Литье в постоянные формы — это процесс литья металла , в котором используются формы многократного использования («постоянные формы»), обычно изготавливаемые из металла . Наиболее распространенный процесс использует гравитацию для заполнения формы, однако также используется давление газа или вакуум . Разновидность типичного процесса литья под действием силы тяжести, называемая литьем в луженую форму , производит полые отливки. Распространенными литейными металлами являются алюминиевые , магниевые и медные сплавы. Другие материалы включают сплавы олова , цинка и свинца , а также железо и сталь, которые также отливаются в графитовых формах. [1] [2]
Типичные продукты — это такие компоненты, как шестерни , шлицы , колеса , корпуса шестерен , фитинги труб , корпуса впрыска топлива и поршни автомобильных двигателей . [1]
Существует четыре основных типа литья в постоянные формы: гравитационное, литье под давлением, литье под низким давлением и вакуумное литье.
Гравитационный процесс начинается с предварительного нагрева формы до 150–200 °C (302–392 °F), чтобы облегчить течение и уменьшить термическое повреждение отливки. Затем полость формы покрывается огнеупорным материалом или промывкой формы, что предотвращает прилипание отливки к форме и продлевает срок ее службы. Затем устанавливаются любые песчаные или металлические стержни , и форма закрывается зажимом. Затем в форму заливается расплавленный металл . Вскоре после затвердевания форма открывается, и отливка извлекается, чтобы уменьшить вероятность горячих разрывов . Затем процесс начинается снова, но предварительный нагрев не требуется, поскольку тепла от предыдущей отливки достаточно, а огнеупорное покрытие должно выдерживать несколько отливок. Поскольку этот процесс обычно выполняется на заготовках большого объема производства, для покрытия формы, заливки металла и извлечения отливки используется автоматизированное оборудование. [3] [4] [5]
Металл заливается при самой низкой практической температуре, чтобы свести к минимуму трещины и пористость. [4] Температура заливки может сильно варьироваться в зависимости от материала литья; например, цинковые сплавы заливаются при температуре около 370 °C (698 °F), а серый чугун заливается при температуре около 1370 °C (2500 °F). [1]
Формы для литья состоят из двух половин. Формы для литья обычно изготавливаются из серого чугуна, поскольку он имеет наилучшую стойкость к термической усталости , но другие материалы включают сталь, бронзу и графит. Эти металлы выбираются из-за их стойкости к эрозии и термической усталости. Они обычно не очень сложны, поскольку форма не обладает способностью складываться, чтобы компенсировать усадку. Вместо этого форма открывается, как только отливка затвердевает, что предотвращает горячие разрывы. Можно использовать стержни, которые обычно изготавливаются из песка или металла. [4] [5]
Как указано выше, форма нагревается перед первым циклом литья, а затем используется непрерывно, чтобы поддерживать максимально равномерную температуру во время циклов. Это снижает термическую усталость, облегчает течение металла и помогает контролировать скорость охлаждения литого металла. [5]
Вентиляция обычно происходит через небольшую щель между двумя половинками формы, но если этого недостаточно, то используются очень маленькие вентиляционные отверстия. Они достаточно малы, чтобы выпустить воздух, но не расплавленный металл. Также необходимо включить стояк для компенсации усадки. Это обычно ограничивает выход менее чем до 60%. [5]
Механические выталкиватели в виде штифтов используются, когда покрытия недостаточны для извлечения отливок из форм. Эти штифты размещаются по всей форме и обычно оставляют небольшие круглые отпечатки на отливке. [ необходима цитата ]
Литье всплеском — это разновидность литья с постоянным формованием для создания полой отливки или полого литья . В процессе материал заливается в форму и охлаждается до тех пор, пока в форме не образуется оболочка из материала. Оставшуюся жидкость затем выливают, оставляя полую оболочку. Полученная отливка имеет хорошую детализацию поверхности, но толщина стенок может варьироваться. Этот процесс обычно используется для литья декоративных изделий, таких как подсвечники , основания ламп и статуи , из материалов с низкой температурой плавления. [2] Похожая техника используется для изготовления полых шоколадных фигурок на Пасху и Рождество . [6]
Метод был разработан Уильямом Бритеном в 1893 году для производства свинцовых игрушечных солдатиков . Он использует меньше материала, чем литье в цельном виде, и приводит к более легкому и менее дорогому продукту. Полые литые фигурки обычно имеют небольшое отверстие, куда выливалась лишняя жидкость. [ необходима цитата ]
Аналогичным образом, процесс, называемый литьем под давлением, используется в производстве автомобильных приборных панелей для мягких панелей салона с искусственной кожей, где свободно текучая (ведущая себя как жидкость) порошковая пластиковая смесь, либо ПВХ, либо ТПУ, заливается в горячую полую форму, и образуется вязкая оболочка. Избыток шлама затем сливается, форма охлаждается, и формованное изделие вынимается. [7]
Литье под низким давлением в постоянную форму ( LPPM ) использует 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 жидкости, что заставляет расплавленный металл подниматься по огнеупорной заливочной трубе и, наконец, попадать в нижнюю часть формы. Заливочная труба простирается до дна ковша, так что материал, проталкиваемый в форму, является исключительно чистым. Не требуются стояки, поскольку приложенное давление вдавливает расплавленный металл, чтобы компенсировать усадку. Выход обычно превышает 85%, поскольку стояка нет, и любой металл в заливочной трубе просто падает обратно в ковш для повторного использования. [2] [8]
Подавляющее большинство литья LPPM изготавливается из алюминия и магния, но некоторые из них из медных сплавов. Преимущества включают в себя очень малую турбулентность при заполнении формы из-за постоянного давления, что сводит к минимуму газовую пористость и образование шлака . Механические свойства примерно на 5% лучше, чем у литья под давлением в постоянные формы. Недостатком является то, что время цикла больше, чем у литья под давлением в постоянные формы. [8]
Вакуумное литье в постоянные формы сохраняет все преимущества литья LPPM, плюс растворенные газы в расплавленном металле сведены к минимуму, а чистота расплавленного металла еще лучше. Процесс может обрабатывать тонкостенные профили и дает превосходную отделку поверхности . Механические свойства обычно на 10–15 % лучше, чем при гравитационном литье в постоянные формы. Процесс ограничен по весу от 0,2 до 5 кг (от 0,44 до 11,02 фунта). [8]
Основными преимуществами являются многоразовая форма, хорошая отделка поверхности, хорошая размерная точность и высокая производительность. Типичные допуски составляют 0,4 мм для первых 25 мм (0,98 дюйма) для первого дюйма) и 0,02 мм для каждого дополнительного сантиметра (0,002 дюйма на дюйм); если размер пересекает линию разъема, добавьте дополнительные 0,25 мм (0,0098 дюйма). Типичные поверхностные покрытия составляют от 2,5 до 7,5 мкм (100–250 мкдюймов) RMS . Требуется уклон 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 в себя простоту индуцирования направленного затвердевания путем изменения толщины стенки формы или путем нагрева или охлаждения частей формы. Быстрые скорости охлаждения, создаваемые при использовании металлической формы, приводят к более мелкозернистой структуре , чем при литье в песчаные формы. Выдвижные металлические стержни могут использоваться для создания поднутрений , сохраняя при этом быстродействующую форму. [2] [3]
Существует три основных недостатка: высокая стоимость инструмента, ограниченность легкоплавкими металлами и короткий срок службы формы. Высокая стоимость инструмента делает этот процесс неэкономичным для небольших производственных циклов. Когда процесс используется для литья стали или чугуна, срок службы формы чрезвычайно короткий. Для металлов с более низкой температурой плавления срок службы формы больше, 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, изготовленные из серого чугуна, могут быть более экономичными в производстве, но имеют короткий срок службы формы. С другой стороны, формы, изготовленные из инструментальной стали H13, могут иметь срок службы формы в несколько раз больше. Температура заливки зависит от литейного 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, то возникают ошибки , но если температура формы слишком высокая, то время цикла увеличивается, а эрозия формы увеличивается. Большие различия в толщине сечения в форме или отливке также могут сократить срок службы формы. [5]