Литьё под высоким давлением

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

Рф = pм*Vф

где pм — плотность жидкого металла;

Vф — скорость потока в пресс-форме.

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.

Максимальное усилие подпрессовки должно развиваться прессующим механизмом машины не в момент начала затвердевания отливки, а почти сразу после окончания заполнения пресс-формы.

Характер движения металла в оформляющей полости зависит от скорости выпуска, соотношения толщины питателя и отливки, вязкости и поверхностного натяжения заливаемого сплава, тепловых условий его взаимодействия со стенками пресс-формы. На основе скоростных киносъёмок процесса движения металла в прозрачной пресс-форме установлено, что при литье с малыми скоростями выпуска возможно заполнение даже ламинарным потоком, со средними скоростями – сплошное турбулентное заполнение. При высоких скоростях выпуска поток разбивается, заполнение становится дисперсным. Однако заполнение полости форм ламинарным, турбулентным или дисперсным потоком возможно лишь при получении образцов или отливки простой формы.

Большая часть отливок, используемых в машиностроении и приборостроении, имеет сложную конфигурацию с утолщениями, бобышками, приливами и переходами, поэтому даже дисперсное заполнение в чистом виде наблюдается редко. Реальное заполнение отливок сложной конфигурации - последовательное превращение дисперсного потока, образовавшегося в месте удара струи о стенку форы, в сплошной турбулентной подпор.

Таким образом, часть полости формы заполняется дисперсным потоком, а удаленные от питателя сечения полости заполняются сплошным турбулентным потоком. Соотношение дисперсных и турбулентных потоков зависит от скорости впуска, толщины отливки и сложности конфигурации, главным образом от числа поворотов в полости формы.

2.2 Тепловой режим процесса формирования  отливки

Обеспечивает подвижность сплава как в период заполнения формы, так и в процессе подпрессовки. Он связан с высокой интенсивностью теплового взаимодействия жидкого металла со стенками массивной пресс-формы.

Процесс охлаждения металла можно разделить на 2 периода:

1 - охлаждение жидкого металла  при движении его в литниковой  системе и оформляющей жидкости. На этом этапе важно правильно  выбрать продолжительность заполнения, чтобы предупредить образование неслитин, пористости и оксидных плен;

2 период - затвердевание металла после заполнения пресс-формы. На этом этапе необходимо создать условия направленного затвердевания металла отливки. Соблюдение принципов направленного затвердевания зависит от технологичности конструкции отливки, температуры заливаемого сплава и температуры пресс-формы.

Тепловой режим определяет не только качество отливок, но и стойкость формы. Одна из основных причин разрушения поверхностных слоёв матриц и пуансонов и появление на отливках так называемых следов разгара формы—это возникновение температурных напряжений во вкладыше. Долговечность пресс-формы, как показали результаты исследований В. Т. Рождественского, зависит от величины максимальных температурных напряжений и коэффициента линейного температурного расширения материала пресс-формы. Кроме того, она снижается из-за активного силового взаимодействия между охлаждающимся сплавом и нагревающимися рабочими частями формы.

Тепловой режим, определяющий условия формирования отливки, связан с высокой скоростью затвердевания жидкого металла, которая возрастает при охлаждении формы водой или терморегулирующей жидкостью. Терморегулирование рабочей полости пресс-формы необходимо для стабилизации и выравнивания тепловых условий в различных по толщине сечениях отливки.

Для обеспечения свариваемости отдельных потоков металла до его затвердевания с целью предупреждения неслитин, пористости и оксидных плен продолжительность заполнения не должна превышать доли секунды. При разработке теплового режима большое значение имеет расчет продолжительности заполнения формы. Как отмечалось выше, отливки сложной конфигурации заполняются последовательно дисперсно-турбулентным потоком. В этом случае продолжительность заполнения Тзап определяется при условии, что дисперсный характер движения соответствует первому периоду заполнения, а турбулентный — второму. По продолжительности заполнения, определенной на основании рассмотрения тепловых условий в форме, подсчитывают технологическую скорость прессования:

Vпр = mотл/(рм*Fпр*тзап)

где mотл — масса отливки;

Fпр — площадь поперечного сечения камеры прессования.

При создании благоприятных тепловых условий, обеспечивающих сохранение жидкотекучести металла в литниковых каналах и полости формы, особенно в наиболее тонких её сечениях, возможно осуществить подпрессовку. Наиболее эффективно она используется на машинах с горизонтальной камерой прессования. Подпрессовка в процессе кристаллизации сплава сжимает газовые включения, уменьшает усадочную пористость и улучшает структуру металла.

Эффективность подпрессовки зависит от продолжительности достижения максимального значения давления в процессе кристаллизации сплава. Чем меньше это время, тем выше её эффект. Современные гидравлические схемы машин литья под давлением позволяют добиться снижения времени подпрессовки до 0,016с. На основании расчёта гидродинамического и теплового режимов процесса определяют параметры прессующего механизма машины литья под давлением. Машины для литья под давлением должны иметь механизм или систему подачи рабочей жидкости в прессующий цилиндр, обеспечивающую заданное конечное давление при подпрессовке. Чаще всего для этого используют мультиплицирующие механизмы, которые позволяют не только повысить давление, но и уменьшить пиковое давление гидравлического удара.

Раскрытие и закрытие пресс-формы осуществляются запирающим механизмом, который одновременно используется и для выталкивания отливки. В современных конструкциях машин литья под давлением применяют запирающие механизмы четырех типов: гидравлические, гидрорычажные, гидроклиновые и комбинированные (гидроклинорычажные). Наиболее широко распространены гидрорычажные запирающие механизмы.

3 НОМЕНКЛАТУРА ОТЛИВОК, ПОЛУЧЕННЫХ  ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Литьё под давлением занимает одно из ведущих мест в литейном производстве. В отечественной и зарубежной практике этим способом получают отливки, по конфигурации и размерам наиболее близкие к готовым деталям из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Изготовление отливок из стали, чугуна, титановых и других тугоплавких сплавов еще не получило широкого применения, что объясняется в основном низкой стойкостью оформляющих частей и высокой стоимостью материалов для пресс-форм.

Производство отливок из алюминиевых сплавов в различных странах составляет 30—50% общего выпуска (по массе) продукции литья под давлением. Следующую по количеству и разнообразию номенклатуры группу отливок представляют отливки из цинковых сплавов. Магниевые сплавы для литья под давлением применяют реже, что объясняется их склонностью к образованию горячих трещин и более сложными технологическими условиями изготовления отливок. Однако следует отметить, что отливки из магниевых сплавов почти в 1,5 раза легче отливок из алюминиевых сплавов и лучше обрабатываются резанием, причем магний не налипает на поверхности стальных пресс-форм и не приваривается к ним. Получение отливок из медных сплавов ограничено низкой стойкостью пресс-форм.

Номенклатура выпускаемых отечественной промышленностью отливок очень разнообразна. Этим способом изготовляют литые заготовки самой различной конфигурации массой от нескольких грамм до нескольких десятков килограмм.

Современные конструкции машин литья под давлением, создающие давления на металл до 800 МПа и скорости прессования до 7 м/с, позволяют получать крупногабаритные и сложные по конфигурации отливки, например блок цилиндров автомобиля «Москвич» массой 18,6 кг. Эти отливки изготовляют из сплава системы алюминий—кремний—медь на машине с усилием запирания 20000 кН. В отливках множество литых отверстий, толщина стенки 4—5 мм. Они проходят испытания на герметичность при давлении 15 МПа. Пресс-форма для такой отливки весит около 2т. Применение эффективной подпрессовки дает возможность получать очень плотные герметичные детали, такие, как алюминиевый корпус отопительной батареи. Заполнение этой тонкостенной крупногабаритной отливки металлом сопровождается активным захватом газов из полости пресс-формы, однако высокое давление (выше 400 МПа) обеспечивает высокую степень сжатия воздушных и газовых включений. Применение такой отливки не только снижает массу отопительной системы, улучшает теплообмен, экономит энергоресурсы и металл, повышает производительность труда и снижает себестоимость продукции, но и облагораживает интерьер.

Некоторые отливки имеют сложные криволинейные поверхности и каналы, которые при заданных точности и шероховатости и экономической целесообразности не могут быть выполнены никакими другими способами, кроме как литьем под давлением, например головка блока цилиндров и диск вентилятора компрессора. Эти отливки имеют значительную толщину стенки (до 12 мм), что позволяет использовать направленное затвердевание, при увеличенной толщине питателя, создающего оптимальные гидродинамические и тепловые условия подпрессовки.

Разработанные в отечественной промышленности технология и оборудование литья под давлением позволяют получать отливки, толщина стенки которых в некоторых местах равна 1 мм, например детали фотоаппаратуры. На специально созданной специализированной машине и с применением вакуума, термостатирования формы и других технологических приёмов были получены отливки с толщиной стенки 0,6 мм.

Расширяется область применения литья под давлением магниевых сплавов. Наряду с использованием этих сплавов для корпусных деталей пишущих машинок, приборов, биноклей, фото- и киноаппаратуры, бензопил они успешно применяются в авиационной технике для деталей, несущих определённую нагрузку. Например, фирма Volkswagen(ФРГ) изготавливает из магниевых сплавов диски колёс спортивных автомобилей, а Мелитопольский завод «Автоцветлит» - детали мотора автомобилей. Литьём под давлением можно получать отливки с внешней или внутренней резьбой: барашковые гайки и винты, колпачковые гайки с фигурными головками, штепсельные разъёмы. Литая резьба также имеет более постоянный профиль, который является негативным отпечатком резьбовой вставки пресс-формы, выполняемой с точностью, значительно превосходящей обычную точность обработки на резьбонарезных станках. Качество поверхности литой резьбы выше, чем механически нарезанной, так как рабочие поверхности пресс-формы шлифуют и полируют. Литьём под давлением можно изготавливать отливки со специальной резьбой, которую почти невозможно бой, которую почти невозможно получить другим способом, например прямоугольную или спиральную резьбу треугольного профиля для ниппелей, ввинчиваемых в гибкие шланги.

Литьём под давлением можно получать отливки с разнообразной арматурой из стали, чугуна, меди, бронзы и других материалов. Армирование отливок пустотелыми вкладышами или криволинейными трубками позволяет получать каналы и полости сложнейшей конфигурации.

Наряду с конструкторскими задачами, армирование помогает решить ряд технологичных проблем. Например, использование арматуры в качестве холодильников позволяет регулировать процесс затвердевания массивных частей отливки. Армирование отливок стальными и чугунными элементами даёт экономию дефицитных цветных сплавов. Армированное литьё под давлением позволяет во многих случаях заменить сборку отдельных узлов изделий.

Отливки из алюминиевых, магниевых и медных сплавов, так же как и отливки из чугуна, стали и титановых сплавов, получают на машинах с холодной камерой прессования. Отливки из цинковых сплавов изготовляют преимущественно на машинах с горячей камерой прессования.

Отливки из цинковых сплавов наиболее часто используют в производстве автомобилей и товаров народного потребления (дверные и мебельные замки, зажимы застежек «молния», детали швейных машин). В автомобильной промышленности из цинковых сплавов изготовляют детали приборов и декоративные детали типа ручек, решеток, корпусов фар. Благодаря хорошим литейным свойствам и высокой механической прочности этих сплавов из них можно делать крупные и тонкостенные детали. Например, панель облицовки радиатора автомобиля Dodge (США) имеет массу 9 кг и длину 1790 мм при толщине стенки 1,8 мм. В отечественной промышленности самой крупной деталью из цинкового сплава, изготовляемой на машине с горячей камерой прессования, является решетка радиатора автомобиля «Жигули». Отливка имеет массу 2,7 кг, длину 1054, ширину 270 мм и среднюю толщину стенки 1,25 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время процесс литья под давлением развивается в трех направлениях, обусловленных конфигурацией отливок и требованиями к их качеству:

• литьё с низкими скоростями впуска через толстые питатели, обеспечивающие заполнение пресс-формы сплошными потоками и эффективную подпрессовку; применяют для получения толстостенных отливок несложной конфигурации, к которым предъявляют высокие требования по прочности и герметичности;
• литьё с высокими скоростями впуска через тонкие питатели с образованием дисперсного заполнения; применяют для получения тонкостенных отливок сложной конфигурации, к которым предъявляются высокие требования по качеству поверхности и чёткости рельефа;
• литьё со средними скоростями выпуска с образованием совмещённых турбулентных и дисперсных потоков; требует подпрессовки, применяется для получения отливок с неравной толщиной стенок, пористость уменьшает установкой фильтров, промывников или изменением газового режима пресс-формы.