Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

формовочных смесей:

1 - влажный кварцевый песок; 2 - жидкостекольная смесь (М = 2,8; = 1440 кг/м3), отвержденная по СО2; 3 -жидкостекольная ХТС (соотношение жидкого стекла и феррохромового шлака – 1,5:1,0); 4 - единая ПГС, используемая на ОАО "ВАЗ" (потери при прокаливании (ППП) - 6,5%); 5 - единая ПГС, используемая в ЧЛЦ-2 РУП "МТЗ" (ППП - 4,0%); 6 - единая ПГС, используемая на РУП "Полесьеэлектромаш" (ППП - 3,2%)

В основу системы контроля и управления качеством смеси был положен принцип непрерывного текущего контроля и управления влагосодержанием и температурой формовочной смеси, основанный на измерении уровня поглощения микроволновой энергии влажной формовочной смесью.

Учитывая наличие случайных факторов, оказывающих влияние на процессы формообразования, при разработке системы была предусмотрена двойная обратная связь, которая позволяет непрерывно контролировать весь технологический процесс формообразования, работу исполнительных механизмов и контрольно-измерительной аппаратуры, исключает попадание некачественной смеси на позицию формовки, обеспечивает возможность саморегулирования и стабилизирует ее работу.

Принципиальная схема «Системы автоматического контроля и управления» представлена на рис.8.13 и включает в себя три опорных счетчика влажности (4) и четыре датчика температуры (12), контролирующих текущую влажность и температуру формовочной смеси до смесителя, после него и непосредственно у формовочной машины. Число используемых приборов контроля влажности и температуры зависит, в общем случае, от количества смесителей, включенных в единую систему смесеприготовления. Для обеспечения непрерывного контроля движения формовочной смеси по транспортерным лентам (2), а также определения уровня смеси на ленте, перед счетчиками влажности устанавливаются датчики наличия материала (3).

242

си, вырабатываются соответствующие управляющие команды для исполнительных механизмов дозатора (клапан 10) и системы охлаждения. Приборы контроля на выходе из смесителя отслеживают параметры готовой формовочной смеси, обеспечивая таким образом контроль технологического процесса перемешивания: срабатывание исполнительных механизмов, точность дозирующих устройств, адекватность работы датчиков, контролирующих параметры оборотной смеси. По показаниям этих приборов можно оценить качество работы смесителя – однородность приготовленной смеси: если колебания текущих показаний влагомера превышают заданный интервал (например, 0,15%), то это означает неравномерное увлажнение по объему смеси и, следовательно, говорит о неудовлетворительной работе смесителя, либо о недостаточном времени перемешивания. В случае, если замес, выпущенный из смесителя не укладывается в заданные параметры готовой смеси (по влагосодержанию или температуре), срабатывает исполнительный механизм направляющего плужка (5) и смесь сбрасывается на ленту возврата (13).

Приборы контроля влажности и температуры, установленные в непосредственной близости от формовочной машины (11), отслеживают изменение влажности и температуры формовочной смеси, произошедшие при транспортировке смесителя к формовочной машине, и выполняют функцию гибкой обратной связи, внося необходимые корректировки в работу «Системы» и обеспечивая ее самонастройку при изменениях температуры и влажности в цехе.

Сравнительный анализ состояния формовочной смеси и качества получаемых отливок, проведенный в литейных цехах заводов, показал, что внедрение системы автоматического контроля и управления позволяет стабилизировать качество формовочной смеси, улучшить ее параметры, исключить необходимость в ручном дозировании компонентов смеси и лабораторном анализе влажности и температуры смеси. В свою очередь, это приводит к снижению брака и, соответственно, снижению себестоимости отливок (табл.8.2).

Таблица 8.2 Сравнительные характеристики формовочной смеси до и после внедрения системы контроля

процесса смесеприготовления в СЛЦ РУП «МТЗ»

244

ческих формовочных линиях.

Как правило, в качестве ЕФС обычно применяют так называемые песчано-глинистые или песчано-бентонитовые смеси (ПГС), в которых в качестве основного связующего материала, придающего смеси сырую прочность, выступает либо каолиновая, либо бентонитовая глина. Выбор того или иного типа глиняного связующего зависит от типа сплава, из которого изготавливается отливка, ее массы и габаритных размеров, а также от требуемых физико-механических свойств ЕФС, в свою очередь зависящих от вида технологии формообразования. При этом необходимо учитывать, как минимум, три взаимосвязанных показателя формовочных смесей – прочность во влажном состоянии, газопроницаемость и влажность. Необходимо стремиться к достижению технологически необходимой прочности смеси при минимальном расходе глиняного связующего материала, что обеспечивает максимальное значение газопроницаемости смеси и организацию в результате этого благоприятного газового режима в литейной форме, обеспечивающего предотвращение газовых дефектов в отливках. При этом необходимо всегда учитывать, что физикомеханические свойства ЕФС определяются, в первую очередь, способом формообразования, что связано с принципиально разным механизмом уплотнения смесей, например, вибрационными или встряхивающими и прессовыми методами изготовления форм.

Так, например, уплотнение форм встряхиванием происходит под действием сил инерции смеси, которые возникают в результате подъема стола встряхивающей машины с опокой и наполнительной рамкой на высоту h = 0,05-0,08 м, последующего его падения и удара о препятствие. При этом кинетическая энергия, сообщенная смеси, переходит в работу ее уплотнения. Встряхивание осуществляется (рис.9.1) при подаче сжатого воздуха через каналы 3 и 4 в нижнюю полость цилиндра 1, в результате чего встряхивающий поршень 5 начинает подниматься вверх.

Рис. 9.1 Схема уплотнения формы встряхиванием

При этом выпускное отверстие 3 перекроется боковой поверхностью поршня, а нижняя его кромка откроет выхлопные окна 2, в результате чего воздух выйдет в атмосферу. Так как давление под поршнем снизится, то стол упадет на торец цилиндра 1 и при ударе уплотнит формовочную

246

смесь в опоке 8 и наполнительной рамке 9. Происходит это в связи с тем, что скорость стола, а также модельной оснастки в этот момент снижается с 0,5-1,0 м/с до нуля, в то время как формовочная смесь в опоке, продолжая двигаться вниз по инерции, уплотняется. При этом продолжительность действия уплотняющих сил очень незначительна и необходимое уплотнение достигается только после 20-80 ударов. Дальнейшее повышение количества ударов стола приводит к накоплению в объеме смеси пластических и упругих деформаций, перемещению ее из одних участков формы в другие, обтеканию модели, выравниванию структуры смеси, после чего наступает стабилизация уплотнения. Не менее важное влияние на процесс уплотнения оказывает частота ударов. Так, встряхивающие механизмы без амортизации ударов делают примерно 100-120 ударов в минуту, а с амортизацией – 500-600.

Существенным недостатком встряхивающего метода уплотнения является неравномерная плотность формы. Около модельной плиты смесь уплотнена значительно больше, чем в верхней части формы, так как при ударе на нижние слои действует сила инерции всей массы смеси, находящейся в опоке и наполнительной рамке. В связи с этим после уплотнения встряхиванием верхний слой формы обычно доуплотняют одним из следующих способов: трамбованием при помощи ручных или пневматических трамбовок; помещением в опоку некоторого избытка формовочной смеси (обычно для этого используется наполнительная рамка) для компенсации уменьшения объема смеси при ее уплотнении, а также для создания дополнительного давления; нагружением формы (т.е. встряхивание с дополнительным грузом); подпрессовкой. Таким образом, исходя из из механизма встряхивающего метода уплотнения, следует, что единые формовочные смеси, используемые в этом процессе, не должны обладать повышенной прочностью ( сж не должно превышать 0,05-0,07 МПа), т.к. в противном случае за счет действия сил инерции может происходить комкование смеси внутренних слоев формы. Результатом этого является недоуплотнение формы вокруг модели и, как следствие этого, изготовление низкокачественной отливки. Кроме того, к таким смесям не предъявляются повышенные требования по текучести, так как в процессе формовки встряхиванием смесь практически не перемещается по объему опоки в горизонтальной плоскости, а происходит лишь ее некоторое движение в вертикальном направлении в соответствии с вектором сил инерции.

При использовании же прессовых методов уплотнения (рис.9.2), наоборот, под действием силы Рпр в начале процесса возникает сильное перенапряжение и переуплотнение объема смеси А над моделью, вызывающее деформации сдвига, в результате чего часть смеси перетекает из этого объема в объемы В, где также приходит в состояние предельного равновесия.

247

249

Принципиально в состав любой типовой ЕФС всегда в качестве основного наполнителя используется оборотная смесь с добавлением свежего формовочного песка, а связующим материалам, придающим смесям требуемую сырую прочность, выступает одна из разновидностей формовочных глин. Кроме этих компонентов в обязательном порядке смесь должна содержать необходимое для набухания глины количество воды и, если это требуется по техническим условиям, специальные добавки (противопригарные, противоужиминные и др.). Как видно из данных, представленных в табл.9.1, основное отличие ЕФС для прессовых методов формовки заключается в использовании в их составах только высококачественных бентонитовых глин и специальных добавок, обеспечивающих при низкой влажности высокую прочность, текучесть и формуемость. В то же время в составах ЕФС для встряхивающих методов формовки можно применять и каолиновые (огнеупорные) глины, а в качестве добавок использовать только противопригарные материалы (например, молотый уголь, мазут и др.). При этом каолиновая глина при влажности смеси до 4,5-5,0 % позволяет придавать смеси требуемую для встряхивающего метода формовки прочность (0,05- 0,07 МПа).

Качество песчано-глинистых смесей определяется в первую очередь их огнеупорной песчаной основой, поэтому при создании ЕФС следует применять качественные кварцевые пески с содержанием глинистой составляющей менее 1,0 % и влажностью не выше 1,0 %. При этом, для получения чугунных отливок следует применять среднезернистые пески (0,18-0,25 мм), а для стальных – крупнозернистые с диаметром зерна 0,26-0,36 мм. Учитывая то, что в процессе многократного использования (15-20 циклов), в технологическом процессе изготовления отливок оборотная смесь подвергается знакопеременным температурным нагрузкам, происходит дробление отдельных песчинок, их солитизация и, как результат этого, дестабилизируются свойства ЕФС и увеличивается брак отливок по засорам, газовым дефектам, пригару и др. Для устранения этого недостатка оборотная смесь до попадания в смеситель проходит ряд технологических операций, описанных в гл.8, и обогащается добавлением свежего высококачественного кварцевого песка. Количество свежего песка, как это видно из табл.9.1, колеблется от 2 до 10% и в каждом конкретном случае зависит от ряда причин, основными из которых являются: соотношение металл – формовочная смесь в опоке, масса и габаритные размеры отливки, температура заливаемого в форму расплава и др.

Как уже отмечалось в гл.5, для предотвращения пригара на поверхности отливок в составы любых (вне зависимости от способа формовки и вида сплава отливки) ЕФС вводятся противопригарные добавки в количествах 0,2-1,5 %, характеристика которых представлена в параграфе 5.4. В смесях для встряхивающих методов формовки, как правило, не применяют специальные добавки, так как к этим смесям не предъявляются повышенные требования по текучести и формуемости. И, наоборот, для прессовых и пескодувно-прессовых методов формовки (смеси 2-4), весьма важно иметь смеси с повышенной прочностью и пластическими свойствами. Чтобы достичь этого в их составах в качестве связующего материала использовать только бентонитовые связующие материалы, которые, как правило, вводятся в смеситель в порошкообразном виде, но иногда применя-

250