При литье шаблон представляет собой копию отливаемого объекта, используемую для формирования полости песчаной формы, в которую заливают расплавленный металл во время процесса литья . После того, как модель была использована для формирования полости песчаной формы, модель удаляется. Затем в полость песчаной формы заливают расплавленный металл для производства отливки. Модель не подлежит расходованию и может быть повторно использована для изготовления дальнейших песчаных форм практически бесконечно.
В связи с тем, что почти все металлы сжимаются или сжимаются при падении температуры, отливочные модели должны быть большего размера, чем фактическая отливка, которую они будут производить. Например, усадка алюминиевого литья составляет ~ 1,3%, поэтому модель для литой алюминиевой детали будет на 1,3% больше, чем сама литая деталь. [1] [2]
Модели, используемые при литье в песчаные формы, могут быть изготовлены из дерева, металла, пластика или других материалов. Модели изготавливаются в соответствии со строгими стандартами конструкции, чтобы они могли прослужить разумный период времени в зависимости от качества создаваемой модели и чтобы они воспроизводимо обеспечивали отливку приемлемых размеров. [3]
Изготовление выкроек, называемое изготовлением выкроек (иногда называемое изготовлением выкроек или изготовлением выкроек ), представляет собой квалифицированную профессию, связанную с изготовлением инструментов, штампов и форм , но также часто включает в себя элементы тонкой обработки дерева . Модельеры (иногда называемые модельерами или модельерами ) приобретают свои навыки в ходе ученичества и профессионально-технических училищ на протяжении многих лет опыта. Хотя инженер может помочь в разработке выкройки, обычно проект выполняет модельщик. [4]
Обычно материалами, используемыми для изготовления выкроек, являются дерево, металл или пластик. Также используются воск и гипс , но только для специализированных целей. Древесина сахарной сосны — наиболее часто используемый материал для узоров, прежде всего потому, что она мягкая, легкая и с ней легко работать. Красное дерево Гондураса использовалось для изготовления большего количества деталей, поскольку оно тверже и прослужит дольше, чем сосна. После правильного высыхания он примерно так же стабилен, как и любая доступная древесина, не подвержен короблению или скручиванию. После того как выкройка построена, литейный цех не хочет, чтобы она меняла форму. Настоящее красное дерево Гондураса сейчас найти труднее из-за уничтожения тропических лесов, поэтому теперь под красным деревом продаются различные виды древесины . Модели из стекловолокна и пластика приобрели популярность в последние годы, поскольку они водонепроницаемы и очень долговечны. Металлические модели долговечны и не поддаются влаге, но при повреждении они тяжелее, дороже и их сложнее отремонтировать. [5]
Восковые модели используются в альтернативном процессе литья, называемом литьем по выплавляемым моделям . Для этой цели используется комбинация парафина , пчелиного воска и карнаубского воска . В этом случае восковой «узор» выплавляется из полости формы, которая обычно представляет собой твердый гипсоподобный материал, а не песок, поэтому восковой «узор» можно использовать только один раз. [5]
Парижский гипс обычно используется при изготовлении мастер-матриц и форм, поскольку он быстро затвердевает и обладает большой гибкостью на этапе схватывания. [5]
Изготовитель моделей или инженер-литейщик решает, где относительно модели будут размещены литники , литниковые системы и стояки . Если в отливке желательно наличие отверстия, можно использовать стержень , который определяет объем или место в отливке, куда не будет затекать металл. Иногда перед формованием на поверхность модели можно поместить холодцы , которые затем формуются в песчаную форму. Охлаждающие устройства представляют собой радиаторы, которые обеспечивают локальное быстрое охлаждение. Быстрое охлаждение может быть желательно для улучшения зеренной структуры или определения последовательности замораживания расплавленного металла, который заливают в форму. Поскольку они имеют гораздо более низкую температуру и часто представляют собой металл, отличный от того, что льют, они не прикрепляются к отливке, когда отливка остывает. Затем озноб можно утилизировать и использовать повторно.
Проектирование системы подачи и пропускания обычно называют методологией или проектированием методов . Это может осуществляться вручную, в интерактивном режиме с использованием САПР общего назначения или в полуавтоматическом режиме с использованием специального программного обеспечения (например, AutoCAST ).
Узоры изготавливаются из дерева, металла, керамики или твердого пластика и различаются по сложности.
Выкройка из цельного куска или свободная выкройка является самой простой. Это копия желаемой отливки - обычно немного большего размера, чтобы компенсировать сжатие предполагаемого металла. Закрытые модели соединяют несколько свободных структур вместе с рядом бегунов, которые отделяются после встряхивания. Сегментированные или состоящие из нескольких частей шаблоны создают отливку из нескольких частей, которые необходимо соединить при постобработке.
Шаблоны матчевых пластин — это шаблоны, в которых верхняя и нижняя части шаблона, также известные как верхняя и нижняя части, установлены на противоположных сторонах доски. Эта адаптация позволяет быстро формовать модели из формовочного материала. Похожий метод, называемый шаблоном захвата и перетаскивания, часто используется для крупных отливок или больших производственных циклов: в этом варианте две стороны шаблона монтируются на отдельных шаблонных пластинах, которые можно подключить к горизонтальным или вертикальным машинам и формовать с помощью формовочный материал. Если линии разделения между верхом и перетяжкой неровные, можно использовать доску для поддержки свободных рисунков неправильной формы.
Шаблоны развертки используются для симметричных форм, которые представляют собой контурные формы, вращающиеся вокруг центральной оси или полюса через формовочный материал. Рисунок развертки — это форма скелетного рисунка: любой геометрический рисунок, который создает форму путем перемещения через формовочный материал.
Скелетный рисунок вступает в игру, когда вся установка из дерева или металла обходится дороже. Обычно он изготавливается как часть, в которой некоторые промежутки остаются незаполненными, а эти незаполненные части заполняются или покрываются суглинистым песком или глиной. Доска для обшивки или доска для зачистки используются для соскабливания лишней глины, если она нанесена на зазоры. Например, корпус турбины, колена грунтовых и водопроводных труб, корпуса и коробки клапанов.
Чтобы компенсировать любые изменения размеров, которые могут произойти в процессе (твердого) охлаждения, в шаблоне обычно делаются допуски. [6]
Почти все металлы уменьшаются в объеме во время затвердевания, это называется жидкостной усадкой. Другой способ сказать, что почти все металлы подвергаются увеличению объема при плавлении или температуре ликвидуса. Типичная «объемная усадка» находится в диапазоне от 3,5% до 10,0% в зависимости от сплава. Некоторые графитовые чугуны при отливке более тяжелых сечений в хорошо контролируемых условиях могут демонстрировать небольшой положительный выход текучести. Тип металла также известен и используется благодаря своей способности выдерживать правильную и острую отливку и сохранять правильные размеры после охлаждения. Обычно при изготовлении инженерных литых деталей «метод» разрабатывается вместе с образцом - это размер, количество и расположение стояков. Кроме того, по «методу» также проектируются водосточные стойки, направляющие и затворы. Таким образом, «метод» обеспечивает доставку расплавленного металла, правильное заполнение формы и заполнение стояков для «подачи» «сжимающегося объема» жидкости в отливку во время затвердевания. Этот «метод» выполняется «инженером-методистом», который может быть модельщиком (с дополнительной подготовкой), инженером-литейщиком или металлургом, знакомым с концепцией увеличения / потери объема, связанной с плавлением и литьем / затвердеванием. Пример: предположим, что сталь имеет плотность 7,85 (твердая) и усадку 6%, или, лучше сказать, увеличение объема на 6% при расплавлении. Была изготовлена форма для отливки блока массой 100 кг, исходя из твердой плотности стали. Плотность стали в жидком состоянии составляет всего 94% от ее плотности в твердом состоянии - около 7,38 в жидком состоянии. Таким образом, когда блок массой 100 кг (твердый расчет) наполнен жидкостью, его масса составляет всего 94 кг. 6 кг должны быть поданы из «стояка» или «питателя» во время затвердевания — таким образом, твердый объект теперь имеет массу 100 кг. Этот метод представляет собой систему борьбы с потерей объема во время затвердевания. Это (технически) не пособие.
Этот дополнительный размер, указанный на выкройке для усадки металла, называется «припуском на усадку». Эти значения обычно составляют от 0,6% до 2,5%. Это учитывается с помощью правила сокращения , которое является правилом превышения размера . Правила усадки обычно доступны для обычных промышленных литых сплавов. Альтернативно, Patternmaker просто добавит назначенный процент ко всем размерам. Пример этого припуска: если втулка должна иметь внешний диаметр 1500 мм, внутренний диаметр 1000 мм и высоту 300 мм с использованием правила сжатия 2%: Модельер сделает шаблон внешним диаметром 1530 мм (по мере его сжатия). , 1020 I/D (поскольку материал имеет тенденцию сжиматься по направлению к центру или центру тяжести) – важно отметить, что припуск добавляется даже к внутреннему диаметру, поскольку материал имеет тенденцию контактировать по направлению к центру. [7] Используемый сердечник либо состоит из рассыпчатого песка, либо в центре сердечника имеется достаточно полого пространства, позволяющего металлу расширяться. Наконец, размер высоты составит 306 мм.
Степень сжатия также может немного варьироваться в зависимости от песчаной системы, используемой для формы и любых стержней, например песка на связке глины, песка на химической связке или других связующих материалов, используемых в песке. Точные значения могут различаться на разных литейных заводах в зависимости от используемых песчаных систем. Каждый литейный завод, проверяя свои собственные модели и отливки, может уточнить свои собственные припуски на усадку.
Усадку и сжатие снова можно разделить на усадку жидкости и сжатие твердого вещества . Жидкостная усадка – это уменьшение объема в процессе затвердевания (от жидкого к твердому), усадка жидкости учитывается стояками. Твердая усадка – это уменьшение размеров при охлаждении (твердого) литого металла. Припуск на сокращение учитывает только сплошное сокращение.
Когда выкройку необходимо извлечь из песчаной формы, существует вероятность того, что передние кромки могут отломиться или повредиться в процессе. Чтобы избежать этого, на шаблоне предусмотрена конусность, чтобы облегчить извлечение шаблона из формы и, следовательно, уменьшить повреждение краев. Указанный угол конуса называется углом уклона . Величина угла уклона зависит от сложности рисунка, типа формовки (ручная или машинная), высоты поверхности и т. д. Уклон, обеспечиваемый при отливке, обычно составляет от 1 до 3 градусов на наружных поверхностях (от 5 до 8 внутренних поверхностей). [7]
Качество поверхности, получаемое при отливках в песчаные формы, как правило, плохое (неточные размеры), и поэтому во многих случаях отлитое изделие подвергается таким процессам механической обработки , как точение или шлифование , чтобы улучшить качество поверхности. В процессе механической обработки часть металла удаляется из детали. Чтобы компенсировать это, при отливке должен быть предусмотрен припуск на механическую обработку (дополнительный материал, иногда называемый зеленым). [7] Размер припуска зависит от материала отливки, размеров отливки, объема производства, способа формования и т. д.
Обычно при извлечении рисунка из полости формы рисунок постукивают по всем граням, чтобы облегчить извлечение. В этом процессе конечная полость увеличивается. Чтобы компенсировать это, размеры выкройки необходимо уменьшить. Стандартных размеров этой надбавки не существует, поскольку она сильно зависит от персонала. Эта надбавка является отрицательной надбавкой, и обычным способом обойти эту надбавку является увеличение надбавки за призыв. Встряхивание модели приводит к увеличению полости формы и увеличению размера отливки. [7]
Во время охлаждения формы напряжения, возникающие в твердом металле, могут вызвать деформации отливки. Это более очевидно, когда форма тоньше по ширине по сравнению с ее длиной. Устранить это можно, изначально исказив рисунок в противоположную сторону. [6]
Для литья металлов в песчаные формы по-прежнему необходимы шаблоны. Для производства отливок из серого чугуна, ковкого чугуна и стали наиболее широко используемым процессом остается литье в песчаные формы. Что касается алюминиевых отливок, то литье в песчаные формы составляет около 12% от общего тоннажа по весу (превышает только литье под давлением - 57%, а также полупостоянные и постоянные формы - 19%; по данным поставок 2006 года). Точный процесс и модель оборудования всегда определяются объемом заказа и конструкцией отливки. Отливка в песчаные формы позволяет производить от одной детали до миллиона копий.
Хотя методы аддитивного производства , такие как SLS или SLM, потенциально могут заменить литье в некоторых производственных ситуациях, литье еще далеко не полностью вытеснено. Везде, где он обеспечивает подходящие свойства материала по конкурентоспособной цене за единицу , он будет оставаться востребованным.
Распространенными типами узоров являются:
1) Рисунок из отдельных частей
2) Рисунок из разделенных частей
3) Рисунок из свободных частей
4) Рисунок из решеток
5) Рисунок из совмещенных частей
6) Рисунок из развертки
7) Рисунок «Вернуться и перетащить»
8) Рисунок «Скелет»
9) Рисунок из ракушек
10) Рисунок в виде доски
11) Рисунок из сегментов