы крепятся к неподвижной 9 и подвижной 7 плитам. Сближение и закрывание пресс-форм производится с помощью гидравлического цилиндра механизма запирания 4 и рычагов 5. Перемещение подвижной плиты происходит по четырем направляющим цилиндрическим колоннам 8. Рабочий цилиндр 10 с поршнем 13 служит для запрессовки жидкого металла в форму и для удаления пресс-остатка (металла). Поршень 13 приводится в движение гидравлическим прессующим цилиндром 12.
Выталкивание отливок происходит при раскрывании пресс-формы с помощью механически подпружиненных выталкивателей, смонтированных на плите 6.
На станине также крепятся масляный бак 2, насосная установка с электродвигателем 3, аккумуляторная установка 11.
Машина работает следующим образом: мерным ковшом производится заливка сплава в камеру прессования. После нажатия кнопки «Впрыск» происходит медленное перекрытие окна заливки камеры прессования, быстрый впрыск сплава в форму и выдержка отливки в форме под давлением (кристаллизация). Затем срабатывает реле времени и форма раскрывается. В конце хода подвижной плиты механизма запирания происходит выталкивание отливки механическими толкателями; после этого цикл повторяется.
Машина может работать в наладочном и полуавтоматическом режимах.
Стаканы и плунжеры бывают в зависимости от необходимого удельного давления прессования различных диаметров р=PπD2/4, где P — рабочее давление на поршень от привода; D — диаметр поршня цилиндра прессования.
Механизм прессования смонтирован на неподвижной плите. Изменение места подвода жидкого металла к пресс-форме может регулироваться (по центру или ниже) путем вертикального перемещения механизма прессования. В машине предусмотрено водяное охлаждение неподвижной плиты-формодержателя, прессового плунжера, пресс-формы и деталей гидравлической системы. Привод механизмов машины — гидравлический (в качестве рабочей жидкости используют негорючие сорта минеральных масел) с регулированием скоростей и давлений приводных цилиндров. Машина снабжена индивидуальной насосной станцией с баллонными аккумуляторами 11. Управление машины осуществляют с пульта.
На рис. 81 показана схема устройства машин с горячей камерой прессования компрессионного (а) и поршневого (б) действия.
Машины состоят из обогреваемого металлического тигля 1, металлопровода 2 и пресс-формы 3. При компрессионном литье жидкий расплав по металлопроводу подается в пресс-форму посредством сжатого воздуха, подводимого по трубе, который давит на металл и выдавливает его в пресс-форму. После запрессовки порции металла подача воздуха прекращается, отливка извлекается из пресс-формы и цикл повторяется. При поршневом литье металл подается в форму подвижным гидравлическим поршнем.
Производительность машин с горячей камерой прессования выше, чем машин с холодной камерой, но их применяют в основном для получения отливок из низкотемпературных сплавов (цинковых, оловянных, свинцовых), так как тигли с металлом, металлопроводы и прессующие части работают в тяжелых условиях и их стойкость невелика.
Машины с горячей камерой прессования удобнее применять для литья магниевых сплавов, так как при такой технологии легче обеспечить защиту металла от загорания.
Конструкция и стойкость пресс-формы при литье под давлением в значительной степени определяют качество и себестоимость отливок. Пресс-формы для сложных крупных отливок имеют высокую стоимость, и процесс их изготовления трудоемок. Так, пресс-форма для литья под давлением алюминиевых блоков цилиндра двигателя автомобиля «Волга» состоит из нескольких частей и весит 13,8 т. Для удешевления пресс-формы широко применяют нормализацию деталей и создают типовые конструкции пресс-форм для каждого типоразмера машин.
Пресс-формы конструктивно состоят из обойм 1 и 2 (блок-формы), которые прикреплены к машине, и вставных матриц 6, закрепленных в обойме болтами 3 (рис. 82). В одной обойме могут монтироваться матричные части различных деталей. Их наружные размеры и конструктивные элементы нормализованы (т. е, имеют одинаковые размеры). Использование съемных блок форм позволяет легко монтировать и демонтировать форму, что позволяет применять литье под давлением даже при малых сериях отливаемых деталей. В одной пресс-форме отливают как по одной отливке, так и одновременно несколько (многогнездные формы) с одной литниковой системой. Подвижные части пресс-форм, т. е. металлические стержни, оформляющие различные отверстия, углубления, выступы, оформляются различными механическими и гидравлическими системами перемещения. Пресс-формы имеют развитые системы водяного охлаждения. Матрицы охлаждаются системой внутренних каналов, по которым протекает вода. Как правило, охлаждаются все подвижные стержни, рассекатели и другие элементы литниковой системы.
Литниковые системы при литье под давлением по расположению в форме подразделяются на центральные (внутренние) и внешние. При центральных литниковых системах металл может подаваться в пресс-формы как непосредственно в отливку (рис. 82) из прессующего поршня, так и по разъему, располагаясь внутри тела отливки (обычно при литье деталей круглого сечения). При внешнем подводе (рис. 83) металл подается в полость форм с внешней стороны.
Подводящие литники для алюминиевых сплавов имеют сечения примерно от 13х17 до 20х30 мм в зависимости от массы отливок, а сечение питателей 3 в месте вписка металла 1,5—3,0 мм в зависимости от толщины стенки отливки. Для улучшения вентиляции (удаления воздуха) и направления первых (охлажденных и окисленных) порций металла из полости отливки предусматривают промывники в виде растекающихся каналов емкостью до 20—40 % от объема отливки, приливаемых к наиболее труднодоступным местам форм. Промывники используют также для удобства выталкивания отливки с литниковой системой из пресс-формы. Толкатели устанавливают напротив промывников с небольшим заглублением, и на отливках, таким образом, не остается следов от толкателей, что исключает лишнюю операцию зачистки.
Считается, что оптимальная продолжительность заполнения форм при литье под давлением 0.2 с, а скорость потока металла в литнике не должна превышать 15 м с. Исходя из этого, поперечное сечение литника рассчитывают по формуле: f = V/(tc), где V — объем отливки, см3; t — время заполнения, с; с — скорость потока.
Пресс-формы изготовляют из углеродистых и легированных хромом, вольфрамом, молибденом, кобальтом, сталей ЗХ2В8, 5ХНМ, 5ХГМ и др. Рабочие полости формы должны иметь твердость HRC42—68; их полируют с тем, чтобы металл (алюминиевые, цинковые и другие сплавы) не прилипал к ним.
Вставки могут быть из кованого металла и литые. Пресс-формы подвергают различным видам термо- и термохимической обработки: азотированию, хромированию, цианированию и др.
Стойкость пресс-форм зависит от вида заливаемого металла и режима заполнения им полости формы. Средняя стойкость пресс-форм при работе с цинковыми сплавами 150—250 тыс., алюминиевыми и магниевыми 50—100 тыс. и медными (латуни) 5—10 тыс. запрессовок.
Полный цикл получения отливок при литье под давлением длится примерно 20—200 с и состоит из следующих основных операций: приготовления жидкого металла, подготовки и запирания пресс-форм, заливки расплава в камеру прессования, запрессовки металла в форму, выдержки до затвердевания, раскрывания пресс-формы и выталкивания отливок, очистки и подготовки к очередной заливке.
Плавка металла производится в обычных для цветных сплавов печах различной емкости. Приготовленный хорошо отрафинированный металл заданного химического состава переливается в раздаточные печи тигельного типа, которые установлены непосредственно у машин. Температура в раздаточных тиглях поддерживается по заданному режиму автоматически с помощью термопар погружения и системы терморегулирования. Заливка осуществляется либо вручную небольшими ковшами-черпаками, либо с помощью заливочно-дозирующих устройств, работающих по принципу электромагнитной передачи металла из тигля в камеру или путем вытеснения металла из тигля по металлопроводу сжатым воздухом, либо механически с помощью нажатия на зеркало металла специальным поплавком, либо механическим дозатором — манипулятором.
На рис. 84 приведена схема дозирующего устройства, работающего от сжатого воздуха. Из тигля 1 металл по металлопроводу 2 порционно вытесняется воздухом в камеру прессования 3.
Температура заливки различных сплавов при литье под давлением зависит от габаритов и толщины отливки, конструкции литниковых систем и многих других факторов и примерно составляет: для цинковых сплавов 420—450°C; алюминиевых 660—700°C; магниевых 600—650°С; латуней 950—1000°С. Для получения плотной отливки температура заливки должна быть возможно более низкой, причем иногда запрессовывают металл, который уже начал кристаллизоваться.
На качество отливки существенное влияние оказывает также температура пресс-форм. При холодной форме отливки получаются с плохой поверхностью (неспаи. рельеф на поверхности, похожий на узоры в окнах — «мороз» и др.) и с большим количеством газовых пор. Заливка же в перегретую форму снижает механические свойства, ведет к привариванию металла к стенкам пресс-форм. В процессе работы рекомендуется поддерживать температуру пресс-формы равной 1/3 температуры заливаемого металла. Постоянство температуры формы обеспечивается водяным охлаждением по системе каналов, выполняемых в стенках пресс-формы.
Перед началом, а также в процессе работы поверхности формы, соприкасающиеся непосредственно с жидким металлом, покрывают смазкой, которая предохраняет форму от приваривания металла, повышает ее стойкость, улучшает качество поверхности отливки и уменьшает усилия при удалении отливки из пресс-формы. Периодически смазывают также плунжерную пару машины (см. рис. 80, позиции 10 и 13).
В качестве смазок используют моторное масло (цинковые сплавы), минеральное масло «Вапор» отдельно или в смеси с графитом (до 25 %), водный раствор NaF (до 3 %). Смазку наносят тонким слоем, так как обильное покрытие вызывает повышение газосодержания в отливках.
Качество отливок в значительной степени зависит от давления и скорости прессования. Чем больше давление прессования, тем отливки получаются плотнее. Ho увеличение давления вызывает противодавление в форме, и она может приоткрыться по разъему, что искажает размеры отливок и вызывает выброс металла. Поэтому усилие запирания формы должно в 3—20 раз превышать давление прессования. В настоящее время имеются машины с удельным давлением прессования до 250 МПа, но у них значительные размеры (длина до 8—20 м и высота до 5 м).
Скорость впуска жидкого металла в пресс-форму зависит от скорости рабочего хода поршня, диаметра сечения литниковой системы и колеблется в пределах 0,05—60 м/с в зависимости от конфигурации, габаритов и требований к качеству отливки.
Низкие скорости впуска уменьшают захват воздуха и газов металлом, увеличивают плотность отливки. Сечения питателей делают при этом достаточно большими; они долго не затвердевают и позволяют уже после заполнения формы производить подпрессовку до полного затвердевания отливки. Однако низкие скорости впуска не обеспечивают заполнения форм, предназначенных для получения тонкостенных с развитыми поверхностями изделий. Для таких изделий требуются высокие скорости впуска, что ведет к большому захвату воздуха металлом, изделия получаются пористыми, а пресс-формы размываются металлом.
На практике опытным путем выбирают наиболее оптимальные скорости прессования, которые должны обеспечить одновременно и качественное заполнение полости формы, и минимальный захват газов при запрессовке. Наиболее рациональным режимом впуска считается ступенчатый: в начале небольшая скорость, а в конце максимальная. Однако наряду с достоинствами литье под давлением имеет и существенные недостатки. Трудно получить отливку этим способом без газовой пористости, так как вследствие почти мгновенного заполнения полости формы расплав в форме перемешивается с газом и воздухом, не успевающим выйти из отливки. Из-за газовой пористости отливки нельзя подвергать термической обработке, так как при нагреве появляются вздутия от расширения газа в пузырях. Во избежание образования в отливках воздушных и газовых пор иногда в полости пресс-формы создают вакуум. Однако это усложняет процесс, поэтому такой способ используют лишь для получения особо ответственных изделий.
Накопленный опыт получения изделий литьем под давлением показывает, что наиболее качественным и экономически выгодным является производство тонкостенных отливок с равномерной толщиной стенок, без массивных узлов, выступов и глубоких полостей, без острых переходов, с обтекаемыми формами. Утолщенные части деталей вызывают образование в них усадочной пористости, так как при литье под давлением на обычных машинах не хватает давления для запрессовки образовавшихся пор.
Из различных цветных сплавов наиболее технологичны с точки зрения литья сплавы с узким интервалом кристаллизации, так как они обладают повышенной жидкотекучестью и легче обеспечивают питание отливок, чем сплавы с широким интервалом кристаллизации. Из цинковых сплавов широко применяют сплавы ЦА4, ЦАМ4-1, из алюминиевых AЛ2, АЛ9, АЛ4, АЛЗ, из магниевых МЛ5 и MЛ6, из медных ЛС59—1, ЛК80—3Л и др.
Жидкая штамповка. В последние годы практическую ценность приобрел метод получения изделий штамповкой из жидкого металла на обычных или специализированных гидравлических (реже фрикционных) прессах.
В металлическую пресс-форму 1 (рис. 85), состоящую из матрицы и подвижного пуансона 4, укрепленных соответственно на неподвижном столе и подвижной траверсе пресса, заливают ложкой 3 порцию жидкого металла 2. Вслед за этим включают пуансон, который движется вниз, медленно входит в металл и производит его выдавливание в полость формы, образуемой матрицей и пуансоном. Металл, соприкасаясь со стенками формы, охлаждается, затвердевает и в результате подвергается небольшой пластической деформации, отчего деталь 5 получается плотной, с повышенными свойствами. Отливки благодаря плавному подъему и перемещению металла в отличие от литья под давлением не имеют газовых и воздушных пузырей. При этом давление от пуансона действует непосредственно на отливку и получается плотное литье независимо от толщины стенки детали. Давление хорошо уплотняет металл и способствует быстрому его затвердеванию из-за ликвидации зазора между стенками отливки и формы. Отсутствие литниковых системы и прибылей позволяет достичь 90—98 % выхода годного. Это выгодно отличает литье под поршневым давлением от горячей штамповки и ковки, а также от литья под давлением. Литьем под поршневым давлением получают небольшие плотные слитки из сплавов с широким интервалом кристаллизации, которые при обычном литье получаются пористыми.
Процесс штамповки из жидкого металла позволяет получать заготовки по 5—7-му классу точности и 4—5-го класса чистоты.
Конструкции и материал пресс-форм принципиально не отличаются от пресс-форм литья под давлением: матрицы изготовляют с вертикальным или горизонтальным разъемами либо неразъемными. Пресс-формы классифицируются обычно по конструкции матрицы, которые конструируются с неподвижным или подвижным металлоприемником. Пуансоны, матрицы, стержни, выполняющие внутренние полости, и толкатели, находящиеся в контакте с расплавом, делают из легированных сталей, бериллиевой бронзы и молибдена. Перед заливкой штампы подогревают до 150—200 °С. При штамповке алюминиевых сплавов температуру матрицы поддерживают на уровне 300 °С, медных сплавов 300—400 °C. Рабочие поверхности штампов периодически смазывают различными смазками, например смесью индустриального масла с графитом. Повышения стойкости пресс-формы добиваются применением водяного охлаждения, сокращением до минимума времени выдержки заготовки в матрице под давлением и после снятия давления Для получения плотных заготовок из алюминиевых сплавов необходимы удельные давления на металл порядка (50-3-80)*10в6 Па, из медных сплавов (80/150)*10в6 Па. Скорость прессования 0,03—0,2 м/с.
Литье под низки и давлением. При обычном заполнении полости формы расплавом из ковша по литниковой системе под действием только силы тяжести металла скорости его движения сравнительно высокие, что вызывает турбулентность потока а следовательно, его окисление. Качество отливки в значительной степени зависит от тормозящего действия литниковой системы В настоящее время разработаны способы, обеспечивающие спокойное, безударное поступление металла в литейную форму — литье под низким давлением и заполнение формы вакуумным всасыванием.
На рис. 86 показана схема установки литья под низким давлением. Особенностью процесса является заполнение формы расплавом снизу вверх непосредственно из печи и кристаллизация под небольшим давлением. Установка состоит из тигельной печи 1 с герметизирующей верхней крышкой 2. На крышке закрепляется разъемная металлическая или разовая форма 3.
Жидкий расплав подается в форму с помощью сжатого воздуха или инертного газа под давлением 0,02—0,06 МПа; воздух поступает в рабочее пространство печи по трубопроводу 4. Металл из тигля давлением воздуха вытесняется по металлопроводу 5, изготовленному из огнеупорного металла или керамики, и через соединительную втулку и литниковую систему попадает в полость формы 6, которую спокойно заполняет до верхнего уровня. После заполнения металлом и выдержки давление на зеркало металла в тигле снимают, остатки металла из металлопровода вытекают в ванну, форму разбирают и извлекают отливку.
Медленное спокойное заполнение формы позволяет получать плотное, без включений литье из сильноокисляющихся алюминиевых, магниевых и медных сплавов, а из-за небольшого давления изготавливать тонкостенные сложные крупногабаритные отливки.
Основной недостаток литья под низким давлением — трудности с устройством питания массивных частей отливок с помощью прибылей, так как наиболее горячий металл находится в нижней части формы и нарушается нормальная направленность затвердевания. Поэтому такой способ наиболее удобен в производстве тонкостенных, равномерных по толщине отливок. Способ этот также более сложен в технологическом отношении, чем обычное литье, — необходимы тщательное уплотнение частей установки и огнеупорный металлопровод.
К новым способам спокойного заполнения полости форм металлом и получения тонкостенных крупногабаритных отливок относится также способ, разработанный в России Е.С. Стебаковым и другими и известный как «литье выжиманием». Схема процесса литья выжиманием показана на рис 87.
Металлическая форма, которая в зависимости от конфигурации может внутри футероваться песчаной смесью или иметь песчаные стержни, состоит из двух соединенных шарнирно половин 1 и 2, эти половины могут закрываться или раскрываться как книга. Металл заливается в нижнюю часть ковша 3 через литниковою трубку 4, которую после заливки убирают из формы. Затем половинки формы сближаются, жидкий металл плавно вытесняется вверх и заполняет полость формы. При полном ее закрытии происходит формирование отливки, а излишки жидкого металла выжимаются наружу и собираются в ковш 5. Этот способ используют для получения отливок из легких сплавов в виде сплошных и пустотелых панелей: плоскости крыла, части фюзеляжа самолета, капоты автомобилей и другие детали.