В литье модель — это копия отливаемого объекта, используемая для формирования полости песчаной формы, в которую заливается расплавленный металл в процессе литья. После того, как модель была использована для формирования полости песчаной формы, ее удаляют, а расплавленный металл заливают в полость песчаной формы для получения отливки. Модель не расходуется и может быть повторно использована для производства дополнительных песчаных форм практически бесконечно.
Из-за того, что почти все металлы сжимаются или усаживаются при понижении температуры, литейные модели должны быть сделаны больше по размеру, чем фактическая отливка, которую они произведут. Например, усадка алюминиевого литья составляет ~1,3%, поэтому модель для литой алюминиевой детали будет сделана на 1,3% больше, чем сама литая деталь. [1] [2]
Модели, используемые в литье в песчаные формы, могут быть сделаны из дерева, металла, пластика или других материалов. Модели изготавливаются в соответствии со строгими стандартами конструкции, чтобы они могли прослужить разумный период времени в соответствии с классом качества модели, которую строят, и чтобы они могли повторно обеспечивать размерно приемлемое литье. [3]
Изготовление шаблонов, называемое изготовлением шаблонов (иногда стилизованное изготовление шаблонов или изготовление шаблонов ), является квалифицированным ремеслом, которое связано с ремеслами изготовления инструментов и штампов и изготовления форм , но также часто включает элементы тонкой деревообработки . Шаблонисты (иногда стилизованные шаблонисты или шаблонисты ) приобретают свои навыки через ученичество и профессиональные училища на протяжении многих лет опыта. Хотя инженер может помочь спроектировать шаблон, обычно именно шаблонист выполняет проект. [4]
Обычно для изготовления шаблонов используются такие материалы, как дерево, металл или пластик. Также используются воск и гипс , но только для специализированных применений. Древесина сахарной сосны является наиболее часто используемым материалом для шаблонов, в первую очередь потому, что она мягкая, легкая и простая в обработке. Красное дерево из Гондураса использовалось для большего количества производственных деталей, потому что оно тверже и прослужит дольше, чем сосна. После надлежащей сушки оно примерно так же стабильно, как и любая доступная древесина, не подвержено короблению или скручиванию. После того, как шаблон создан, литейщик не хочет, чтобы он менял форму. Настоящее красное дерево из Гондураса сейчас труднее найти из-за уничтожения дождевых лесов, поэтому теперь существует множество видов древесины, продаваемых как красное дерево . Стекловолоконные и пластиковые шаблоны приобрели популярность в последние годы, потому что они водонепроницаемы и очень долговечны. Металлические шаблоны долговечны и не поддаются воздействию влаги, но они тяжелее, дороже и их трудно ремонтировать после повреждения. [5]
Восковые модели используются в альтернативном процессе литья, называемом литьем по выплавляемым моделям . Для этой цели используется комбинация парафинового воска , пчелиного воска и карнаубского воска . В этом случае восковая «модель» выплавляется из полости формы, которая обычно представляет собой твердый гипсоподобный материал, а не песок, поэтому восковую «модель» можно использовать только один раз. [5]
Для изготовления штампов и форм обычно используют гипс, поскольку он быстро набирает твердость и обладает большой гибкостью на стадии застывания. [5]
Модельщик или инженер-литейщик решает, где разместить литники , литниковые системы и стояки относительно модели. Если в отливке требуется отверстие, можно использовать стержень , который определяет объем или место в отливке, куда металл не будет затекать. Иногда перед формованием на поверхность модели могут быть помещены кокили , которые затем формуются в песчаную форму. Кокили являются теплоотводами, которые обеспечивают локальное быстрое охлаждение. Быстрое охлаждение может быть желательным для улучшения структуры зерна или определения последовательности застывания расплавленного металла, который заливается в форму. Поскольку они имеют гораздо более низкую температуру и часто представляют собой другой металл, чем тот, который заливается, они не прикрепляются к отливке, когда отливка остывает. Затем кокили можно извлечь и использовать повторно.
Проектирование системы подачи и литников обычно называют методологией или проектированием методов . Оно может быть выполнено вручную или интерактивно с использованием универсального программного обеспечения САПР, или полуавтоматически с использованием специального программного обеспечения (например, AutoCAST ).
Узоры изготавливаются из дерева, металла, керамики или твердого пластика и различаются по сложности.
Модель из одной части, или свободная модель, является самой простой. Это копия желаемой отливки — обычно немного большего размера, чтобы компенсировать усадку предполагаемого металла. Модели с затворами соединяют несколько свободных моделей вместе с серией литников, которые будут отсоединены после выбивки. Сегментированные или многокомпонентные модели создают отливку из нескольких частей, которые должны быть соединены при последующей обработке.
Шаблоны с плитами соответствия — это шаблоны с верхней и нижней частями шаблона, также известные как части крышки и тяги, установленные на противоположных сторонах доски. Эта адаптация позволяет быстро формовать шаблоны из формовочного материала. Похожая техника, называемая шаблоном крышки и тяги, часто используется для крупных отливок или крупных производственных циклов: в этом варианте две стороны шаблона устанавливаются на отдельных плитах шаблона, которые можно подключать к горизонтальным или вертикальным машинам и формовать с формовочным материалом. Когда линии разъема между крышкой и тягой неровные, можно использовать доску-след для поддержки неровных, свободных шаблонов.
Шаблоны развертки используются для симметричных форм, которые представляют собой контурные формы, вращающиеся вокруг центральной оси или полюса через формовочный материал. Шаблон развертки является формой скелетного шаблона: любой геометрический шаблон, который создает форму, перемещаясь через формовочный материал.
Скелетный шаблон вступает в игру, когда вся конструкция из дерева или металла стоит дороже. Обычно он изготавливается как часть с некоторыми незаполненными зазорами, и эти незаполненные части заполняются или покрываются суглинком, песком или глинами. Доска Strickle или Strike-off используется для соскабливания излишков глины, если она применяется к зазорам. Например, корпус турбины, колена грунтовых и водопроводных труб, корпуса клапанов и коробки.
Чтобы компенсировать любые изменения размеров, которые произойдут в процессе охлаждения (твердого тела), в шаблоне обычно делаются допуски. [6]
Почти все металлы уменьшаются в объеме во время затвердевания, это известно как усадка жидкости. Другими словами, почти все металлы увеличиваются в объеме при плавлении или температуре ликвидуса. Типичная «усадка объема» находится в диапазоне от 3,5% до 10,0% в зависимости от сплава. Некоторые графитовые чугуны, отлитые в более тяжелых секциях в хорошо контролируемых условиях, могут демонстрировать небольшой положительный предел текучести. Типовой металл также известен и используется за его способность удерживать точную и четкую отливку и сохранять правильные размеры после охлаждения. Обычно при изготовлении инженерных литых деталей «метод» разрабатывается вместе с шаблоном — размером стояка, количеством стояков и расположением стояков. Кроме того, в «методе» также проектируются литник(и), литник(и) и литник(и). Таким образом, «метод» обеспечивает подачу расплавленного металла, правильное заполнение формы и заполнение стояков для «подачи» «усаживающегося объема» жидкости в отливку во время затвердевания. Этот «метод» выполняется «инженером-методистом», который может быть модельщиком (с дополнительной подготовкой), инженером-литейщиком или металлургом, который знаком с концепцией увеличения объема / потери объема, связанной с плавлением и литьем / затвердеванием. Пример: предположим, что сталь имеет плотность 7,85 (твердое тело) и усадку 6% или, лучше сказать, увеличение объема на 6% при расплавлении. Была изготовлена форма для отливки блока весом 100 кг на основе плотности стали в твердом состоянии. Плотность стали в жидком состоянии составляет всего 94% от ее значения плотности в твердом состоянии — около 7,38 в жидком состоянии. Таким образом, когда блок весом 100 кг (твердый расчет) заполняется жидкостью, он содержит массу всего 94 кг. 6 кг должны подаваться из «подъемника» или «питателя» во время затвердевания — таким образом, твердый объект теперь имеет массу 100 кг. Метод представляет собой систему для решения проблемы потери объема во время затвердевания. Это (технически) не является допуском.
Этот дополнительный размер, который указан в шаблоне для сжатия металла, называется «допуском на сжатие». Эти значения обычно составляют от 0,6% до 2,5%. Это учитывается с помощью правила сжатия , которое является правилом с увеличенным размером . Правила сжатия, как правило, доступны для обычных литых в промышленности сплавов. В качестве альтернативы, шаблонизатор просто добавит назначенный процент ко всем размерам. Пример этого допуска - если втулка должна быть 1500 мм O/D, 1000 мм I/D и 300 мм высотой, используя правило сжатия 2%: шаблонизатор сделает шаблон 1530 мм O/D, (так как он будет сжиматься), 1020 I/D (так как материал имеет тенденцию сжиматься к центру или центру тяжести) - важно отметить, что допуск добавляется даже к внутреннему диаметру, так как материал имеет тенденцию контактировать к центру. [7] Используемый сердечник либо состоит из разрушающегося песка, либо в нем предусмотрено достаточно пустого пространства в центре сердечника, чтобы металл мог расширяться. Наконец, высота сердечника составит 306 мм.
Величина усадки также может немного варьироваться в зависимости от системы песка, используемой для формы и любых стержней, например, песок на глиняной связке, химически связанные пески или другие связующие материалы, используемые в песке. Точные значения могут различаться в зависимости от используемых систем песка. Каждый литейный завод, измеряя собственные модели и отливки, может уточнить свои собственные допуски на усадку.
Усадка и сокращение снова можно разделить на жидкостную усадку и твердотельную усадку . Жидкостная усадка — это уменьшение объема в процессе затвердевания (жидкость в твердое тело), жидкостная усадка учитывается стояками. Твердая усадка — это уменьшение размеров во время охлаждения (твердого) литого металла. Допуск на усадку учитывает только твердотельную усадку.
Когда модель необходимо извлечь из песчаной формы, существует вероятность того, что любые передние края могут отломиться или повредиться в процессе. Чтобы избежать этого, на модели предусмотрен уклон, чтобы облегчить извлечение модели из формы и, следовательно, уменьшить повреждение краев. Предусмотренный угол уклона называется углом уклона . Значение угла уклона зависит от сложности модели, типа формовки (ручная формовка или машинная формовка), высоты поверхности и т. д. Уклон, предусмотренный на отливке, обычно составляет от 1 до 3 градусов на внешних поверхностях (от 5 до 8 внутренних поверхностей). [7]
Поверхностная обработка, получаемая при литье в песчаные формы, как правило, плохая (неточная по размерам), и поэтому во многих случаях отлитое изделие подвергается процессам механической обработки, таким как точение или шлифование , чтобы улучшить качество поверхности. В процессе механической обработки часть металла удаляется из детали. Чтобы компенсировать это, в отливке следует указать припуск на механическую обработку (дополнительный материал, иногда называемый зеленым). [7] Величина припуска на чистовую обработку зависит от материала отливки, размера отливки, объема производства, метода формования и т. д.
Обычно при извлечении модели из полости формы модель обстукивается по всем граням, чтобы облегчить ее извлечение. В этом процессе конечная полость увеличивается. Чтобы компенсировать это, размеры модели должны быть уменьшены. Стандартных значений для этого допуска нет, так как он сильно зависит от персонала. Этот допуск является отрицательным допуском, и распространенным способом обойти этот допуск является увеличение допуска на черновой вариант. Встряхивание модели приводит к увеличению полости формы и приводит к более крупной отливке. [7]
Во время охлаждения формы напряжения, возникающие в твердом металле, могут вызывать искажения в отливке. Это более очевидно, когда ширина формы меньше ее длины. Этого можно избежать, изначально деформировав шаблон в противоположном направлении. [6]
Модели по-прежнему необходимы для литья металлов в песчаные формы. Для производства отливок из серого чугуна, ковкого чугуна и стали литье в песчаные формы остается наиболее широко используемым процессом. Для алюминиевого литья литье в песчаные формы составляет около 12% от общего тоннажа по весу (уступая только литью под давлением с 57% и полупостоянным и постоянным формам с 19%; на основе поставок 2006 года). Точный процесс и модельное оборудование всегда определяются объемами заказа и конструкцией литья. Литье в песчаные формы может производить как одну деталь, так и миллион экземпляров.
Хотя такие аддитивные производственные методы, как SLS или SLM, имеют потенциал для замены литья в некоторых производственных ситуациях, литье все еще далеко от полного вытеснения. Везде, где оно обеспечивает подходящие свойства материала по конкурентоспособной себестоимости единицы продукции , оно будет оставаться востребованным.
Распространенные типы шаблонов:
1) Модель цельной детали
2) Модель разделенной детали
3) Модель свободной детали
4) Модель с затвором
5) Модель соответствия
6) Модель развертки
7) Модель верха и перетаскивания
8) Модель скелета
9) Модель ракушки
10) Модель следования доске
11) Сегментная модель