Технология литья под давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• Аннотация
• 1. Основная часть
• 1.1 Литье под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования поршнем
• 1.1.1 Сущность литья под давлением
• 1.1.2 Краткие исторические сведения
• 1.1.3 Особенности получения отливок литьем под давлением
• 1.1.4 Движение расплава в пресс-форме
• 1.2 Особенности конструирования отливок литье под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования поршнем
• 1.2.1 Сплавы
• 1.2.2 Общие принципы конструирования литой детали
• 1.2.3 Дефекты отливок
• 1.3 Проектирование пресс-формы литье под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования поршнем
• 1.3.1 Конструирование деталей пресс-формы
• 1.3.2 Материал изготовления пресс-формы
• 1.4. Причины разрушения пресс-формы
• 1.4.1 Термическая усталость пресс-форм
• 1.4.2 Термостойкость пресс-форм
• 1.4.3 Необратимые формоизменения в пресс-форм
• 1.4.4 Износостойкость пресс-форм
• 1.4.5 Ремонт пресс-формы
• 1.5 Пути повышения стойкости пресс-формы
• 1.5.1 Конструкционные методы повышения стойкости пресс-формы
• 1.5.2 Термические методы повышения стойкости
• 1.5.3 Технологические методы повышения стойкости
• 1.5.4 Поверхностная обработка повышения стойкости пресс-формы
• 1.6 Цель и задачи исследования
• 1.7 Научная гипотеза, объект и предмет исследования
• Заключение
• Список использованных источников
• Введение

Процесс литья под давлением имеет более чем вековую историю.

Наиболее точные машиностроительные заготовки получаются способом литья под давлением главными его преимуществами являются возможность получения заготовок с минимальными припусками на механическую обработку или без нее и минимальной шероховатостью необрабатываемых поверхностей, обеспечение высокой производительности и низкой трудоемкости изготовления деталей, преимущественно из сплавов на основе цинка и алюминия, тогда как широкое развитие производства отливок из сплавов на основе меди и железа тормозится из-за низкой стойкости пресс-форм. В связи с этим возникла необходимость изыскания путей повышения стойкости пресс-форм для изготовления отливок из высокотемпературных сплавов и особенно из алюминиевых сплавов [1].

Отливки изготовляют в формах (пресс-формах, штампах), состоящих из пуансона (прессующего узда), матрицы, толкателей и съемников. Верхнюю плиту с закрепленными на ней деталями прессующего узла монтируют на ползуне пресса, а нижнюю плиту с размещенными на ней матрицей и механизмом выталкивания отливки - на столе пресса.

Процесс литья под давлением заключается в том, что расплав под действием собственной силы тяжести заливают в матрицу, затем пуансоном осуществляют окончательное оформление контуров отливки и последующее ее уплотнение (выдержку под давлением) до окончания затвердевания. После извлечения из пресс-формы (ПФ) отливку можно подвергать различным видам дующей обработки (термической и механической).

Способом литья под давлением изготовляют простые и сложные по конфигурации заготовки из чистых металлов и сплавов на основе алюминия, железа, магния, меди и цинка, используя для этой цели как специализированные, так и не специализированные гидравлически прессы и машины. Технологический процесс изготовления отливок из сплавов цветных металлов внедрен в производство на многих предприятия нашей страны и за рубежом;

Литья под давлением сплавов на основе железа (чугун, сталь) внедрено на отдельных заводах [2].

В технологии литья под давлением произошли значительные изменения, были разработаны новые машины и средства автоматизации, появилось оборудование, обеспечивающее высокие скорости и усилия прессования, контроль и регулирование в широких пределах технологических режимов литейного процесса.

Рассматриваются вопросы проектирования пресс-форм, условия их работы, причины разрушений материалы, применяемые для изготовления деталей пресс-форм, соприкасающихся с жидким металлом, а также стойкость пресс-форм пути ее повышения.

Повышать стойкость пресс-форм можно различными способами, из которых наиболее доступными и эффективными являются следующие: правильный выбор материалов для деталей вкладышей и стержней; выбор оптимальной температуры для подогрева пресс-форм и автоматическое ее регулирование в заданном уровне; применение промежуточного отпуска для снятия остаточных напряжений; хромирование или фосфотирование рабочей полости пресс-форм; применение смазок, снижающих температуру контакта и не ухудшающих качества поверхности отливок. Эффективность указанных мероприятий определяется конструкцией рабочей полости пресс-форм.

Аннотация

Данная работа содержит пути оптимизации технической схемы ЛПД на машинах с холодной горизонтальной камерой прессования в условиях ОАО «АПЗ». рассматриваются возможности улучшения длительности работы пресс-формы путем изменения ее конструкции, методами термических обработок, технологическим путем повышения стойкости пресс-формы а так же применением различных покрытий, которые продлевают срок службы пресс-формы.

This paper contains a technical path optimization schemes ATD on machines with horizontal cold chamber die in conditions of "APL". The thesis discusses the possibility of improving the length of the mold by changing its structure, methods of thermal treatments, a technological way to increase the resistance of the mold as well as the use of various coatings that extend the life of the mold.

1. Основная часть

1.1 Литье под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования поршнем

1.1.1 Сущность литья под давлением

Литье под давлением - процесс получения точных и фасонных отливок, основанный на заполнении расплавленным металлом стальных форм под давлением поршня. Этим способ отливаются под давлением детали из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Литье под давление является высокопроизводительным и экономичным процессом, позволяющим получать отливки настолько точные, что последующая механическая обработка сводиться к минимуму, либо совершенно исключается [3].

1.1.2 Краткие исторические сведения

Впервые литье под давлением было применено Г. Бруссом в 1838 г. при изготовлении литер с изображением букв для газетопечатных машин. В 1839 г. был взят первый патент на поршневую машину для заливки металла под давлением. В машиностроении литье под давлением начали применять с 1849 г. для производства мелких деталей из оловянно-свинцовых сплавов. Машина конструкции В. Стуржиса, используемая для этих целей, имела ручной поршневой привод, с помощью которого в камере прессования, расположенной внутри тигля с расплавленным металлом, создавалось давление 100--150 Па. В 60-х годах прошлого века литье под давлением стали применять для изготовления отливок из сплавов на цинковой основе. В поисках повышения производительности ручной привод в поршневых машинах заменили пневматическим. В конце XIX в. были сделаны попытки использовать для литья под давлением алюминиевые, а затем и медные сплавы. По словам JI. Фроммера, «история развития литья под давлением есть в то же время история постепенного преодоления трудностей, возникавших благодаря применению все более тугоплавких и обладающих все более неблагоприятными литейными свойствами сплавов»

Процесс литья под давлением имеет более чем вековую историю. Главными его преимуществами является возможность получения заготовок с минимальными припусками на механическую обработку или без неё и минимальной шероховатостью необработанных поверхностей, обеспечение высокой производительности и низкой трудоёмкости изготовления деталей.

В 1940г. завод «Красная Пресня» изготовил машину мод. ЛД-7 с вертикальной камерой прессования - это было началом отечественного производства необходимого для литья под давлением оборудования. Позже этим же заводом было освоено производство машин с горизонтальной холодной камерой прессования. Машины такого типа нашли наибольшее распространение в промышленности. Это объясняется простотой и надежностью конструкции такой камеры. Кроме того, в машинах с горизонтальной холодной камерой прессования потери теплоты жидким металлом и гидравлическое сопротивление на пути его движения в полость пресс-формы меньше, чем в машинах с вертикальной камерой, в результате исключения литникового хода. Это позволяет снизить температуру заливки сплава, уменьшить пористость и осуществить эффективную подпрессовку отливки после окончания заполнения формы. Машины с горизонтальной камерой прессования имеют более высокую производительность, чем машины с вертикальной камерой, так как поршень выталкивает пресс-остаток в момент раскрытия пресс-формы без дополнительных затрат времени.

Отечественное машиностроение выпускает машины с холодной горизонтальной камерой прессования с усилием запирания 1000-- 35000 кН. Большая часть современных машин имеет механизм прессования с мультипликацией давления рабочей жидкости в период подпрессовки. Дальнейшее совершенствование машин для литья под давлением направлено по пути повышения скоростей движения прессующего поршня с бесступенчатым регулированием скорости на различных этапах заполнения пресс-формы при одновременном снижении гидравлического удара в момент перехода от заполнения к подпрессовке. Отечественная промышленность выпускает в основном машины литья под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования и автоматизированные комплексы и линии на их базе. Молдавское ПО «Точлитмаш» специализируется на выпуске машин с усилием запирания до 6000 кН, а ПО «Сиблитмаш» - до 35000 кН. За рубежом машины литья под давлением и автоматизированные комплексы на их базе выпускают фирмы Vihorlat Snina (ЧССР), Litostroj (Югославия), фирма Buhler (Швейцария), JDRA, Itallpress (Италия), Frech (ФРГ), Ube, Toshiba (Япония), Lester, Gabler (США) [3].

1.1.3 Особенности получения отливок литьем под давлением

Технология литья под давлением. Расход расплава через питатель.

При литье под давлением теплообмен между расплавом и пресс-формой происходит с интенсивностью значительно большей, чем при литье в кокиль, так как на рабочую поверхность пресс-формы наноситься лишь слой смазочного материала, имеющий толщину несколько микрометров и небольшое термическое сопротивление. Регулирование этого термического сопротивления может осуществляться в достаточно узких пределах. Ограниченными являются и возможности изменения температуры пресс-формы перед заливкой или температуры расплава. Повышение температуры пресс-формы удлиняет технологический цикл, так как увеличивается продолжительность охлаждения отливки, что вызывает опасность ее схватывания с пресс-формой, поломок отливки и пресс-формы при выталкивании, а также приводит к риску попадания расплава в вентиляционную систему и ухудшению условий удаления газов из пресс-формы, увеличивает пористость отливки. Кроме того, к снижению стойкости пресс-формы приводит повышение температуры сплава.

Таким образом, возможности регулирования их температуры ограничены.

Дня получения отливки без неслитин и неспаев, вызванных охлаждения потока расплава в пресс-формы, продолжительность заполнения пресс-формы не должна быть больше некоторой определённой величины. Соответственно этому расход V расплава через питатель должен удовлетворять условию: V?V₁, где V₁ - расход расплава через питатель, при котором появляется вероятность образования дефектов поверхности отливок. Поскольку воздух и газы от смазочного материала удаляются из пресс - формы через вентиляционные каналы, размеры которых незначительны, при больших расходах расплава воздух и газы не успевают удалиться из пресс - формы и могут образовать недопустимые газовые дефекты в отливке. Поэтому, чем меньше расход V расплава через питатель, тем больше степень удаления воздуха и газов и пресс - формы при соответствующей конструкции вентиляционной и литниковой систем. В этой связи расход V расплава через питатель ограничен таким значением расхода V₂, пи котором воздух и газы удаляются из пресс - формы в количестве, необходимом для обеспечения заданного качества отливки по газовым дефектам (пористости, плотности, герметичность): V?V₂.

Таким образом, для получения отливки без неслитин, неспаев, с хорошим качеством поверхности и требуемым уровнем плотности необходимо, чтобы расход V расплава через питатель удовлетворял условию V₁ < V < V2.

Оптимальный расход V расплава через питатель зависит от литейных свойств материала отливки, размеров, конфигурации, толщины стенки, предъявляемых к отливке требований по качеству поверхности, плотности и герметичности, от конструкции литниковой и вентиляционной систем и других условий производства. Так, первое ограничение V, можно понизить путем использования сплава с большей жидкотекучестью (например, сплав марки АК7 (системы А1 - Si), который обладает значительно меньшей жидкотекучестью, чем тот же сплав марки АК12). Повысить допустимое значение V₂ можно, используя смазочные материалы с меньшей газотворной способностью, а также удаляя газообразные продукты из пресс-формы до начала прессования другими способами.

Расход V расплава через питатель определяется скоростью расплава в питателе и площадью, его поперечного сечения, поэтому практическое регулирование расхода V может осуществляться изменением указанных параметров.

Площадь поперечного сечения питателей на практике назначают с учетом толщины стенки отливки, удобства отделения от нее литников. Естественно, что толщина питателя не может быть больше толщины стенки отливки в месте подвода расплава, а ширины питателя должна обеспечить легкое его отделение от отливки.

Скорость расплава в питателе регулируется изменением скорости движения пресс-поршня. Ее максимально допустимое значение имеет различные ограничения, по одним из которых расплав не должен смывать смазочный материал с рабочих поверхностей пресс-формы и вступать с ними в механическое взаимодействие с вероятностью эрозионного воздействия расплава на пресс-форму,

В свою очередь, размеры питателя влияют не только на расход расплава и соответственно на продолжительность заполнения формы, но и на возможность передачи давления прессования на затвердевающий расплав. Если размеры питателя будут такими, что он затвердеет раньше отливки < , то давление на затвердевшую отливку будет действовать в течение времени от момента окончания заполнения пресс-формы до окончания затвердевании питателя: . Если , то давление на расплав в пресс-форме будет действовать в течение всего времени затвердевания отливки и объем усадочных пор в ней будет меньше вследствие передачи расплава из камеры прессования в отливку через питатель.

Такой способ используют для массивных отливок с повышенными требованиями по плотности и герметичности. Однако при этом усложняется отделение литников от отливки, так как их толщина практически равна толщине тела отливки. Во многих случаях эти требования к отливкам могут быть обеспечены путем создания большего давления в пресс-форме до затвердевания питателя. При этом питатель делают тоньше тела отливки, а требуемый расход расплава обеспечивают за счет высокой скорости его впуска в пресс-форму.

Толщина питателя и скорость впуска влияют на характер движения расплава в пресс-форме, процессы удаления воздуха и газов из пресс-формы и в конечном счете на качество отливки, ее плотность.

Таким образом, при литье под давлением наиболее важным в формировании отливки является этап заполнения пресс-формы расплавом. При этом наряду с тепловыми условиями формирования отливки решающее влияние на ее качество оказывают условия удаления из пресс-формы воздуха и газообразных продуктов разложения, а также характер движения расплава в пресс-форме [5].

1.1.4 Движение расплава в пресс-форме

При литье под давлением основными факторами, определяющими формирование отливки, являются давление в камере прессования и пресс-форме, скорости движения поршня и впуска жидкого металла в форму, параметры литниково-вентиляционной системы, температуры заливаемого металла и формы, режимы смазывания и охлаждения рабочей полости формы и камеры прессования.

Совокупность таких параметров, как давление в потоке металла, скорость движения металла, противодавление, возникающее вследствие затрудненного удаления воздуха и газообразных продуктов сгорания смазочного материала, образует гидродинамический режим формирования отливки. Температуры заливаемого сплава и формы, продолжительность заполнения и подпрессовки, а также темп работы определяют тепловой режим процесса.

От правильного выбора технологических режимов заполнения и подпрессовки, определяющих конструкцию пресс-формы, тип и мощность машины для литья под давлением, зависит качество отливок.

Теоретические основы процесса литья под давлением разработаны на основе проведенных научных исследований и накопленного производственного опыта.

Гидродинамический режим формирования отливки создает кинетику заполнения, газовый режим формы, характер распределения газовых включений в отливке и качество рельефа ее поверхности. Давление в потоке металла возникает в результате сопротивления движению металла при прохождении его через тонкие сечения полости пресс-формы и обтекании стержней, при поворотах, сужениях и расширениях потока. В случае отсутствия сопротивления величина гидродинамического давления в потоке определяется противодавлением воздуха и газов, удаление которых затруднено из-за невозможности выполнения вентиляционных каналов большого сечения.

Четкость оформления рельефа и шероховатость поверхности отливки зависят от кинетической энергии потока. В момент окончания его движения создается гидродинамическое давление на стенки пресс-формы.

Высокая скорость впускаемого потока (скорость впуска) соответствует получению тонкостенных крупногабаритных отливок сложных очертаний. Высокие скорости впуска и потока в пресс-форме создаются в результате быстрого перемещения прессующего поршня. Для преодоления сопротивления затвердевающей массы металла в тонких сечениях оформляющей полости, а также сопротивления газов, остающихся в отливке, необходимо высокое гидростатическое давление. Оно передается от прессующего поршня через литниковый питающий канал. Чем позже затвердеет питатель, тем продолжительнее действие давления. Процесс передачи гидростатического давления в полость пресс-формы называется подпрессовкой. Использование утолщенных питателей позволяет осуществить подпрессовку и питание отливки жидким металлом в период кристаллизации и тем самым устранить усадочные раковины.

Процесс движения металла в камере прессования и пресс- форме можно разбить на четыре фазы. На рисунке 1 приведены кривые изменения скорости х_пр перемещения прессующего поршня и давления р рабочей жидкости в цилиндре прессования за время хода поршня. Если пресс-форма заполняется сплошным потоком, то изменение давления металла в ее полости будет подобно изменению давления жидкости в цилиндре. За время ф₁ поршень перекрывает заливочное отверстие (фаза I). Скорость поршня х_пр1 небольшая. Значение с соответствует давлению, необходимому для преодоления трения в гидравлическом цилиндре и камере прессования. Период ф₂ (фаза II) соответствует заполнение металлом под действием поршня всего объема камеры прессования, вплоть до литниковых каналов. Скорость поршня начинает возрастать и достигает максимального значения х_пр2 (на машин современных моделей возможна еще одна ступень повышения скорости в период заполнения). Давление с₂ больше с₁ на величину гидравлических сопротивлений в камере прессования.



Рисунок 1 - Изменение скорости прессующего поршня в давления в цилиндре прессования за время хода поршня

В период времени ф₃ (фаза III) заполняется литниковая система и полость пресс-формы. Вследствие резкого сужения потока в питателе скорость падает до х_пр3, а давление с₃ повышается. При меньших значениях максимальной скорости давление в фазах II и III также падает (штриховые линии). В момент окончания хода поршня происходит гидравлический удар вследствие итерационных сил подвижных частей прессующего механизма, давление возрастает. После затухания колебания устанавливается конечное гидростатическое давление с₄ и начинается фаза IV - подпрессовка. Величина конечного давления зависит от рода сплава, его состояния (вязкости, плотности), требований к отливке и других факторов. Она может изменяться от 0,50 до 50 кПа. Если к моменту достижения давления с₄ металл в питателе остается жидким или, как принято называть, жидкоподвижным, то это давление передается на затвердевающую отливку.

Максимальное усилие подпрессовки должно развиваться прессующим механизмом машины не в момент начала затвердевания отливки, а практически сразу по окончании заполнения пресс- формы [3].

Характер движения расплава и пресс-форме влияет на степень удаления воздуха и продуктов разложения смазочного материала из пресс-формы, на образование в отливках газовой пористости. По данным В. М. Пляцкого, А К. Белопухова, Л.Фроммера, В. Брандта, В.Онезоргера и других исследователей, характер движении расплава в пресс-форме зависит от скорости его впуска, геометрии и размеров питателя, вязкости и поверхностного натяжении расплава, условий его взаимодействия со стенками пресс-формы, условий удаления воздуха и газов из ее полости. Разным сочетанием этих факторов достигается разнообразие характеров заполнения полости формы: сплошным спокойным потоком с низкой его турбулентностью при литье с малыми скоростями впуска; сплошными турбулентным потоком при литье со средними скоростями впуска; дисперсным потоком при литье с высокими скоростями впуска.

При заполнении сплошным спокойным потоком струя расплава со скоростью и при выходе из питателя сохраняет форму до удара о стенку пресс-формы, а затем изменяет направление снижения рисунок 1. Критическая скорость, при которой сохраняется и спокойный характер движения расплава, зависит от вязкости расплава и других факторов. Так, с увеличением вязкости расплава (понижением его температуры или при заливке сплава в твердожидком состоянии) критические скорости, при которых сохраняется спокойный характер движения, возрастают.



Рисунок 2 - Схема заполнения пресс-формы сплошным спокойным (ламинарным) потоком: - толщина отливки; - толщина струи; - скорость потока

Если для жидкого расплава такой режим достигается при скоростях впуска до 0,3 м/с, то для расплава, находящегося в твердожидком состоянии, он сохраняется при скоростях впуска до 10... 15 м/с.

С увеличением толщины питателя критические скорости уменьшаются, турбулентность возрастает, что увеличивает пористость отливок.

При заполнении сплошным спокойным потоком создаются условия для последовательного заполнения пресс-формы расплавом и наиболее полного удаления газов из ее рабочей полости, что способствует уменьшению пористости и газовых включений в отливках. Однако реализовать такое движение расплава и использовать его на практике можно только для толстостенных отливок простой конфигурации из сплавов с широким интервалом крив кристаллизации при литье в твердожидком состоянии.

Заполнение сплошным турбулентным потоком жил ких сплавов проводят при скоростях впуска 0,5...50 м/с в зависимости от основы сплава и размеров питателя. В данной технологии сплошной турбулентный поток расплава, показан стрелкой на рисках 2 интенсивно захватывает воздух и продукты разложении смазочного материала, которые остаются в затвердевшей отливке. Отливка, полученная при таком режиме заполнения пресс-формы, как правило, содержит крупные газовые поры. Чем выше турбулентность, тем крупнее поры и ниже предел прочности материала отливки. По этим и другим причинам заполнение пресс - форм турбулентным потоком со средними скоростями впуска на практике используется лишь в тех случаях, когда к качеству от- 1Ники предъявляются низкие требования.

Рисунок 2 - Схема заполнения пресс-формы Сплошным турбулентным потоком (по стрелке): - удар струи в стенку; - толщина отливки; - толщина струи; - образование подпора; - заполнение формы

Заполнение пресс-формы дисперсным потоком происходит при скоростях впуска расплава выше 10...50 м/с и толщине питателя соответственно 3...0,25 мм, если расплав в питателе находится в жидком состоянии. При ударе о стенку формы рисунок 3 струя дробится на большое число отдельных капель, образующих дисперсную систему -- смесь с воздухом и продуктами разложения смазочного материала. Воздушные и газовые пузырьки, остающиеся в отливке, образуют мельчайшую пористость. Такая пористость в значительно меньшей степени снижает механические свойства отливки, чем при режиме заполнения сплошным турбулентным потоком.

Согласно гипотезе JI. С. Константинова наряду с отрицательным действием газы и воздух, находящиеся в отливке при затвердевании, оказывают и положительное влияние на процесс ее формирования. Давление в пузырьках воздуха и газов при заполнении формы равно давлению в турбулентном потоке, а по окончании заполнения -- давлению на расплав со стороны пресс - поршня. Так как из-за небольшого сечения питатель затвердевает значительно быстрее, чем сама отливка, действие давления пресс - поршня на затвердевающую отливку прекращается сравнительно быстро. При этом газы, заключенные внутри отливки и находящиеся под давлением, стремясь расшириться, давят на кристаллизующийся расплав и тем самым способствуют четкому формированию рельефа поверхности отливки, разнесению усадки и снижению вероятности образования трещин.

Рисунок 3 - Схема заполнения пресс-формы Дисперсным потоком (цифры - время от начала заполнения пресс - формы расплава миллисекундах)

Однако, по мнению Л.Е. Кисиленко, вблизи пор в металле отливки возникает сложное напряженное состояние, при этом напряжения могут принести к появлению микротрещин и увеличению транзитной пористости, резко снижающей герметичность отливки.

При заполнении расплавом полости формы сложной конфигурации реализация рассмотренных ранее механизмов движении расплава может иметь место на разных этапах заполнения и ни разных участках формы одновременно: на одних участках формы может образовываться дисперсный поток, на других -- турбулентный. Возможно также образование и застойных зон, заполняющихся расплавом с малыми скоростями. Таким образом, изложенные представления о механизмах процесса заполнения пресс-формы отражают, по существу, лишь возможные преобладают ни при том или ином режиме физические явления и их влияние ми формирование качества отливки.

Газовый режим пресс-формы. Для получения качественной отливки необходимо, чтобы при заполнении расплавом пресс-формы воздух и газы от разложения смазочного материала удалялись из нее, так как, оставшись в отливке, они ухудшают ее свойства.

Суммарный объем V_? газов, который должен быть удален из полости пресс-формы, определяется объемом V_К газов, поступающих в нее из камеры прессования и каналов литниковой системы; объемом рабочей полости пресс-формы, равным объёму V_о отливки, и объемом V_r газообразных продуктов разложения смазочного материала пресс-формы рисунок 4:

V_?= V_К + V_о + V_r.

Объем газов, поступающих из камеры прессования в рабочую полость пресс-формы, зависит от диаметра последней, дозы заливаемого в камеру расплава, конструкции машины и других факторов. Так, для машин с горизонтальной холодной камерой прессования объем газового пространства между зеркалом расплава стенками камеры и пресс-поршнем обычно составляет 0,25….0,4 общего объема камеры прессования. Величина V_K в этом случим должна также учитывать объем газообразных продуктов от смазочных материалов камеры и пресс-поршня и объем газов, покидающих камеру прессования при наличии у нее собственной вентиляционной системы.

Объем газов и воздуха, попадающих из горизонтальной холодной камеры прессования в полость пресс-формы, зависит также от скорости перемещения прессующего поршня и закономерности ее изменения по отдельным фазам прессования. Так, при движении пресс- поршня с постоянной скоростью уровень расплава h может соответствовать положениям 1--4 рисунок 4 а, или при скорости пресс-поршня соответственно меньше и больше скорости распространения волны на поверхности расплава. Однако и любом из этих случаев воздух и газы могут захватываются расплавом и далее оставаться в отливке. При ускоренном перемещении пресс - поршня рисунок 4, б, последний постоянно догоняет волну расплава, образующуюся при движении пресс-поршня в места, т.е. практически до начала заполнения расплавом литникового хода воздух и газы могут быть вытеснены в пресс-форму и далее из нее через систему вентиляции -- в атмосферу. Такой процесс движения пресс-поршня впервые реализован на машины фирмы «Buhler» (Швейцария).

В случае машин с вертикальной холодной или горячей камерой прессования величина V_K включает в себя лишь объем каналов литниковой системы. Объем V_r газов, выделяющихся при заполнении пресс-формы расплавом от разложения смазочного материала, В. Н.Зеленов предложил определять как зависимость площади F_ф поверхности рабочей полости пресс-формы, толщины h_CM слоя смазочного материала на этой поверхности, газотворной способности Z смазочного материала и его плотности р_см:

V_r=kF_фh_смZp_см

где k -- коэффициент, учитывающий степень разложения смазочного материала до газообразного состояния за время заполнении пресс-формы (k = 0 -- смазочный материал не подвергся разложению в пресс-форме; k = 1 -- случай полного разложения смазочного материала на газообразные продукты).

Для уменьшения объема V_r газообразных продуктов разложения используют высокоэффективные смазочные материалы, обладающие высокой термостойкостью (значение к близко к нулю), низкой газотворной Z и высокой смазывающей способностью. За счет последнего показателя удается снизить расход материала, его толщину h_см на рабочей поверхности, повысить качество отливок и уменьшить выбросы в окружающую среду.

Таким образом, исходя из приведенных соотношений и характера движения расплава в пресс-форме для литья под давлением, можно сделать вывод о том, что получение отливки с низкой пористостью только путем удаления газообразных продуктов из пресс-формы -- задача весьма сложная. Об этом свидетельствуют и практические данные. Поэтому на практике для уменьшения объем пор в отливках чаще прибегают к повышению давления прессования. Это хорошо иллюстрируется тенденцией изменения этот важного параметра технологического процесса -- от нескольких мегапаскалей в период становления процесса давление прессования со временем было повышено до нескольких десятков моги паскалей и в настоящее время давление прессования достигает 500 МПа. Эта тенденция привела к созданию весьма мощных металлоемких и энергоемких машин. Такой путь достижения низкой пористости и высокой плотности отливок тем не менее m единственный.

Рисунок 4 - Схема удаления газов из пресс-формы и камеры прессования

 - при движении пресс-поршня с постоянной скоростью; - при ускоренном движении пресс-поршня; - перемещение пресс-поршня; - время; - уровень расплава; стрелками на верхнем чертеже показано направление выхода газов; V_К,V_о,V_r - объем газов

Основной причиной, вызывающей необходимость высоких давлений прессования, является недостаточная вентиляция пресс-формы.

Для уменьшения газовой и воздушной пористости в отливках под давлением кроме повышенных давлений прессования, создании рациональных конструкций литниковой и вентиляционной систем пресс-формы, выбора оптимальных режимов литья - скорости прессования, температуры расплава и пресс-формы, давлении прессования - разработаны и используются в производственных условиях специальные способы литья под давлением, направленные на достижение тех же целей.

Производственная реализация этих специальных способов соприжена с дополнительными затратами, усложнением конструкций пресс-форм, машин литья под давлением и организации производственного процесса. Такие затраты можно считать оправданными только при необходимости изготовления отливок под давлением, к качеству которых предъявляются особые требования [4].

1.2 Особенности конструирования отливок литье под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования поршнем

В качестве материалов при изготовлении отливок применяются сплавы на основе олова; свинца, цинка, алюминия, магния, меди. В последние годы изучаются возможности изготовления отливок из сплавов на основе железа, никеля, кобальта и титана. Металлические сплавы в соответствии с температурой плавления обычно разделяют на пять групп.

Группа I. Особо легкоплавкие с температурой плавления до 100° С.

Группа II. Легкоплавкие с температурой плавления от 100 до 500° С. К этой группе относятся сплавы на основе олова, свинца и цинка.

Группа III. Среднеплавкие с температурой плавления от 500 до 800° С. К этой группе относятся сплавы на основе алюминия и магния.

Группа IV. Тугоплавкие с температурой плавления от 800 до 1800° С. К этой группе относятся сплавы на основе меди, железа, никеля, кобальта и титана.

Группа V. Особо тугоплавкие с температурой плавления более 1800° С.

По удельному весу металлические сплавы разделяют на четыре группы.

Группа I. Сверхлегкие с удельным весом до 2 г/см³. К этой группе Относятся сплавы на основе магния.

Группа II. Легкие с удельным весом от 2 до 3 г/см³. К этой группе относятся сплавы на основе алюминия.

Группа III. Тяжелые с удельным весом от 3 до 12 г/см³. К этой группе относятся сплавы на основе цинка, меди, железа, никеля, кобальта и титана.

Группа IV. Сверхтяжелые с удельным весом свыше 12 г/см³.

Сплавы, применяемые для изготовления отливок способом литья под давлением, должны обладать:

хорошей заполняемостью полости пресс-форм с тончайшими сложными рельефами, что обеспечивает получение высокого, качества поверхности отливок;

небольшой и равномерной литейной усадкой, что уменьшает склонность отливок к образованию трещин;

узким интервалом кристаллизации, что обеспечивает быстрое затвердевание отливок и повышает качество металла;

отсутствием склонности к физико-химическому взаимодействию с металлом пресс-формы, что уменьшает налипание, приваривание и диффузию металла отливки в пресс-форму [5].

1.2.1 Сплавы

Сплавы на основе олова. Отливки, получаемые способом литья под давлением из сплавов на основе олова, легко поддаются пайке мягким припоем, что и служит основанием для их применения при изготовлении деталей радиоаппаратуры, рентгеновского оборудования и некоторых приборов. Отливки имеют очень высокую точность, толщину стенок до 0,5 мм и очень чистую поверхность. Сплавы на основе олова обычно содержат 4 - 18% сурьмы и 1 - 33% - свинца.

Остальные теплофизические и механические свойства олова имеют следующие значения: Т_пл - 232° С, Т_кип - 2270° С, Q_пл = 13,9 ккал/кг, Q_исп = 720 ккал/кг, Е - 4000 ч 5620 кГ/мм², у = 2 ч З кГ/мм², д = 40%, НВ 10.

Сплавы на основе цинка. Отливки из цинковых сплавов нашли широкое применение в машиностроении. Выпуск литья под давлением из цинковых сплавов в разных странах колеблется от 50 до 70% от общего выпуска отливок, получаемых этим способом. Для изготовления отливок применяются нестареющие сплавы с алюминием типа ЦА 4 и стареющие алюминиево-медные сплавы ЦАМ 4-1, ДАМ 4-3 и ЦАМ 10-5.

Остальные теплофизические и механические свойства цинка имеют следующие значения: Т_пл - 419° С, Т_кип - 907° С, Q_пл = 24,4 ккал/кг, Е - 8000 ч 14000 кГ/мм², у = 4 ч 5 кГ/мм², НВ 30-40.

Сплавы на основе магния. Отливки из магниевых сплавов применяются реже других, что объясняется особыми требованиями к конструкции отливок и более сложными технологическими условиями их изготовления. Однако следует отметить, что отливки из магниевых сплавов в 1,5 раза легче отливок из алюминиевых сплавов, имеют лучшую чистоту поверхности и лучше обрабатываются. Магний не реагирует с рабочей поверхностью пресс-форм, не налипает и не приваривается. Указанные преимущества и привлекают внимание машиностроителей к отливкам из магниевых сплавов. Остальные теплофизические и механические свойства магния имеют следующие значения: Т_пл - 650° С, Т_кип - 1120° С, Q_пл = 89 ккал/кг, Q_исп = 1300 ккал/кг, Е - 4500 кГ/мм², у = 8 ч 11 кГ/мм², д = 4%, НВ 30. Сплавы на основе меди. Получение отливок из сплавов меди литьем под давлением из-за низкой стойкости пресс-форм не нашло еще широкого применения, хотя машиностроение в этом очень заинтересовано. Например, в США из сплавов меди изготовляют только 1 % отливок от общего выпуска. В последнее время в США при литье латуни в качестве материала пресс-форм применяют сплавы молибдена и вольфрама, что повышает стойкость пресс-форм, приводит к снижению стоимости отливок и увеличению их выпуска.

Для изготовления отливок применяют преимущественно латуни марок ЛС 59-1JI, ЛК 80-ЗЛ и реже ЛК 64-1 и ЛСК 60-1,5-3. Олово снижает пластичность сплава в горячем состоянии, поэтому его содержание ограничивают до 0,1%. Алюминий (до 0,1%) является полезной примесью, так как небольшое количество его задерживает шлакообразование в печи. Свинец улучшает обрабатываемость отливок и уменьшает склонность к налипанию жидкого металла на рабочие полости пресс-формы

Остальные теплофизические и механические свойства меди имеют следующие значения: Т_пл - 1083° С, Т_кип - 2360° С, Q_пл = 51 ккал/кг, Q_исп = 1290 ккал/кг, Е - 10800 ч 11700 кГ/мм², у = 20 ч 24 кГ/мм², д = 50%, НВ 37 [6].

Для литья под давлением наиболее широко используют алюминиевые сплавы, имеющие хорошее сочетание физических, механических и технологических свойств.

Целям повышения рентабельности производства, обеспечения централизации плавильного отделения и стабилизации технологических режимов служит унификация сплавов. Многие крупнейшие производства стремятся использовать всего один или два сплава. Анализ литературных и производственных данных показывает, что в качестве основных можно принять алюминиевые сплавы АЛ2, АЛ4 и АЛ32, цинковые ЦА4 и ЦА4М1, магниевый МЛ5, латуни ЛЦ40Сд и ЛЦ40МцЗЖ. Алюминиевые сплавы. На первой стадии развития литья под давлением в СССР применяли используемый для литья в кокиль сплав АЛ9 (7% Si и 0,3% Mg). Однако в отливках, полученных литьем под давлением, имела место повышенная пористость, поэтому стали использовать сплавы АЛ2 (12% Si) и АЛ4 (9% Si и 0,3% Mg) (ГОСТ 2685--75). Сплав АЛ2 обладает высокой жидкотекучестью, хорошими коррозионной стойкостью, теплопроводностью и электрической проводимостью. Его используют главным образом для крупных, сложных и тонкостенных отливок. К недостаткам сплава относятся плохая обрабатываемость резанием и более низкие по сравнению со сплавами, легированными магнием, медью и другими компонентами, механические свойства.

Сплав АЛ4 незначительно уступает сплаву АЛ2 по литейным свойствам, но обладает более высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и высокой коррозионной стойкостью. Он широко применяется и при изготовлении отливок литьем в кокиль.

В 60-е годы в СССР специально для литья под давлением был разработан сплав AJI32, который относится к сплавам системы AI - Si - и - Mg с добавками Мn и Ti. Химический состав этого сплава и содержание тех же элементов в сплавах, широко применяемых в США. Эти сплавы применяют для получения высокопрочных деталей литьем под давлением, в том числе блока цилиндров автомобильных двигателей. Меньшее содержание меди в сплавах AJI32 и А360 обеспечивает более высокую коррозионную стойкость. Сплавы этой системы обладают хорошей жидкотекучестью и высокими механическими свойствами, легко обрабатываются резанием.

В тех случаях, когда решающим фактором является высокая коррозионная стойкость, применяется сплав АЛ27 (10% Mg), который отлично сопротивляется коррозии в растворах щелочей и в кислотах, а также обладает высокими механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Однако этот сплав обладает низкими технологическими свойствами и требует выдерживания технологических параметров литья в узких пределах. Возможность его применения ограничивается сложностью конфигурации отливки, он не относится к группе тех сплавов, которые используют для унификации. Следует учитывать, что при высоких требованиях, когда не допускаются даже слабые следы коррозии, рекомендуется не переход на коррозионно-стойкий сплав, а специальная защита поверхности деталей.

Интервал кристаллизации сплава АЛ32 593--538 °С, сплава АЛ2 582--574 °С, сплава АЛ4 596--577 °С, сплава АЛ27 621--535 °С. Следует учитывать, что узкоинтервальные сплавы обеспечивают получение отливок с мелкозернистой эвтектикой. Литейщики обычно отдают предпочтение этим сплавам благодаря их хорошим литейным свойствам. Однако современные машины с механизмами, обеспечивающими эффективную подпрессовку, позволяют изготовлять качественные отливки из широкоинтервальных сплавов, причем более продолжительный период затвердевания дает возможность полнее использовать давление подпрессовки для уплотнения металла отливки.

1.2.2 Общие принципы конструирования литой детали

Основные преимущества литья под давлением (высокая производительность, точность размеров отливки и высокое качество поверхности) в полной мере могут быть реализованы в производстве только в том случае, если при конструировании литой детали учтены все особенности технологического процесса.

Под технологичностью литой детали подразумевают такое ее конструктивное оформление, которое, не снижая основных требований к конструкции, способствует получению заданных физико-механических свойств, размерной точности и шероховатости поверхности при минимальной трудоемкости изготовления и ограниченном использовании дефицитных материалов. Конструирование литой детали основано на анализе факторов характеризующих преимущества и недостатки технологически процесса литья под давлением по сравнению с другими способами литья. Чтобы полнее использовать возможности процесса литья под давлением, нужно уже на стадии конструирования литой детали учитывать все его особенности. Прежде всего, конструктора и технолога-литейщика должна связывать творческая работа. Это позволит создать конструкцию, не только отвечающую техническим требованиям при эксплуатации изделия, но полу отливку, отвечающую возможностям технологии литья под давлением при соблюдении экономической целесообразности ее получения на заданную программу выпуска. Высокая точности размеров, вызывающая необходимость иметь дорогостоящую оснастку высокая производительность, требующая сложного оборудования, ограничение размеров и массы отливок, а также и повышения содержание в них газов - все это требует создания оптимальных экономически целесообразных и технически выполнимых конструкции.

При разработке чертежа литой детали необходимо в первую очередь установить, какие требования являются определяющими для данного изделия при его эксплуатации: прочность, герметичность, жесткость, качество поверхности, внешний вид или эстетическая форма.

Детали, предназначенные для изготовления литьем под давлением, в зависимости от конфигурации их наружных и внутренних поверхностей можно условно подразделить на четыре группы сложности.

По назначению эти детали можно подразделить на три группы: прочные, герметичные и декоративные.

Для того чтобы обеспечить производство бездефектных отливок, необходимо, создавая чертеж литой детали, определить оптимальную плоскость разъема будущей пресс-формы и возможность формирования отверстий с помощью подвижных или неподвижных стержней. Литая деталь должна обладать конструкционной прочностью, жесткостью и герметичностью, быть технологичной. Рекомендации по конструктивному оформлению литой детали до последнего времени основываются на обобщении накопленного годами производственного опыта. Поскольку конструкции литых Деталей и технологии их изготовления непрерывно совершенствуются, то эмпирические методы ограничивают возможности получения отливок оптимальной прочности, надежности, металлоемкости и долговечности.

Если в технологии уже имеются научные подходы к выбору оптимальных режимов процесса получения деталей, разрабатываются типовые проектные решения технологических процессов с применением ЭВМ и проводятся работы по созданию систем автоматизированного проектирования (САПР) литейной технологии (ЛТ), то при конструировании литой детали количественный метод еще только начинает разрабатываться [7].

На конфигурацию литых деталей значительное влияние оказывают низкий модуль упругости, особенно магниевых сплавов и их чувствительность к местным концентрациям напряжений. Чтобы избежать деформаций и трещин, вызванных этими свойствами, по возможности следует использовать двутавровые, швеллерные, зетовые, цилиндрические и другие поперечные сечения рисунок 5.

Рисунок 5 - Поперечное сечение литых деталей

Габаритные размеры литой детали, а следовательно, и проекции ограничивают минимальную толщину ее стенки при данном усилии запирания машины литья под давлением. На толщину стенки влияет жидкотекучесть сплава и технология, а толщина стенки в свою очередь - на прочность и жесткость литой детали.

В зависимости от толщины стенки изменяется плотность отливки и ее механические свойства. С уменьшением толщины стенки литых деталей отлитых под давлением из сплава AЛ4, плотность р и временное сопротивление возрастают, а относительное удлинение уменьшается. Увеличение прочностных свойств объясняется возрастанием роли гидродинамического уплотнения в тонкостенных отливках. Оптимальное сочетание механических свойств (у_в = 250 МПа, д = 2%) наблюдается при толщине стенки 2,5 - 3 мм. Прочность литых деталей из цинковых сплавов при увеличении толщины стенки снижается не так значительно, как литых деталей из алюминиевых сплавов. При увеличении толщины стенки от 1,5 до 5 мм прочность алюминиевых деталей падает на 30%, а деталей из цинкового сплава - лишь на 20%.

Конструкция литой детали и толщина ее стенки зависят от соотношения пределов прочности при сжатии и растяжении. По данным М. Шенберга, при сжатии для магниевых сплавов временное сопротивление разрыву в 1,5 - 2 раза превышает временное сопротивление разрыву при растяжении. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе конфигурации элементов детали, так как нетехнологичные конструкции подвергаются растягивающим напряжениям, а технологичные - сжимающим.

Современные машины литья под давлением, развивающие в момент кристаллизации отливки высокие давления за короткий промежуток времени, позволяют изготовлять тонкостенные отливки с толщиной стенки 0,8 - 1,5 мм. Этому способствует разработка новых способов заполнения медленным сплошным потоком с последующей эффективной подпресовкой через утолщенные питатели. Сочетание оптимальных тепловых условий затвердевания с подпрессовкой дает возможность получать литьем под давлением толстостенные отливки из эвтектических сплавов с широким интервалом кристаллизации: заэвтектических силуминов (17-19% Si), термоупрочняемых сплавов системы Al - Si - Cu, магниевых сплавов, бронз и латуней [3].

1.2.3 Дефекты отливок

Качественная отливка отличается однородностью, сплошностью всех сечений и отсутствием дефектов поверхности. Следует учитывать, что не всякий дефект является браковочным признаком. Дефекты приводят к браку отливок в тех случаях, когда они снижают служебные свойства литой детали. В основном дефекты в отливках возникают в интервале температур кристаллизации сплава, поэтому важно правильно и полно использовать воздействие внешнего давления при формировании отливки из твердо- жидкого сплава. Давление способствует однородности внутреннего строения отливки и снижению ее пористости. Необходимо учитывать, что если при одном и том же технологическом режиме возникают различные дефекты, то это прежде всего следствие нестабильности работы машины. Все пустоты в теле отливки заполняются газами. Поэтому при нагреве отливок образуются вздутия на поверхности, что не позволяет производить упрочняющую термообработку.

Газовая пористость является наиболее часто встречающимся дефектом при литье под давлением. Она может образовываться как внутри, так и снаружи отливки, а также располагаться под внешней коркой на небольшой глубине. Главной причиной возникновения пористости является воздух и пары смазочного материала, захваченные из полости пресс-формы, литниковых каналов и незаполненного объема камеры прессования. Если поры изолированы друг от друга и размер их не превышает 0,1 мм, то их допустимость оговаривается в чертеже на литую деталь или технических условиях. При скоплении пор отливку забраковывают. Для предупреждения образования дефекта отливку следует изготовлять на машине с более высоким усилием прессования или обеспечить эффективную подпрессовку, увеличить ее выдержку, усилить охлаждение пресс-формы, особенно в области литниковой втулки, снизить температуру заливаемого металла, улучшить вентиляционную систему.

Изолированные поры обычно образуются в сечениях отливки, более утолщенных, чем основная стенка, когда подпрессовка недостаточна. Для устранения дефекта следует увеличить толщину питателя и усилие подпрессовки. Кроме того, желательно уменьшить гидросопротивление в полости пресс-формы и за счет плавных скруглений, выравнивания толщины стенок и последовательного вытеснения воздуха к вентиляционным каналам.

Газовая пористость часто проявляется в виде микропористости, вскрываемой только после травления полированного макрошлифа. Многие исследователи считали, что микропористость является результатом пульверизации потока при выходе его из щелевого питателя. Киносъемки процесса заполнения не подтвердили этого даже при больших скоростях впуска. Появление дефекта объясняется прежде всего дисперсностью скоростного потока жидкого металла при заполнении пресс-формы.

Газовая пористость проявляется чаще в более толстых сечениях отливки. В некоторых случаях она наблюдается в местах локального падения давления в потоке металла, в результате которого газы, попавшие в металл вместе с оксидами, выделяются из раствора. В этих случаях необходимо обеспечить эффективное удаление воздуха и газов за счет создания дополнительных вентиляционных каналов и промывников. Последние способствуют выравниванию давления в потоке. Чем мельче и равномернее распределена пористость по сечению, тем меньше ее влияние на прочность отливки. Однако если мелкая пористость незначительно влияет на ув, она сильно уменьшает значение д. Например, отливки из сплава АЛ9 при наличии дисперсной пористости имеют ув до 180 МПа и д?1,5%. в то время как при отсутствии пористости д = 4,5%.