Проект пресс-формы

Основным направлением совершенствования любого производства является модернизация известных и создание новых технологических процессов, позволяющих уменьшить расход материалов, снизить затраты труда и энергии, улучшить условия труда, устранить или уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и, в конечном счете, повысить эффективность производства и качество продукции. В настоящее время для получения литых деталей уже используется несколько десятков технологических процессов и их вариантов, обладающих достаточно широкой универсальностью или пригодных для изготовления узкой номенклатуры определенных отливок. Исторически сложилось деление этих способов на обычные, под которыми чаще всего подразумевают литье в песчано-глинистые формы, и специальные — это все остальные виды литья. С увеличением числа методов и вариантов получения отливок все острее ощущается необходимость в более четкой и детальной их классификации по основным общим признакам с целью систематизации изложения сущности разных методов, с тем чтобы облегчить понимание заложенных в них принципов и создание новых более эффективных способов литья.

 

 

 

1.3. Краткие исторические сведения

Впервые литье под  давлением было использовано в 1838 г. для изготовления типографского  шрифта. Позже этот процесс начали применять в машиностроении для изготовления мелких деталей из оловянно-свинцовых (1849) и цинковых (1860) сплавов. С этой целью были построены поршневые машины с горячей камерой прессования, пресс-поршень которых перемещался вручную с помощью рычажного механизма, и компрессорные машины, не имеющие подвижных частей, контактирующих с расплавом. Быстрому распространению данного метода литья в машиностроении способствовали его малооперационность и высокая производительность, при этом для получаемых отливок характерна низкая шероховатость поверхности, мелкозернистая структура и более высокие механические свойства по сравнению с отливками, получаемыми в песчаных формах.

В конце XIX в. на поршневых  машинах с горячей камерой  прессования и на компрессорных машинах с гузнеком начали получать отливки из алюминиевых сплавов. Сложность процесса заключалась в том, что в поршневых машинах происходило частое заклинивание пресс-поршня, а в компрессорных расплав насыщался газами, отливки имели высокую пористость и низкое качество поверхности.

В 1920-е гг. литье под  давлением стали применять в  точном машиностроении и приборостроении. Появились поршневые машины с горячей камерой прессования полуавтоматического и автоматического действия. Дальнейшее развитие получили компрессорные машины, в которых для повышения давления на расплав и снижения вероятности разрыва использован уравновешенный тигель. Такие машины стали прообразом современных установок для литья под низким (регулируемым) давлением. Это направление литья под давлением в дальнейшем получило самостоятельное развитие и промышленное воплощение. Затруднения при изготовлении отливок из алюминиевых сплавов на машинах с горячей камерой прессования привели к новым разработкам, в частности к созданию в 1924 г. фирмой «Ekkert» (Германия) и в 1928 г. фирмой «Ро1ак» (Чехословакия) машин с холодной камерой прессования. Эти машины получили широкое распространение, так как позволили повысить давление прессования, снизить вероятность заклинивания пресс-поршня в камере прессования (за счет меньшего проникания расплава в зазор между поршнем и стенками камеры прессования), открыли возможность производства отливок из алюминиевых и медных сплавов, а позже из сталей и сплавов на основе титана.

Высокая производительность процесса и его малооперационность наряду с растущими потребностями промышленности в массовом производстве высокоточных заготовок способствовали постоянному расширению номенклатуры получаемых литьем под давлением отливок и по материалам, и по их эксплуатационным характеристикам. С развитием теории и технологии литья под давлением, совершенствованием оборудования он находит все более широкое применение в автомобильной, электротехнической и приборостроительной промышленности для изготовления изделий авиационно-космического назначения и др., в том числе для отливок, подвергающихся упрочняющей термической обработке и работающих при высоких температурах.

 

1.4. Литье под давлением. Суть процесса. Основные операции. Область использования

Принцип процесса литья под давлением основан на принудительном заполнении рабочей полости металлической пресс-формы расплавом и формировании отливки под действием сил от пресс-поршня, перемещающегося в камере прессования, заполненной расплавом. В отличие от кокиля рабочие поверхности пресс-формы, контактирующие с отливкой, не имеют огнеупорного покрытия. Это приводит к необходимости кратковременного заполнения пресс-формы расплавом и действия на кристаллизующуюся отливку избыточного давления, в сотни раз превосходящего гравитационное. Современный процесс, реализуемый на специальных гидравлических машинах, обеспечивает получение от нескольких десятков до нескольких тысяч отливок разного назначения в час с высокими механическими свойствами, с низкой шероховатостью поверхности и размерами, соответствующими или максимально приближенными к размерам готовой детали. Толщина стенки отливок может быть менее 1,0 мм, а масса — от нескольких граммов до десятков килограммов. Так, одна из самых сложных и уникальных отливок, изготовляемых в России, — V-образный блок цилиндров автомобильного двигателя — имеет массу  около 23 кг.

В зависимости  от конструкции камеры прессования  различают машины с холодной (рис. 1) и горячей (рис. 2) камерами прессования.

Основные  операции технологического процесса находятся в зависимости от конструктивного решения камер прессования:

• на машинах с холодной камерой прессования после подготовки пресс-формы 1 (рис. 1, а) к очередному циклу, ее сборки и запирания с помощью запирающего механизма литейной машины в камеру прессования 3 подается доза расплава. Затем под действием пресс-поршня 2, перемещающегося в этой камере посредством механизма прессования, через каналы литниковой системы расплав заполняет рабочую полость пресс-формы (рис. 1, б). После затвердевания и охлаждения отливки до определенной температуры извлекают стержни 4 и раскрывают пресс-форму (рис. 1, в), а затем механизмом выталкивания и толкателями 5 отливку удаляют из пресс-формы (рис. 1, г). Механизмы машины приходят в исходное состояние. Литники и заливы отделяются от отливки, как правило, с помощью обрезного пресса, расположенного около литейной машины, либо механизмами пресс-формы. На этом рабочий цикл завершается;

Рис. 1. Схема технологического процесса литья под давлением на машине с холодной камерой прессования:

а — подача расплава в камеру прессования; 6 — запрессовка; в — раскрытие

пресс-формы; г — выталкивание отливки; 1 — пресс-форма; 2— пресс-поршень;

3 — камера прессования; 4 — стержень; 5 — толкатель

•на машинах с горячей камерой прессования особенность технологического процесса связана с тем, что камера прессования 1 (рис. 1, а) располагается в тигле 3 и сообщается с ним заливочным отверстием 2. Через это отверстие при исходном положении пресс-поршня 6 расплав самотеком поступает из тигля в камеру прессования. После перекрытия пресс-поршнем заливочного отверстия расплав по обогреваемому каналу 4 поступает в рабочую полость пресс-формы 5 (рис. 1.2, б). Рабочий цикл завершается после возврата пресс-поршня в исходное положение и слива остатков расплава из канала 4 в камеру прессования, раскрытия пресс-формы и удаления из нее отливки 1 толкателями 8 (рис. 2, в).

 

 

Рис. 2 Схема технологического процесса литья под давлением на машине с горячей камерой прессования:

а — заполнение камеры прессования расплавом; б — запрессовка; в — раскрытие пресс-формы и выталкивание отливки; 1 — камера прессования; 2— заливочное отверстие; 3 — тигель с расплавом; 4 — обогреваемый канал; 5 — пресс-форма; 6 — пресс-поршень; 7 — отливка; 8 — толкатели

Таким образом, процесс  литья под давлением реализуется  только на специальных машинах, что обеспечивает возможности комплексной автоматизации технологического процесса, способствует существенному улучшению санитарно-гигиенических условий труда, уменьшению вредного воздействия литейного производства на окружающую среду.

 

 

1.5. Особенности формирования отливок и их качество

При литье под давлением  основные показатели качества отливки  — точность размеров, шероховатость  поверхности, механические свойства, плотность и герметичность — определяются следующими особенностями ее формирования.

1. Кратковременность  заполнения полости пресс-формы  расплавом. Скорость впуска расплава в пресс-форму для разных отливок и сплавов колеблется от 0,3 до 140 м/с, продолжительность ее заполнения 0,02...0,3 с, а конечное давление на расплав может достигать 500 МПа. Это позволяет, несмотря на высокую скорость охлаждения расплава в форме, изготовлять весьма сложные корпусные отливки с толщиной стенки менее 1 мм из сплавов с низкой и даже близкой к нулю жидкотекучестью (таким свойством обладают, например, сплавы, находящиеся в твердожидком состоянии). Высокая кинетическая энергия движущегося расплава и давление, передаваемое на него в момент окончания заполнения формы, способствуют получению отливок с низкой шероховатостью поверхности.

2. Негазопроницаемость материала пресс-формы. Вентиляция ее рабочей полости происходит посредством специальных вентиляционных каналов. При высоких скоростях впуска расплава в полость пресс-формы воздух, а также газообразные продукты разложения смазочного материала, образующиеся при его взаимодействии с расплавом, не успевают полностью удалиться из пресс- 
формы за время ее заполнения расплавом. Они препятствуют заполнению пресс-формы, попадают в расплав, приводя к образованию неслитин, неспаев, раковин и газовоздушной пористости в отливках. Газовоздушная пористость приводит к уменьшению плотности отливок, снижению их герметичности и пластических свойств. Воздух, газы, продукты разложения смазочного материала, находящиеся в порах отливки под высоким давлением, затрудняют ее термическую обработку: при нагреве прочность отливки снижается, а давление газов в порах повышается, что вызывает коробление отливки, на ее поверхности появляются пузыри.7

Для снижения газовоздушной  пористости в отливках используют ряд технологических приемов, а также специальные способы литья под давлением.

3. Высокая интенсивность теплового взаимодействия между материалом отливки и пресс-формой, обусловленная ее высокими теплопроводностью и теплоемкостью, малым термическим сопротивлением слоя смазочного материала и продуктов его разложения, значительным давлением расплава и отливки на стенки пресс-формы, улучшающим контакт между ними. Это способствует по 
лучению мелкозернистой структуры, особенно в поверхностных слоях отбивки, повышению ее прочности и высокой производительности процесса.

4. Передача в момент окончания заполнения металлом пресс-формы давления, развиваемого пресс-поршнем в камере прессования, на расплав в полости формы. Это улучшает питание отливки, способствует уменьшению усадочной пористости, сжатию газовоздушных включений. В результате возрастают плотность, герметичность и механические свойства отливки. Однако эффективность действия подпрессовки ограничена, так как это давление на расплав в пресс-форме действует только до тех пор, пока питатель не затвердеет.

5. Использование металлической пресс-формы с точными размерами и низкой шероховатостью рабочих поверхностей. Это способствует получению высокоточных отливок по массе, геометрии и размерам. Высокая точность размеров отливок (классы 1 — 4 по ГОСТ 26645 — 85 (изм. № 1, 1998)) позволяет уменьшить припуски на обработку до 0,3... 0,8 мм, а в некоторых случаях полностью исключить обработку резанием; остается только зачистка мест удаления питателей, соединительных каналов промывников и облоя. Коэффициент точности отливок по массе (КТМ) при литье под давлением достигает 0,95 ..0,98. Шероховатость поверхности отливок под давлением зависит в основном от шероховатости поверхности пресс-формы и технологических режимов литья. Обычно отливки под давлением имеют шероховатость от Rz = 160... 80 мкм (сплавы на основе меди) до Ra = 1,00...0,32 мкм (цинковые сплавы).

 

1.6. Разработка  методики отливки

При разработке методики заливки решают следующие  вопросы:

выбор способа  формовки

выбор разъема  формы (модели)

определение границ, количества и мест установки стержней в форме

выбор литниковой системы  и ее расчет

определение габаритных размеров формы

выбор вентиляции формы

выбор способа сборки форм

выбор положения форм при  заливке

В качестве формы применяется  постоянная металлическая форма - пресс-форма. Формообразующие детали изготовляют  из сплавов 3Х3М3Ф, 4Х5МФС. Для других деталей пресс-форм используют конструкционные стали 35,40,40Х,45. Пресс-форма имеет одну или несколько полостей, очертания которых повторяют форму отливки. Полость пресс - формы должны отличатся от размеров отливки на величину усадки заливаемого сплава. Пресс - формы для массового производства характеризуются надежной конструкцией. Пресс - формы для небольших деталей массового производства чаще всего делают много гнездные, в таких пресс - формах не одна оформляющая полость, а несколько, которые соединены с одним питающим литником. Применяя много гнездные пресс - формы, увеличивают производительность труда, так как за одну запрессовку в этом случае можно получить несколько отливок.

При выборе плоскости разъема  следует учитывать, что извлечение отливки из пресс-формы не должно вызывать затруднений и что она должна оставаться в подвижной форме и удаляться выталкивающим механизмом. Форма должна иметь минимальное количество стержней по возможности простой конфигурации. Также следует стремиться к тому, чтобы число разъемов и стержней было минимальным. Пресс-форма имеет прямую вертикальную плоскость разъема.

В отливке используется 9 неподвижных стержней. Они устанавливаются  в пресс-форме перпендикулярно  плоскости разъема. Для облегчения удаления отливки стержни имеют  конусность. Стержни крепятся буртиком, опирающимся на подкладную плиту.

Литниковая система представляет собой совокупность каналов, по которым  жидкий металл поступает из камеры прессования в оформляющую полость  пресс-формы. Различают три типа литниковых систем: прямые, внутренние, внешние. В прямой литниковой системе отсутствует подводящий канал; металл из литникового хода поступает в полость формы. Внутреннюю литниковую систему применяют для отливок, имеющих центральное или какое-либо другое отверстие, размеры которого позволяют разместить внутри полости пресс-формы подводящие каналы и питатели. Внешняя литниковая система - единственная система для подвода металла в многогнездные формы. Выбираем внешнюю литниковую систему, которая позволяет получать несколько отливок в пресс-форме. Питатель подводим к боковой стенке отливки.