Metody wytwarzania odlewów
Sposoby wypełniania form odlewniczych Grawitacyjne wypełnianie wnęki formy odlewniczej jest prostym i najczęściej stosowanym rozwiązaniem, ma ono jednak wiele wad, które doprowadziły do opracowania innych sposobów zalewania form. Odlewanie ciśnieniowe polega na wprowadzaniu metalu do wnęki formy pod wysokim ciśnieniem, o wartościach od kilkudziesięciu do kilkuset MPa. Ciśnienie to wywierane jest na ciekły metal przez tłok w cylindrze, zwanym komorą prasowania, jak to pokazano schematycznie na rys. 1.
Rys. 1. Zasada odlewania ciśnieniowego Główne zalety tego procesu polegają na dokładnym i szybkim wypełnieniu wnęki formy, co prowadzi do uzyskania dużej gładkości i dokładności wymiarowej odlewów oraz wysokiej wydajności procesu.
Odlewanie pod niskim ciśnieniem różni się od odlewania ciśnieniowego (zwanego czasem odlewaniem pod wysokim ciśnieniem) nie tylko wartościami stosowanych ciśnień, lecz także zasadniczo odmiennym sposobem wypełniania formy, innymi zjawiskami z tym związanymi oraz parametrami i cechami otrzymywanych odlewów. Podstawowym celem wywierania ciśnienia jest spokojne (z całkowicie kontrolowaną prędkością) zapełnianie wnęki formy od dołu (w kierunku przeciwnym do siły ciążenia) metalem pobieranym specjalnym przewodem spod powierzchni metalu w zbiorniku. Wartości ciśnień niezbędnych do podniesienia poziomu metalu, które zależą od gęstości odlewanego stopu oraz różnicy wysokości między poziomem metalu w zbiorniku formie, zwykle zawierają się w granicach 0,01+0,05 MPa.
Rysunek 2. Zasada odlewania pod niskim ciśnieniem: a) z zastosowaniem nadciśnienia wywieranego na lustro ciekłego metalu w zbiorniku podgrzewczym, b) z zastosowaniem próżni dołączanej do wnęki formy (odlewanie z przeciwciśnieniem)
Odlewanie odśrodkowe polega na użyciu siły odśrodkowej do wypełnienia wnęki formy, a w niektórych odmianach — także do kształtowania jednej z powierzchni odlewu. odlewanie odśrodkowe właściwe — służące do wykonywania odlewów w kształcie brył obrotowych typu tulei (rys. 3.a i b). Powierzchnia zewnętrzna takiego odlewu jest odtwarzana przez wirującą formę, wewnętrzna zaś jest walcową powierzchnią swobodną kształtowaną przez siłę odśrodkową. Tego typu formy mogą mieć pionową, poziomą lub skośną oś obrotu. Same formy są wykonywane z metalu, jednak często stosuje się wyłożenie ich wnęki masą formierską
odlewanie półodśrodkowe — służące do wykonywania odlewów w kształcie brył obrotowych, w których wewnętrzna powierzchnia jest odtwarzana przez rdzeń, zwykle piaskowy (rys. 3.c). Tego typu proces umożliwia uzyskiwanie dowolnych kształtów wewnętrznych odlewu. • odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym — w którym wlew główny jest umieszczony w pionowej osi wirowania, a ciśnienie pochodzące od siły odśrodkowej pomaga w wypełnieniu wnęk formy rozłożonych wokół wlewu głównego (rys. 3.d). Forma może być wykonana z dowolnego materiału, ale zazwyczaj stosuje się formy jednorazowe.
Rysunek 3. Zasady odlewania odśrodkowego: a), b) odlewanie odśrodkowe właściwe z poziomą i pionową osią obrotu, c) odlewanie półodśrodkowe, d) odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym
odlewanie ciągłe, którego zasadę pokazano na rys. 4 odlewanie ciągłe, którego zasadę pokazano na rys. 4. Proces polega na nieprzerwanym wlewaniu ciekłego metalu do formy odlewniczej, inaczej zwanej krystalizatorem, przy jednoczesnym wyciąganiu z niej, ze strony przeciwnej, odlewu. Uzyskuje się w ten sposób odlew wielokrotnie przewyższający długością formę, o stałym kształcie przekroju poprzecznego. Odlewany profil może być pełny, typu belki, lub wydrążony, typu rury. Rysunek 4. Zasada odlewania ciągłego (na przykładzie odlewania w układzie poziomym); odlew o stałym przekroju poprzecznym jest sukcesywnie wyciągany z krystalizatora, z prędkością zależną od szybkości krzepnięcia metalu w krystalizatorze
Procesy zagęszczania masy Zagęszczanie masy formierskiej polega na tym, że pod działaniem sił zewnętrznych spulchniona masa (o gęstości nasypowej <l,0 g/cm3) ulega w skrzynce (niekiedy w komorze maszyny w przypadku formowania bezskrzynkowego) przemieszczeniu i zmniejszeniu objętości związanemu z większym zbliżeniem (upakowaniem) ziaren. Na skutek tego następuje zwiększenie jej gęstości i polepszenie własności wytrzymałościowych. Głównym celem zagęszczania masy jest uzyskanie: • a) dokładnego odwzorowania kształtu wnęki formy, odpowiadającego kształtowi modelu, • b) odpowiedniej odporności wnęki formy na parcie ciekłego metalu, przy zachowaniu możliwie dużej przepuszczalności masy.
1 2 3 4 5 6 Zagęszczanie masy przez ubijanie Zagęszczanie masy przez prasowanie 3 Zagęszczanie masy przez wstrząsanie 4 Zagęszczanie masy przez wibrację 5 Zagęszczanie masy przez narzucanie Zagęszczanie masy przy użyciu mieszarko-nasypywarki 6
7 8 9 10 11 Nadmuchiwanie masy Wstrzeliwanie masy Zagęszczanie masy metodą impulsową 10 Zagęszczanie masy metodą eksplozyjną 11 Formowanie zautomatyzowane
1 Zagęszczanie masy przez ubijanie Zagęszczanie masy przez ubijanie jest najstarszym, ręcznym, mało wydajnym i bardzo pracochłonnym sposobem zagęszczania masy, wymagającym od pracownika dużego wysiłku fizycznego. Do ubijania masy są używane ubijaki ręczne lub mechaniczne (pneumatyczne). Gęstość zagęszczonej masy na ogół wynosi 1,4 do 1,6 g/cm3 (twardość ok. 30-60 jednostek), przy czym większa masa odlewu wymaga stosowania większego zagęszczenia. Rozkład gęstości wzdłuż wysokości formy jest w przybliżeniu stały. Ten sposób jest stosowany w produkcji jednostkowej i małoseryjnej, z tendencją ograniczania jego zakresu.
2 Zagęszczanie masy przez prasowanie prasowanie niskimi naciskami (do 0,4 MPa), stosowane powszechnie w starszych typach maszyn formierskich, prasowanie średnimi naciskami (0,4-0,8 MPa), stosowane tylko w maszynach z głowicami przeponowymi, prasowanie dużymi (wysokimi) naciskami (0,8-2,5 MPa), stosowane powszechnie we współczesnych maszynach formierskich, prasowanie bardzo dużymi naciskami (powyżej 2,5MPa), jeszcze rzadko stosowane.
Rysunek 5. Zasada prasowania przy użyciu dużych nacisków jednostkowych głowicą wielotłokową: a) położenie wyjściowe, b) początek prasowania, c) koniec prasowania; 1 - cylinder wyrównawczy ciśnienia, 2 - wielotłokowa głowica prasująca, 3 - stopki tłoczków prasujących, 4 - ramka nadstawna, 5 - skrzynka formierska, 6 - stół maszyny z płytą modelową połączony z naciskającym ku górze cylindrem hydraulicznym
Rysunek 6. Formierka wielotłokowa: 1 - dozownik masy, 2 - stopka tłoczka prasującego, 3 - nadstawka, 4 - stół maszyny, 5 - siłowniki odsuwające dozownik, 6 - siłownik odsuwający głowice prasującą, 7 - zbiornik masy
3 Zagęszczanie masy przez wstrząsanie Zagęszczanie masy przez wstrząsanie cechuje duża niejednorodność gęstości pozornej masy, zmienna wraz z wysokością formy. Największe zagęszczenie masy występuje w pobliżu płyty modelowej, co jest korzystne ze względu na dokładne odwzorowanie wnęki formy, najmniejsze zaś, praktycznie zerowe w górnych warstwach masy w formie. Po wstrząsaniu forma wymaga stosowania dodatkowego ubijania ręcznego lub prasowania małymi lub dużymi naciskami.
Rysunek 7. Schemat działania wstrząsarki; 1 - stół maszyny, 2 - tłok, 3 - otwór dopływowy, 4 - otwór wylotowy, 5 - cylinder; s - skok stołu
4 Zagęszczanie masy przez wibrację Przy zagęszczaniu masy przez wibrację przeważnie stosuje się drgania o częstotliwości 60-100 Hz i amplitudzie 0,5-0,7 mm. Sposób ten jest stosowany do zagęszczania form średnich i dużych, wykonanych z mas o dużej płynności, czyli samoutwardzalnych mas sypkich i ciekłych. Czas zagęszczania wynosi na ogół poniżej 10 s. W przypadku zagęszczania przez wibrację mas z bentonitem uzyskuje się podobny rozkład gęstości masy w zależności od wysokości formy, jak przy wstrząsaniu. Zatem po wibracji lub równolegle z nią należy zastosować prasowanie. Wibracja połączona z prasowaniem nazywa się wibroprasowaniem.
5 Zagęszczanie masy przez narzucanie Narzucanie jest zmechanizowaną metodą formowania, która łączy procesy wypełniania skrzynki formierskiej i zagęszczanie masy. Zasada tej metody polega na rzucaniu małych porcji masy z dużą prędkością (ok. 30 m/s) na model, a potem na wcześniej ukształtowaną warstwę masy. Energia kinetyczna takiej porcji zostaje w chwili jej wyhamowania zamieniona na pracę odkształcenia trwałego, a więc zagęszczenia masy. Uzyskuje się dość wysoki i jednorodny stopień zagęszczania masy w funkcji wysokości formy, nie wymagający już dodatkowego zagęszczania.
Rysunek 8. Zagęszczanie masy przez narzucanie; 1 - obudowa głowicy narzucarki, 2 - wirująca tarcza, 3 - łopatka kształtująca i rzucająca porcje masy, 4 - przenośnik taśmowy podający spulchnioną masę do głowicy, 5 - model, 6 - skrzynka formierska, 7 - uchwyt do ręcznego wodzenia głowicy
6 Zagęszczanie masy przy użyciu mieszarko-nasypywarki Mieszarko-nasypywarka jest odmianą narzucarki przeznaczonej do podawania do formy lub rdzennicy masy chemoutwardzalnej o krótkim okresie trwałości, tj. czasie, w którym można użyć masy do formowania, a więc przed jej utwardzeniem się. Na początku miesza się piasek ze spoiwem, a następnie dodaje się utwardzacz. Masę wsypuje się do rdzennicy lub formy, gdzie następuje jej utwardzanie. Utwardzanie trwa od kilku minut do kilku godzin w zależności od wielkości rdzenia, ilości spoiwa, utwardzacza. Często rdzennice lub skrzynki umieszcza się na stole wibracyjnym w celu zwiększenia zagęszczenia masy.
7 Nadmuchiwanie masy Nadmuchiwanie masy stosuje się do wykonania rdzeni głównie rdzeni skorupowych. Działanie nadmuchiwarki polega na tym, że strumień sprężonego powietrza jest doprowadzony do komory nabojowej ponad powierzchnię luźno nasypanej i spulchnionej masy. Strumień ten powoduje przemieszczanie się cząstek masy, przepływając przez nią w kierunku otworu dmuchowego. Tą drogą dostaje się do rdzennicy razem z cząstkami masy, nadając tym cząstkom określoną prędkość wylotową.
Rysunek 9. Schemat nadmuchiwarki z górnym doprowadzeniem powietrza 1 - komora nabojowa, 2 - rdzennica, 3 - strumień piaskowo-powietrzny, 4 - zagęszczona masa; a - wlot sprężonego powietrza, b - otwór dmuchowy, c - otwory odpowietrzające
8 Wstrzeliwanie masy Proces wstrzeliwania masy jest realizowany przy zastosowaniu maszyn zwanych strzelarkami. Strzelarki są przeznaczone do wytwarzania rdzeni oraz form z różnych mas. Schemat strzelarki przedstawiono na rys. 10. Głównym elementem konstrukcji strzelarki jest komora nabojowa. Przez szybkie otwarcie zaworu doprowadza się sprężone powietrze nad masę znajdującą się w komorze oraz wokół niej (przez szczelinowe nacięcia), na całej wysokości cylindra komory nabojowej. Wskutek nagłego działania sprężonego powietrza masa w komorze uzyskuje stan fluidalny (zbliżony do cieczy) i zostaje wystrzelona przez otwór strzałowy w głowicy do rdzennicy.
Rysunek 10. Schemat strzelarki: 1- komora nabojowa, 2 - cylinder komory, 3 - zawór strzałowy, 4 - głowica, 5 - zbiornik wyrównawczy sprężonego powietrza, 6 - rdzennica lub forma
9 Zagęszczanie masy metodą impulsową Formowanie impulsowe polega na zagęszczaniu masy falą sprężonego powietrza (0,4 - 0,6 MPa), wywołaną nagłym otwarciem zaworu o dużym przekroju. Zawór ten, zwany impulsowym, łączy dwie przestrzenie: głowicę impulsową (o wyższym ciśnieniu) i skrzynkę formierską z nadstawką (o mniejszym ciśnieniu). Otwarcie zaworu impulsowego powinno spowodować nagły wzrost ciśnienia nad powierzchnią masy w nadstawce. Przykłady rozwiązań maszyn impulsowych podano na rys. 11.
Rysunek 11. Schematy formierek impulsowych: a) z zaworem płytowym, b) z przeponą, c) rozkład ciśnienia p (zagęszczenia) w masie (I - naroże formy, // - rejon przyścienny, /// - środek formy); 1 - głowica impulsowa, 2 - stała płyta zaworu, 3 - przesuwna płyta zaworu, 4 - siłownik, 5 - nadstawka, 6 - skrzynka formierska (lub rdzennica), 7 - płyta modelowa z modelem, 8 - perforowane ściany zaworu, 9 - obrotowa przepustnica, 10 - przepona
10 Zagęszczanie masy metodą eksplozyjną Zagęszczanie eksplozyjne polega na działaniu fali ciśnieniowej, wytworzonej gwałtownym spalaniem mieszanki gazów palnych (propan, butan, gaz ziemny) z powietrzem. Powstająca fala ciśnieniowa (0,4-0,5 MPa) zagęszcza masę w sposób analogiczny jak w formierce impulsowej. Schemat maszyny eksplozyjnej podano na rys. 12. Zapłon mieszanki jest dokonywany elektrycznie, prędkość zaś jej spalania może być regulowana.
Rysunek 12. Schemat eksplozyjnej maszyny formierskiej: 1 - komora spalania (głowica impulsowa), 2 - dmuchawa z napędem, 3 - zapłon, 4 - nadstawka, 5 - skrzynka formierska (ew. rdzennica), 6 - płyta modelowa z modelem
11 Formowanie zautomatyzowane Podstawowymi zadaniami automatyzacji formowania jest uzyskanie dużej wydajności oraz dobrej i stabilnej jakości odlewów. Rysunek 13. Automatyczna linia odlewnicza firmy Hybe dla wymiarów skrzynek 800 x 600 x 250 mm
W automatycznej linii odlewniczej można wyróżnić - poza automatem formierskim - następujące odcinki: wkładania rdzeni, zalewania z automatem lejniczym, który może się przesuwać wzdłuż odcinka zalewania, stygnięcia, o długości zapewniającej całkowite zakrzepnięcie metalu we wnęce formy, wypychania pakietu masy do urządzenia oddzielającego odlewy od masy formierskiej i rdzeniowej. Linia może być wyposażona w wiertarki do wiercenia układów wlewowych, urządzenia przestawiające obciążniki z form zakrzepłych na przygotowane do zalewania, urządzenia czyszczące, nanoszące pokrycia, roboty do ustawiania rdzeni i inne.
Formowanie ze skrzynkami usuwalnymi i bezskrzynkowe Rysunek 14. Zasada pracy automatu do formowania bezskrzynkowego z pionową płaszczyzną; podziału typu Disamatic
Rysunek 15. Zasada formowania bezskrzynkowego w automacie firmy Haflinger z poziomym podziałem formy: a) zagęszczanie przez prasowanie, b) oddzielanie i wysuwanie płyty modelowej dwustronnej
Rysunek 16. Widok linii formowania bezskrzynkowego typu Disamatic
Formowanie skorupowe Rysunek 16. Schemat formowania skorupowego; 1 - zbiornik z masą formierską, 2 — płyta modelowa, 3 - skorupa, 4 - piec do utwardzania skorupy
Płyty modelowe lub rdzennice są najczęściej wykonane z żeliwa oraz ogrzane do temp. ok. 250 °C. Masa jest sporządzona z piasku powleczonego żywicą termoutwardzalną lub mieszaniny piasku z sypką żywicą oraz utwardzaczem. Na ogół żywice są dostarczane do odlewni w stanie zmielonym z dodatkiem 3-5% utwardzacza, również w postaci zmielonej. Pod wpływem temperatury płyty modelowej żywica topi się, zwilża ziarna piasku, powodując przyleganie warstwy masy do modelu lub rdzennicy; powstaje nieodwracalny stan utwardzonej masy. Nie nagrzana, powleczona żywicą masa rdzeniowa jest używana powtórnie. Ostateczne utwardzanie masy następuje przez wygrzanie w piecu w temp. 300-400 °C, w czasie 1-3 min. Po tym zabiegu skorupa jest oddzielana od płyty za pomocą zespołu wypychaczy.
Proces pełnej formy (wypalanych modeli) Proces wytwarzania odlewów metodą pełnej formy rozpoczyna się od wykonania jednorazowego modelu ze styropianu, który wkłada się do skrzynki, gdzie obsypuje się go suchym piaskiem pozbawionym lepiszcza. Piasek w celu zagęszczenia i osiągnięcia pożądanej sztywności poddaje się wibracji, a następnie forma jest zalewana. Podczas zalewania styropianowy model zostaje stopiony, a następnie zgazowany, metal natomiast wypełnia wnękę formy, odwzorowując kształt modelu. Schemat procesu przedstawiono na rys. 17. Jednorazowe modele otrzymuje się analogicznie jak inne elementy ze styropianu (np. opakowania) przez kształtowanie w specjalnych formach pęczniejącego pod wpływem temperatury granulowanego polistyrenu.
Rysunek 17. Zasada procesu pełnej formy (zgazowanych modeli)
Odlewanie kokilowe Kokile wykonuje się najczęściej z żeliwa jako konstrukcje skrzynkowe, starając się przy projektowaniu zachować równomierną grubość ścian, która najczęściej wynosi 2-5 grubości ścianki odlewu. Rysunek 18. Przykład kokili ręcznej rozsuwanej; 1 - ruchoma część kokili, 2 - stała część kokili, 3 - rdzeń metalowy, 4 - kołek ustalający, 5 - zamknięcie, 6 - otwory mocujące nieruchomą połówkę kokili do stołu kokilarskiego, 7 - mechanizm mimośrodowy do wyciągania rdzenia górnego
Do operowania kokilami używa się na ogół urządzeń lub maszyn zwanych kokilarkami lub maszynami kokilowymi. Kokilarki mogą być projektowane indywidualnie do danej kokili czy kilku kokil o podobnej konstrukcji albo projektowane i wykonywane przez wyspecjalizowane firmy i dostępne w handlu jako kokilarki uniwersalne. Kokila wraz z kokilarką indywidualną jest często nazywana kokilą zmechanizowaną.
Rysunek 19. Przykład kokilarki ręcznej z zamontowaną kokilą do wykonywania niewielkich odlewów; 1 - ruchoma połówka kokili, 2 - stała połówka kokili, 3 - rdzeń, 4 - układ wlewowy, 5 - kołki ustalające, 6 - zamknięcie, 7 - prowadnica, 8 - mechanizm zębatkowy, 9 - wypychacz, 10 - płyta wypychaczy, 11 - dźwignia zębatki napędu płyty wypychaczy, 12 - stół (podstawa)
Rysunek 20. Przykład kokilarki hydraulicznej; 1 - ruchome płyty do montażu połówek kokili, 2 - prowadnice kolumnowe, 3 - korpus maszyny, 4 - płyta pomocnicza, 5 - siłownik do wyciągania rdzeni do dołu, 6 - mocowanie rdzenia dolnego, 7 - trawersa górna, 8 - siłownik do wyciągania rdzeni do góry, 9 - mocowanie rdzenia górnego
Proces odlewania ciśnieniowego Odlewanie ciśnieniowe rozwija się od połowy XIX w. W początkowym okresie tym sposobem odlewano czcionki drukarskie. Odlewanie ciśnieniowe polega na wprowadzeniu ciekłego stopu do formy pod wysokim ciśnieniem (10-200 MPa) i z dużą prędkością, która we wlewie doprowadzającym wynosi 20-80 m/s. Forma jest zawsze zamontowana w maszynie ciśnieniowej, która wykonuje wszystkie czynności związane z zamykaniem i otwieraniem formy, a w niektórych odmianach także jej wypełnianiem. Forma jest zawsze dzielona pionowo i składa się z dwóch połówek zamocowanych do dwóch płyt maszyny, z których jedna jest stała, a druga ruchoma.
Z uwagi na wysokie ciśnienie nie można stosować rdzeni piaskowych Z uwagi na wysokie ciśnienie nie można stosować rdzeni piaskowych. Krzepnięcie odlewu następuje szybko, gdyż wysokie ciśnienie wtrysku umożliwia stosowanie niskiej temperatury zalewanego stopu oraz niskiej temperatury formy, bez obawy niedokładnego wypełnienia wnęki formy. Najwięcej odlewów ciśnieniowych wykonuje się ze stopów Al (40 - 60%), a także cynku, magnezu, ołowiu i miedzi.
Zalety odlewania ciśnieniowego duża dokładność wymiarowo-kształtowa odlewów, drobnoziarnista struktura, szczególnie wierzchniej, szybko krzepnącej warstewki, brak wad powierzchniowych, mała chropowatość, duża wydajność procesu — kilkanaście zapełnień formy na min., zalecane do wytwarzania odlewów w dużych seriach, małe naddatki na obróbkę (0,3 + 0,5 mm/stronę), co powoduje skrócenie czasu i zmniejszenie kosztu obróbki skrawaniem.
Rysunek 21. Zasada działania maszyny ciśnieniowej: a) z gorącą komorą ciśnienia prasowania), b) z zimną poziomą komorą ciśnienia, c) z zimną pionową komorą ciśnienia