Литье в постоянные формы — это процесс литья металла , в котором используются многоразовые формы («постоянные формы»), обычно изготовленные из металла . В наиболее распространенном процессе для заполнения формы используется сила тяжести, однако также используются давление газа или вакуум . Вариация типичного процесса гравитационного литья, называемая литьем из слякоти , позволяет получить полые отливки. Обычными литейными металлами являются сплавы алюминия , магния и меди . Другие материалы включают олово , цинк и сплавы свинца , а железо и сталь также отливаются в графитовых формах. [1] [2]
Типичными продуктами являются такие компоненты, как шестерни , шлицы , колеса , корпуса шестерен , фитинги для труб , корпуса впрыска топлива и поршни автомобильных двигателей . [1]
Существует четыре основных типа литья в постоянные формы: гравитационное, слякотное, низкое давление и вакуум.
Гравитационный процесс начинается с предварительного нагрева формы до 150–200 ° C (300–400 ° F). для облегчения течения и уменьшения термического повреждения отливки. Затем полость формы покрывают огнеупорным материалом или промывкой формы, что предотвращает прилипание отливки к форме и продлевает срок ее службы. Затем устанавливаются песчаные или металлические стержни и форма закрывается зажимами. Затем в форму заливают расплавленный металл . Вскоре после затвердевания форму открывают и отливку удаляют, чтобы уменьшить вероятность образования горячих разрывов . Затем процесс начинается заново, но предварительный нагрев не требуется, поскольку тепла от предыдущей отливки достаточно, а огнеупорное покрытие должно выдержать несколько отливок. Поскольку этот процесс обычно выполняется на заготовках больших объемов производства, для нанесения покрытия на форму, заливки металла и снятия отливки используется автоматизированное оборудование. [3] [4] [5]
Металл заливают при минимально возможной температуре, чтобы свести к минимуму трещины и пористость. [4] Температура заливки может сильно варьироваться в зависимости от отливочного материала; например, сплавы цинка разливаются при температуре примерно 370 ° C (698 ° F), а серый чугун — при температуре примерно 1370 ° C (2500 ° F). [1]
Формы для процесса литья состоят из двух половин. Литейные формы обычно изготавливаются из серого чугуна, поскольку он обладает наилучшей термостойкостью , но к другим материалам относятся сталь, бронза и графит. Эти металлы выбраны из-за их устойчивости к эрозии и термической усталости. Обычно они не очень сложны, поскольку форма не имеет возможности складываться, чтобы компенсировать усадку. Вместо этого форму открывают, как только отливка затвердевает, что предотвращает появление горячих разрывов. Можно использовать сердечники, которые обычно изготавливаются из песка или металла. [4] [5]
Как указано выше, форма нагревается перед первым циклом литья, а затем используется непрерывно, чтобы поддерживать как можно более равномерную температуру во время циклов. Это снижает термическую усталость, облегчает текучесть металла и помогает контролировать скорость охлаждения отлитого металла. [5]
Вентиляция обычно происходит через небольшую щель между двумя половинками формы, но если этого недостаточно, используются очень маленькие вентиляционные отверстия. Они достаточно малы, чтобы выпускать воздух, но не расплавленный металл. Также необходимо предусмотреть стояк, чтобы компенсировать усадку . Обычно это ограничивает выход до уровня менее 60%. [5]
Механические выталкиватели в виде штифтов применяют, когда покрытий недостаточно для удаления отливок из форм. Эти штифты размещаются по всей форме и обычно оставляют на отливке небольшие круглые отпечатки. [ нужна цитата ]
Литье в слякоть — это вариант постоянного формового литья для создания полой отливки или полой отливки . При этом материал заливают в форму и дают ему остыть до тех пор, пока в форме не образуется оболочка материала. Оставшуюся жидкость затем выливают, оставляя полую оболочку. Полученная отливка имеет хорошую детализацию поверхности, но толщина стенок может варьироваться. Этот процесс обычно используется для отливки декоративных изделий, таких как подсвечники , основания ламп и скульптуры , из материалов с низкой температурой плавления. [2] Подобная техника используется для изготовления полых шоколадных фигурок на Пасху и Рождество . [6]
Метод был разработан Уильямом Бритином в 1893 году для производства свинцовых игрушечных солдатиков . При этом используется меньше материала, чем при цельном литье, в результате получается более легкий и менее дорогой продукт. Полые литые фигурки обычно имеют небольшое отверстие, через которое сливалась лишняя жидкость. [ нужна цитата ]
Аналогичным образом, процесс, называемый формованием слякоти , используется при производстве автомобильных приборных панелей, для салонов мягких панелей с искусственной кожей, где сыпучий (который ведет себя как жидкость) порошковый пластиковый состав, ПВХ или ТПУ, заливается в горячую, образуется полая плесень и вязкая корка. Затем излишки кашицы сливают, форму охлаждают и отформованное изделие извлекают. [7]
При литье в постоянную форму низкого давления ( LPPM ) используется газ под низким давлением, обычно от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм (от 20 до 100 кПа), чтобы протолкнуть расплавленный металл в полость формы. Давление прикладывается к верхней части ванны с жидкостью, которая выталкивает расплавленный металл вверх по огнеупорной разливочной трубе и, наконец, на дно формы. Разливочная трубка доходит до дна ковша, поэтому материал, подаваемый в форму, остается исключительно чистым. Никаких стояков не требуется, поскольку приложенное давление выталкивает расплавленный металл, чтобы компенсировать усадку. Выход обычно превышает 85%, поскольку здесь нет стояка и весь металл в разливочной трубе просто падает обратно в ковш для повторного использования. [2] [8]
Подавляющее большинство отливок LPPM изготавливается из алюминия и магния, но некоторые из них представляют собой медные сплавы. К преимуществам относится очень небольшая турбулентность при заполнении формы из-за постоянного давления, что сводит к минимуму газовую пористость и образование окалины . Механические свойства примерно на 5% лучше, чем отливки, отлитые в постоянных формах под действием гравитации. Недостаток заключается в том, что продолжительность циклов больше, чем при литье в постоянные формы под действием гравитации. [8]
Вакуумное литье в постоянные формы сохраняет все преимущества литья LPPM, плюс количество растворенных газов в расплавленном металле сведено к минимуму, а чистота расплавленного металла еще лучше. Этот процесс позволяет обрабатывать тонкостенные профили и обеспечивает превосходное качество поверхности . Механические свойства обычно на 10–15 % лучше, чем отливки, отлитые в постоянных формах. Вес процесса ограничен от 0,2 до 5 кг (от 0,44 до 11,02 фунта). [8]
Основными преимуществами являются многоразовая форма, хорошее качество поверхности, хорошая точность размеров и высокая производительность. Типичные допуски составляют 0,4 мм для первых 25 мм (0,015 дюйма для первого дюйма) и 0,02 мм для каждого дополнительного сантиметра (0,002 дюйма на дюйм); если размер пересекает линию разъема , добавьте дополнительно 0,25 мм (0,0098 дюйма). Типичная чистота поверхности составляет от 2,5 до 7,5 мкм (100–250 мкдюйм) RMS . Необходима тяга от 2 до 3°. Толщина стенок ограничена от 3 до 50 мм (от 0,12 до 1,97 дюйма). Типичные размеры деталей варьируются от 100 г до 75 кг (от нескольких унций до 150 фунтов). Другие преимущества включают легкость индукции направленного затвердевания путем изменения толщины стенок формы или путем нагрева или охлаждения частей формы. Быстрая скорость охлаждения, создаваемая использованием металлической формы, приводит к более мелкозернистой структуре , чем при литье в песчаные формы. Выдвижные металлические стержни можно использовать для создания подрезов , сохраняя при этом форму быстрого действия. [2] [3]
Есть три основных недостатка: высокая стоимость инструмента, ограниченность металлов с низкой температурой плавления и короткий срок службы формы. Высокие затраты на оснастку делают этот процесс неэкономичным для небольших производственных партий. Когда этот процесс используется для литья стали или железа, срок службы формы чрезвычайно короток. Для металлов с более низкой температурой плавления срок службы формы выше, но термическая усталость и эрозия обычно ограничивают срок службы до 10 000–120 000 циклов. Срок службы формы зависит от четырех факторов: материала формы, температуры заливки, температуры формы и конфигурации формы. Формы из серого чугуна могут быть более экономичными в производстве, но имеют короткий срок службы. С другой стороны, формы, изготовленные из инструментальной стали H13, могут иметь срок службы в несколько раз больше. Температура заливки зависит от отливаемого металла, но чем выше температура заливки, тем короче срок службы формы. Высокая температура заливки также может вызвать проблемы с усадкой и увеличить время цикла. Если температура формы слишком низкая , возникают сбои в работе, но если температура формы слишком высокая, время цикла увеличивается, и эрозия формы увеличивается. Большие различия в толщине секций в форме или отливке также могут сократить срок службы формы. [5]