SML / Лекция_4

75

4 ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

4.1 Суть процесса. Основные операции и область использования

Принцип процесса литья под давлением основан на принудительном за-

полнении рабочей полости металлической пресс-формы расплавом и формиро-

вании отливки под действием давления пресс-поршня, перемещающегося в ка-

мере прессования, заполненной расплавом. В отличие от кокиля рабочие по-

верхности пресс-формы, контактирующие с отливкой, не имеют огнеупорного покрытия. Это приводит к необходимости кратковременного заполнения пресс-

формы расплавом и действия на кристаллизующуюся отливку избыточного давления, в сотни раз превосходящего гравитационное. Современный процесс,

реализуемый на специальных гидравлических машинах, обеспечивает получе-

ние oт нескольких десятков до нескольких тысяч отливок разного назначения в час с высокими механическими свойствами, низкой шероховатостью поверхно-

сти и размерами, соответствующими или максимально приближенными к раз-

мерам готовой детали. Толщина стенки отливок может быть менее I ,0 мм, а

масса – от нескольких граммов до десятков килограммов.

В зависимости от конструкции камеры прессования различают машины с холодной (рисунок 4.1) и горячей (рисунок 4.2) камерами прессования.

Основные операции технологического процесса зависят от конструктив-

ного решения камер прессования.

На машинах с холодной камерой прессования после подготовки пресс-

формы 1 (рисунок 4.1, а) к очередному циклу, ее сборки и запирания с помо-

щью запирающего механизма литейной машины в камеру прессования 3 пода-

ется доза расплава. Затем под действием пресс-поршня 2, перемещающегося в этой камере посредством механизма прессования, через каналы литниковой системы расплав заполняет рабочую полость пресс-формы (рисунок 4.1, б). По-

сле затвердевания и охлаждения отливки до определенной температуры извле-

кают стержни 4 и раскрывают пресс-форму (рисунок 4.1, в), а затем механиз-

76

Рисунок 4.1 – Схема технологического процесса литья под давлением на маши-

не с холодной камерой прессования:

а – подача расплава в камеру прессования; б – запрессовка; в – раскрытие пресс-формы; г – выталкивание отливки; 1 – пресс- форма; 2 – пресс-поршень; 3 – камера прессования; 4 – стержень; 5 – толкатель

77

Рисунок 4.2 – Схема технологического процесса литья под давлением на маши-

не с горячей камерой прессования:

а – заполнение камеры прессования расплавом; б – запрессовка; в

–раскрытие пресс-формы и выталкивание отливки; 1 – камера прессования; 2 – заливочное отверстие; 3 – тигель с расплавом; 4

–обогреваемый канал; 5 – пресс-форма; 6 – пресс-поршень; 7 –

отливка; 8 – толкатели

78

мом выталкивания и толкателями 5 отливку удаляют из пресс-формы (рисунок

4.1, г). Механизмы машины приходят в исходное состояние. Литники и заливы отделяются, от отливки, как правило, с помощью обрезного пресса, располо-

женного около литейной машины, либо механизмами пресс-формы. На этом рабочий цикл завершается.

На машинах с горячей камерой прессования особенность технологическо-

го процесса заключается в том, что камера прессования 1 (рисунок 4.2, а) рас-

полагается в тигле 3 и сообщается с ним заливочным отверстием 2. Через это отверстие при исходном положении пресс-поршня 6 расплав самотеком посту-

пает из тигля в камеру прессования. После перекрытия пресс-поршнем зали-

вочного отверстия расплав по обогреваемому каналу 4 поступает в рабочую по-

лость пресс-формы 5 (рисунок 4.2, б). Рабочий цикл завершается после возврата пресс-поршня в исходное положение и слива остатков расплава из канала 4 в

камеру прессования, раскрытия пресс-формы и удаления из нее отливки 7 тол-

кателями 8 (рисунок 4.2, в).

Таким образом, процесс литья под давлением реализуется только на спе-

циальных машинах, что обеспечивает возможность комплексной автоматиза-

ции технологического процесса, способствует существенному улучшению са-

нитарно-гигиенических условий труда, уменьшению вредного воздействия ли-

тейного производства на окружающую среду.

Особенности формирования отливок и их качество. При литье под давлением основные показатели качества отливки – точность размеров, шеро-

ховатость поверхности, механические свойства, плотность и герметичность – определяются следующими особенностями ее формирования:

1. Кратковременность заполнения полости пресс-формы расплавом. Ско-

рость поступления расплава в пресс-форму для разных отливок и сплавов ко-

леблется от 0,3 до 140 м/с, продолжительность ее заполнения 0,02 – 0,3 с, а ко-

нечное давление на расплав может достигать 500 МПа. Это позволяет, несмот-

ря на высокую скорость охлаждения расплава в форме, изготавливать весьма сложные корпусные отливки с толщиной стенки менее 1 мм из сплавов с низ-

79

кой и даже близкой к нулю жидкотекучестью (таким свойством обладают, на-

пример, сплавы, находящиеся в твердожидком состоянии). Высокая кинетиче-

ская энергия движущегося расплава и давление, передаваемое на него в момент окончания заполнения формы, способствуют получению отливок с низкой ше-

роховатостью поверхности.

2. Газонепроницаемость материала пресс-формы. Вентиляция рабочей по-

лости происходит посредством специальных вентиляционных каналов. При вы-

соких скоростях поступления расплава в полость пресс-формы воздух, а также газообразные продукты разложения смазочного материала, образующиеся при его взаимодействии с расплавом, не успевают полностью удалиться из пресс-

формы за время заполнения ее расплавом. Они препятствуют заполнению пресс-формы и попадают в расплав, приводя к образованию неслитин, неспаев,

раковин и газовоздушной пористости в отливках. Газовоздушная пористость приводит к уменьшению плотности отливок, снижению их герметичности и пластических свойств. Воздух, газы, продукты разложения смазочного мате-

риала, находящиеся в порах отливки под высоким давлением, затрудняют ее термическую обработку: при нагреве прочность отливки снижается, а давление газов в порах повышается, что вызывает коробление отливки, на ее поверхно-

сти появляются пузыри.

Для снижения газовоздушной пористости в отливках используют ряд технологических приемов, а также специальные способы литья под давлением

(см. подраздел 4.2).

3. Высокая интенсивность теплового взаимодействия между материалом отливки и пресс-формой, обусловленная ее высокими теплопроводностью и те-

плоемкостью, малым термическим сопротивлением слоя смазочного материала и продуктов его разложения, значительным давлением расплава и отливки на стенки пресс-формы, улучшающим контакт между ними. Это способствует по-

лучению мелкозернистой структуры, особенно в поверхностных слоях отливки,

повышению ее прочности и высокой производительности процесса.

4. Передача в момент окончания заполнения металлом пресс-формы дав-

80

ления, развиваемого пресс-поршнем в камере прессования, на расплав в полос-

ти формы. Это улучшает питание отливки, способствует уменьшению усадоч-

ной пористости, сжатию газовоздушных включений. В результате возрастают плотность, герметичность и механические свойства отливки. Однако эффектив-

ность действия подпрессовки ограничена, так как это давление на расплав в пресс-форме действует только до тех пор, пока питатель не затвердеет.

5. Использование металлической пресс-формы с точными размерами и низкой шероховатостью рабочих поверхностей. Это способствует получению высокоточных отливок по массе, геометрии и размерам. Высокая точность раз-

меров отливок (классы 1 – 4 по ГОСТ 26645—85 (изм. № 1,1998)) позволяет уменьшить припуски на обработку до 0,3 – 0,8 мм, а в некоторых случаях пол-

ностью исключить обработку резанием. Остается только зачистка мест удале-

ния питателей, соединительных каналов промывников и облоя. Коэффициент точности отливок по массе (КТМ) при литье под давлением достигает 0,95 – 0,98. Шероховатость поверхности отливок, полученных под давлением, зависит в основном от шероховатости поверхности пресс-формы и технологических режимов литья. Обычно эти отливки имеют шероховатость от Rz = 160 – 80

мкм (сплавы на основе меди) до Rz = 1,00 – 0,32 мкм (цинковые сплавы).

Эффективность производства отливок и область их применения.

Учитывая опыт производства отливок под давлением, можно отметить сле-

дующие его преимущества:

1. Возможность изготовления отливок значительной площади с малой толщиной стенок (менее 1 мм).

2. Возможность повышения качества отливок: отливка получается с вы-

сокой точностью размеров и низкой шероховатостью поверхности; практически не требует обработки резанием; механические свойства отливок получаются достаточно высокими.

3. Возможность многократного использования металлической пресс-

формы. При этом сборка формы и извлечение из нее готовой отливки выпол-

няются машиной, а процесс получения отливки является малооперационным.

81

Указанные обстоятельства и высокая скорость затвердевания отливки в пресс-

форме делают процесс литья под давлением одним из самых высокопроизводи-

тельных литейных процессов и создают предпосылки для полной автоматиза-

ции данного производства.

4. Значительное улучшение санитарно-гигиенических условий труда вследствие устранения из литейного цеха формовочных материалов, меньшее загрязнение окружающей среды.

Наряду с указанными преимуществами литье под давлением имеет и ряд недостатков, в том числе следующие:

1. Габаритные размеры и масса отливок ограниченны мощностью маши-

ны (усилием, развиваемым механизмом запирания).

2. Высокая стоимость пресс-формы, сложность и трудоемкость ее изго-

товления, ограниченная стойкость, особенно при литье сплавов черных метал-

лов и медных сплавов, что снижает эффективность процесса и ограничивает область его использования. Повышение стойкости пресс-форм является одной из важных проблем, особенно при литье сплавов, имеющих высокую темпера-

туру плавления. Удлинение срока службы пресс-форм повышает эффектив-

ность производства, позволяет расширить номенклатуру сплавов, из которых могут быть получены отливки под давлением.

3. Трудности изготовления отливок со сложными полостями, поднутре-

ниями, карманами.

4. Наличие в отливках газовоздушной и усадочной пористости, которая снижает механические свойства материала отливок, их герметичность, ограни-

чивает возможности изготовления отливок из сплавов, упрочняемых термиче-

ской обработкой. Устранение газовоздушной и усадочной пористости отливок является одной из важных проблем, решение которой позволяет расширить об-

ласть применения этого перспективного технологического процесса, повысить эффективность его использования.

5. Наличие напряжений в отливках при усадке из-за неподатливости пресс-формы также ограничивает номенклатуру сплавов, из которых могут

82

быть изготовлены отливки данным способом.

С учетом преимуществ и недостатков способа литья под давлением опре-

деляется рациональная область его использования. Вследствие высокой стои-

мости пресс-форм, сложности оборудования, высокой производительности ли-

тье под давлением экономически целесообразно применять в массовом и круп-

носерийном производстве точных отливок с минимальными припусками на об-

работку резанием из алюминиевых, цинковых, магниевых и медных сплавов, а

в некоторых случаях специальных сплавов и сталей.

Этот процесс с полным основанием может быть отнесен к малоопераци-

онным и практически безотходным технологиям, так как литники и облой под-

вергают переплавке, а отходы в стружку малы. Наивысшие экономические по-

казатели достигаются при изготовлении отливок под давлением на машинах с горячей камерой прессования.

4.2 Специальные способы литья под давлением

Литье под давлением с использованием вакуума. Для осуществления данного способа литья используют разные методы вакуумирования полости пресс-формы и камеры прессования, различающиеся по месту удаления воздуха и газов (непосредственно из пресс-формы, из кожуха или камеры, в которую заключена пресс-форма, и т.д.), по моменту начала вакуумирования пресс-

формы и камеры прессования, а также по конструктивному исполнению систем вакуумирования.

В качестве примера на рисунке 4.3 показано устройство для создания ва-

куума в пресс-форме, установленной на машине с холодной горизонтальной камерой прессования. Оно представляет собой камеру, состоящую из плиты 2,

укрепленной на подвижной плите 1 машины, двух частей кожуха 3 и 4, а также неподвижной плиты 6, расположенной на неподвижной плите 7 машины. Внут-

ри кожуха находится пресс-форма, состоящая из неподвижной 11 и подвижной

12 полуформ, плит 14 и I5 толкателей. Камера прессования 8 каналом (показан

83

Рисунок 4.3 – Установка для литья под давлением с вакуумированием пресс-

формы:

1, 7 – соответственно подвижная и неподвижная плиты машины; 2, 6 – то же, вакуумной камеры; 3, 4 – соответственно подвиж- ная и неподвижная части кожуха; 5 – трубопровод; 8 – камера прессования, 9 – поворотная муфта; 10 – сменная втулка; 11, 12

– соответственно неподвижная и подвижная полуформы; 13 – упоры; 14, 15 – плиты толкателей; 16 – уплотнения

84

штриховой линией) соединяется с системой вакуумирования. При закрытии пресс-формы уплотнения 16 и упоры 13 обеспечивают герметичность вакуум-

ной камеры.

После заливки расплава в камеру прессования заливочное окно камеры закрывают поворотной муфтой 9, после чего камера с помощью электромаг-

нитного золотника соединяется через трубопровод 5 с вакуумным ресивером или воздушным насосом. В камере создается требуемое разрежение воздуха, и

продукты разложения смазочного материала пресс-формы удаляются из ее по-

лости через вентиляционные каналы. Одновременно или с некоторой задерж-

кой происходит запрессовка расплава в пресс-форму.

Практика использования вакуумирования полости пресс-формы при ли-

тье под давлением показала, что для получения качественных отливок и более полного использования преимуществ этого способа литья необходимо: тща-

тельно очищать расплав от неметаллических и газовых включений (рафиниро-

вать расплав); обеспечить быстрое и полное удаление воздуха и газов из полос-

ти пресс-формы; осуществлять отсос воздуха и продуктов разложения смазоч-

ного материала из мест их скопления в пресс-форме; использовать смазочные материалы с низкой газотворной способностью; исключить поступление возду-

ха из атмосферы в рабочую полость пресс-формы и камеры прессования. При соблюдении этих требований удается уменьшить количество воздуха, паров и газов в полости пресс-формы, снизить их противодавление при заполнении формы расплавом и, благодаря этому, улучшить качество отливок, повысить их плотность, герметичность, прочность и относительное удлинение, улучшить наполняемость пресс-формы, получить крупные отливки с меньшей на 30 – 40% толщиной стенок и в некоторых случаях осуществить высокотемператур-

ную обработку отливок.

Однако при литье под давлением с использованием вакуума могут возни-

кать условия, при которых газы, растворенные в расплаве, при понижении его температуры и увеличении разности парциальных давлений газа в расплаве и в пресс-форме начнут выделяться из раствора. При этом газовая пористость от-