Тема 7 (лекция 10)

АФЛ вакуумно-пленочной формовки,

формовки замораживанием и магнитной формовки

Вакуумно-пленочная формовка и формовка замораживанием относятся к относительно «молодым» методам формообразования. Апробация и активное использование этих методов в производстве начались в 70-80-х годах прошлого века. Наиболее широкое применение сегодня получил метод вакуумно-пленочной формовки, особенно при изготовлении крупных до 2-3 м в диаметре массивных отливок из различных сплавов, в том числе чугуна и стали небольшими и средними сериями. Формовка замораживанием пока используется только при литье цветных сплавов, в основном алюминиевых и цинковых.

Сущность V-процесса формовки заключается в использовании синтетических полимерных покрытий (пленок) и вакуума для получения сухих литейных форм без связующего материала. Достигается это путем создания избыточного напряжения сжатия между песчинками за счет создания вакуума в сыпучем огнеупорном наполнителе формы. Отсутствие связующего и соответственно низкая теплопроводность позволяет получать тонкостенные стальные и чугунные отливки без отбела.

Опыт эксплуатации V-процесса у нас в стране и за рубежом показал, что по сравнению с традиционными способами формообразования он имеет ряд существенных преимуществ:

- отсутствие необходимости в связующих материалах, смесеприготовительном, выбивном и очистном оборудовании;

- экологическая чистота процесса;

- высокое качество поверхности и точность отливок;

- минимальные припуски на механическую обработку отливок, литейные радиусы и уклоны;

- небольшой расход свежего песка (2-5%);

- минимальный износ модели.

Однако этот метод не лишен и недостатков:

- повышенный расход электроэнергии;

- запыленность рабочего места при засыпке опоки песком и ее выбивке;

- возможность образования газовых дефектов в отливке вследствие термодеструкции синтетических пленок;

- повышенное время кристаллизации и охлаждения отливки;

- необходимость использования сложной в изготовлении модельно-опочной оснастки. Для реализации процесса вакуумной формовки изготавливаются специальные пустотелые опоки и подмодельные вакуумируемые плиты, а в моделях выполняются венты – отверстия, сообщающиеся с полостью формы.

Сущность способа и последовательность операций вакуумной формовки представлена на рис. 7.1. Модельная плита 1 с закрепленной на ней моделью 2 монтируется на вакуумируемой подмодельной камере 3, полость которой соединена сквозными каналами с поверхностью плиты и модели (рис. 7.1.а). Синтетическую пленку 4 толщиной 0,05-0,10 мм и площадью поверхности, равной площади модельной плиты в плане, в течение нескольких секунд нагревают электрическим нагревателем 5 (или феном) до перевода пленки в пластическое состояние 40-50⁰С (рис. 7.1б). Пленку накладывают сверху на модель (рис. 7.1в), а полость камеры 3 подключают к вакуумному насосу, величина вакуума порядка 50-60 кПа (0,5-0,6 атм). При этом пленка плотно облегает поверхность модельной плиты и модели, точно воспроизводя ее контур. Пленку покрывают противопригарной краской.

На модельную плиту устанавливают пустотелую опоку 6, полые стенки которой соединяются с коллектором отсасывающего устройства (рис. 7.1г). В опоку засыпают сухой мелкозернистый песок 7 (кварцевый, цирконовый, оливиновый и т.д.) без связующего материала и уплотняют его легкой вибрацией (рис. 7.1д).

Далее отформовывают или устанавливают выжигаемую литниковую чашу, удаляют избыток песка из полуформы, накладывают на ее поверхность синтетическую пленку (можно без предварительного ее нагревания), эта пленка, как правило, толще той, которая укладывается на модель, и уплотняют формовочный материал подключением опоки к вакуумному насосу (рис. 7.1е).

В результате вакуумирования полуформа приобретает прочность, после чего модельную плиту отключают от вакуумного насоса, с нее снимают готовую полуформу, верхняя и рабочая поверхности которой покрыты синтетической пленкой (рис. 7.1ж). Аналогично изготавливают вторую полуформу, а затем в нижнюю устанавливают стержень и собирают форму. В процессе транспортировки и сборки формы вакуум поддерживается обратным клапаном опоки. Заливка металлом и кристаллизация отливки осуществляется после подключения опоки к вакуумным насосам (рис. 7.1з).

Процесс выбивки формы (рис. 7.1и) заключается в том, что насосы отключаются, а песок и отливка 8 удаляются из опок.

V-процесс имеет ряд технологических особенностей, влияющих на условия получения качественных отливок. В первую очередь следует отметить, что в момент заливки формы металлом пленка разрушается, вызывая местную разгерметизацию формы. А учитывая то, что сама форма находится под разряжением, то создается направленный поток воздуха из атмосферы цеха через открытые прибыли и выпор внутрь формы. Это может привести к захвату металлом воздуха и к образованию в отливке крупных газовых раковин. Для того чтобы это не произошло ведут борьбу с преждевременным разрушением пленки обычно ведут следующим образом: во-первых, увеличивают скорость заливки (примерно в 2 раза по сравнению с заливкой в песчано-глинистые формы); во-вторых, наносят на пленку огнеупорное покрытие толщиной 0,3-0,5 мм; в-третьих, выбирают наиболее рациональное место подвода металла к телу отливки.

Одним из лидеров по производству АФЛ изготовления отливок с использованием вакуумно-пленочной формовки является немецкий концерн «HWS». Примеры таких линий (модель VFK 7 и VFK 8) представлены на рис. 7.2 (а и б), в состав автоматической линии входят: 1 – две формовочных установки карусельного типа, 2 – манипуляторы, 3 – грузоукладчик, 4 - распаровщик опок, 5 – литейный тележечный конвейер, 6 - приводной рольганг, 7 – устройство очистки платформы конвейера, 8 - устройство очистки опоки, 9 – механизмы перестановки тележек.

На карусели выполняются следующие операции: установка модели, наложение термореактивной пленки, окраска, установка опоки на плиту, заполнение опоки смесью, наложение герметизирующей пленки на контрлад формы, вакуумирование формы, установка стержня.

Одной из разновидностей V – процесса является получение отливок в вакуумируемые формы по газифицируемым (выжигаемым) моделям. Это позволяет изготавливать отливки сложной конфигурации, без ограничений по высоте и в одной опоке – вакуумируемом ящике.

Изготовление отливок в замораживаемых формах - получение отливок в формах, изготовленных из смесей, основным связующим которых является вода. Для реализации процесса и придания формовочной смеси необходимой прочности следует обеспечить быстрое замораживание форм. В качестве хладоагента (хладоносителя), как правило, используют жидкий или газообразный азот: t_пл=63,2 К, t_кп=77,3 К=195,7⁰С. Замораживание форм может осуществляться двумя способами – после снятия формы с модели и до снятия с модели. Реализация первого способа требует обязательного введения в состав смеси дополнительно глинистого связующего материала, обеспечивающего необходимую манипуляторную прочность. При изготовлении форм по второму способу отсутствует необходимость в глинистом связующем. Смесь предварительно охлаждают перед подачей в опоку, а холод подводят через модельную оснастку, которую также предварительно охлаждают до температуры (-3)-(-5)⁰С. Существенным недостатком второго метода изготовления замороженных форм является необходимость в использовании более сложной модельной оснастки, которая должна обеспечивать подачу хладоносителя в смесь.

На рис. 7.3 представлена схема изготовления форм, снятых с модельных плит, замораживанием. Жидкий азот (хладоноситель t_пл=63,2 К, t_кп=77,3 К=195,7⁰С) из изотермической передвижной емкости 1 через металлорукав 2 подают в теплоизолированный бак 3. Через загрузочное окно 5 форма 4, снятая с модели, погружается в жидкий азот, образующиеся при этом холодные пары азота вентилятором 6 подаются к стеллажу для собранных форм 7, обеспечивая тем самым поддерживание режима их замораживания.

Для изготовления замороженных форм, не снимая их с модельной плиты (рис. 7.4), применяется пустотелая, облицованная внутри теплоизоляцией плита, вертикальные каналы в которой сопряжены с каналами модели 9. Процесс формовки осуществляется следующим образом. На предварительно охлажденную модельную плиту через прокладки 2 устанавливают опоку 3, которую заполняют увлажненной песчаной массой 4 (влажность 4-6%). Затем к опоке через прокладки прижимают коллектор 5 и открывают вентиль 10. Под действием атмосферного давления сжиженный газ из емкости 11 испаряется и через отверстия – каналы в плите и модели поступает к поверхности формовочной смеси. Образовавшиеся холодные пары под действием вакуума, созданного при открытии вентиля 6 вакуумным насосом 7 в полости коллектора и через венты 8 в объеме смеси, фильтруются через нее, способствуя тем самым замораживанию формы. Температура охлаждения формы достигает (-40)-(-50)⁰С, а прочность при этом находится в пределах 1-2 МПа.

Газопроницаемость замороженных форм на 20-30% выше, чем сырых, поэтому можно применять более мелкозернистые пески и тем самым улучшать чистоту поверхности отливок. В связи с этим качество поверхности и точность отливок, полученных в замороженных формах, выше, чем у отливок, полученных в сырых песчано-глинистых формах. В отличие от форм полученных по V-процессу, охлаждение отливок в замороженных формах происходит очень быстро, что позволяет получить мелкозернистую структуру и соответственно более высокие механические свойства. С другой стороны возникает опасность не доливов, а для чугунных отливок – отбела. Однако высокая энергоемкость, сложность оснастки и оборудования, а также дефицитность хладоагента ограничивают области и масштабы использования метода изготовления форм замораживанием. На сегодняшний день этот метод используют редко и, как правило, для изготовления ответственных отливок из цветных сплавов.

Способ отливки деталей по газофицируемым моделям в магнитных формах заключается в том, что модель из пенополистирола, соответствующая конфигурации отливки, засыпается ферромагнитным мелкодисперсным материалом (как правило, в смеси с огнеупором). При наложении на форму магнитного поля частицы материала скрепляются между собой, после чего заливается жидкий металл, выжигающий пенополистирольную модель. Отливку легко освободить, сняв магнитное поле.

Технология способа магнитной формовки проста, легко поддается автоматизации. Отливки получаются плотными, чистыми, с высокой размерной точностью. Как правило, размеры форм не превышают 1000х1000 мм и не ниже 500х500 мм. Производительность АФЛ магнитной формовки не более 60-80 ф/ч.

Фирма «Броун Бовери» разработала автоматизированные линии модели МФА для изготовления отливок способом магнитной формовки. Отливки изготавливают в магнитных формах размерами 620х400х500 мм. Производительность линии 30 форм/час. На одном стояке из пенополистирола выполняется гроздь моделей отливок, которые покрываются огнеупорным слоем и высушиваются. Затем их на позиции помещают в опоку и засыпают магнитным материалом, состоящим из чугунного порошка (может использоваться дробь стальная и чугунная, железный порошок и т.д с размерами частиц 0,16-0,4 мм), смешанного с корундом и другими составляющими. Применяя наполнительный материал сложного состава, можно регулировать скорость охлаждения отливок.

Для лучшего заполнения магнитной смесью опока подвергается вибрации. Затем форма поступает на позицию между полюсами электромагнита, поле которого фиксирует форму на время заливки и кристаллизации металла. После отключения электромагнита она самопроизвольно разрушается. Опоку снова подают на позицию формовки, а магнитный материал – в установку охлаждения и затем элеватором – в расходный бункер. Схема организации техпроцесса магнитной формовки представлена на рис. 7.5.

Важнейшая технологическая операция процесса получения отливок по выжигаемым моделям – это изготовление самой пенополистирольной модели. В простейшем случае она вырезается из пенополистирольной плиты горячей нитью и склеивается. Однако, чаще всего, для изготовления пенополистирольной модели используется специальный прессавтомат (аналогичный термопластавтоматам). Основные узлы автомата - станина, механизм впрыска (или вдува гранул), механизм запирания прессформы, системы опрыскивания, охлаждения, обогрева, бункер, цилиндр пластификации, гидро и электрооборудование.

В автоматах могут изготавливаться пенополистирольные модели размерами от 25 до 5000 см³, производительность автоматов – до 300 запрессовок в час, усилие запирания – до 50 кН, давление на материал в цилиндре пластификации до 150 МПа, температура в цилиндре от 110⁰С до 220⁰С, время охлаждения пресс-формы 20-60 с.