Радко Й. Радев Николай М. Атанасов

Р Ъ К О В О Д С Т В О

за лабораторни упражнения по

М Е Т А Л О Л Е Е Н Е

В а р н а 2007 г.

2

В ръководството са включени лабораторни упражнения, отразяващи основни технологични процеси в леярското производство. Разгледани са въпроси, касаещи някои леярски свойства на металите и сплавите, характеристики на различни формовъчни смеси, технологични особености на методи за изработване на леярски форми и получаване на отливки. Във всяка тема са отразени накратко най-съществените теоретичини и технологически аспекти, изложени са последова-телността и обема на практическите дейности. Настоящото ръководство е написано в съответствие с учебната програма по дисциплината “Металолеене” за студентите от специалност “Машиностроителна техника и технологии” при Технически Университет – Варна.

3

С Ъ Д Ъ Р Ж А Н И Е Тема 1 3 Тънколивкост на металите и сплавите Тема 2 8 Образуване на всмукнатини и пористост в отливките Тема 3 13 Образуване на остатъчни леярски напрежения в отливките Тема 4 19 Получаване и основни свойства на пясъчни формовъчни смеси Тема 5 24 Определяне на газотворната способност на формовъчни смеси Тема 6 27 Получаване и изследване на бързовтвърдяващи се смеси на база водно стъкло и органични смоли Тема 7 32 Получаване и изследване на капилярно формовани смеси с водно стъкло и карбофенова смола Тема 8 37 Методи за машинно изработване на леярски форми и сърца Тема 9 43 Изработване на леярски форми чрез вакуумно формоване Тема 10 47 Конструиране и изчисляване на леякова система Тема 11 52 Технологична проработка на конструктивен чертеж и разработване чертеж на събрана форма Тема 12 61 Леене по газифициращи се модели Тема 13 65 Леене по стопяеми модели Литература 71

4

Т Е М А № 1

Тънколивкост на металите и сплавите 1.1 Основни теоретични постановки

Тънколивкостта е едно от основните леярски свойства на металите и сплави-те. Тя характеризира способността на металната стопилка да запълва леярската форма, давайки плътен и точен отпечатък. Върху тънколивкостта на металите и сплавите оказват влияние голям брой фактори, по-важните от които са:

• Физичните, химичните и физико-химичните свойства на сплавта – виско-зитет, плътност, повърхностно напрежение, скрита топлина на кристали-зация и др.

• Химичен състав на сплавта (респ. характера й на кристализация) • Температура на заливане (прегряване на стопилката) • Някои характеристики на леярската форма – материал, топлоакумулираща способност, температура при заливане, сечение и форма на каналите, характер на движението на стопилката в тях и др.

В леярската практика е прието да се разграничават следните видове тънко-ливкост – нулева, действителна, условно-действителна и практическа – фиг. 1.1.

Фиг. 1.1 Видове тънколивкост Нулевата тънколивкост се дефинира като състоянието, при което стопил-ката загубва способността си да се движи във формата. Това състояние се харак-теризира с определена за всяка сплав температурата между ликвидуса и соли-дуса й (при сплавите, които кристализират в температурен интервал), при която, в резултат от образуването на известно количество твърда фаза, стопилката престава да се движи във формата. Това количество е различно при различните

ликвидус

солидус

1

2

3

4

температура

%B

1 – нулева 2 – действителна 3 – условно - действителна 4 - практическа

5

сплави и се определя от механизма на затвърдяването им и формата на получа-ващите се кристали. Например, при стопилки от сив чугун нулевата тънколив-кост настъпва при около 30% твърда фаза, а при стомани – при около 20%. Тъй като определянето на нулевата тънколивкост е трудно осъществимо, за количественото й определяне обикновено се използват действителната, условно-действителната и практическата тънколивкост (фиг. 1.1), при които като показа-тел се използва степента на запълване на канали и кухини с различна форма и сечение – технологични проби. В този смисъл, действителна се нарича тънко-ливкостта, която сплавите притежават при еднакво прегряване над темпера-турата на нулева тънколивкост, условно-действителна – при еднакво прегря-ване над ликвидуса и практическа – при заливане с еднаква температура, неза-висимо от стойността на прегряване на стопилката. Тънколивкостта може да се определи с известно приближение и аналатично, по зависимостта:

( ) ( )[ ]LТТсТТр

vст

фм

ср +−−

= 0.αγ

λ

където: λ - тънколивкост γ - плътност на стопилката α - среден коефициент на топлоотдаване от повърхността на метала с – специфична топлоемкост на течния метал р – периметър на сечението на канала Тм – средна температура на стопилката Тф – средна температура на формата Тст – температура на стопилката в момента на заливане Т0 – температура на нулевата тънколивкост L – скрита топлина на кристализация 1.2 Методи за определяне на тънколивкостта Като технологично леярско свойство, зависещо от множество фактори, тънколивкостта се определя чрез технологични проби с отчитане на конкретните условия, при които се проявява. Най-разпространените от тях, показани на фиг.1.2, са:

• Спирална проба (проба на Кери) • Клинова проба • U – образна проба (комбинирана проба на Нехендзи-Купцов) • Линейна проба (проба на Руф)

Тъй като формата и големината на сечението на канала, както и материала на формата, влияят съществено върху тънколивкостта, в практиката са се нало-жили предпочитания при използването на различните проби. Така например, спиралната проба и клиновата проба, получени в пясъчни форми, се използват основно при определяне тънколивкост на чугуни, пробата на Нехендзи-Купцов –

6

основно при стомани, пробата на Спаски, получавана в метална форма – при алуминиеви сплави, и т.н.

а – спирална проба (на Кери) б – U-образна проба (на Нехендзи-Купцов) в – клинова проба г – линейна проба (на Руф)

Фиг. 1.2 Технологични проби за определяне на тънколивкост 1.3 Последователност на провеждане на упражнението

1. Изработване и подготовка на форми от пясъчно-бентонитова смес за получаване на спирална проба за тънколивкост.

2. Стопяване и подготовка за заливане на цинкова сплав. 3. Заливане на подготвените форми при различна температура на стопилката

(температурата се измерва в разливната кофа непосредствено преди заливане с потопяема хромел-алюмелова термодвойка).

б

50

A A

A A

а

L

в

г

7

4. Избиване на получените проби и измерване дължината на запълнения участък (тънколивкостта).

5. Определяне влиянието на Тзал. (прегряването на стопилката) върху тънколивкостта λ.

8

Т Е М А № 2

Образуване на всмукнатини и пористост в отливките

2.1Основни теоретични постановки Често срещано явление при получаването на отливки от различни сплави е появата на всмукнатини и пористост в обема им. Те представляват макро или микрокухини с различна форма, големина и разположение, нарушаващи целост-та на отливката. Най-често са трудно отстраним или неотстраним дефект и обик-новено водят до бракуването им. Основната причина за образуването на всмукнатини и пористост е неком-пенсираното обемно свиване в процеса на кристализация и втвърдяване. Получа-ването му е свързано с два основни момента:

1. Изменението на обема на залятия във формата метал се осъществява в условията на понижаване на температурата по сечение на отливката. Фронтът на кристализация се движи в посока, обратна на посоката на топлоотвеждане, при което в определен момент на повърхността на отлив-ката се образува непрекъснато увеличаващ се по дебелина слой от затвър-дял метал, ограждащ некристализирала стопилка.

2. Повечето сплави се характеризират с по-голям коефициент на термично свиване (разширение) αт в течно състояние и в процеса на кристализация, в сравнение със същия в твърдо състояние. Поради това изменението на обема на вече образувалата се твърда обвивка е по-малко от това на стопилката, обвита от нея. В резултат на тази разлика след окончателното втвърдяване на отливката в нея се образуват всмукнатини или пористост.

Принципна схема, илюстрираща описания процес, е показана на фиг. 2.1.

Фиг. 2.1Принципна схема на образуване на всмукнатина в отливка

Зоните в отливките, които са най-силно застрашени от образуване на всмук-натини и пористост се наричат “термични възли” – фиг. 2.2. Обикновено това са места, където се събират две или повече стени (фиг. 2.2а), локални удебеления (фиг. 2.2б) или масивни части, свързани с основната отливка чрез по-тънки стени, ребра, спици и др. (фиг. 2.2в). Затова, още на етапа на конструиране на детайла е необходимо да се сведе до минимум броя на тези зони, големината им, както и да се разположат на удобни за подхранване места. Класификацията на всмукнатините и пористостта е свързана с броя, големината и разположението им. Най-често всмукнатините биват открити или закрити, концентрирани или разсеяни, а пористостта – осова, зонова или разсеяна – фиг. 2.3.

9

Фиг. 2.2 Видове термични възли

Фиг. 2.3 Видове всмукнатини и пористост Най-пълно кинетиката на образуване на всмукнатини в отливките се описва от зависимостта на Нехендзи-Гиршович:

( )

−∆−∆±∆=

R

kVVVV твкртечвсм 2

15,1 ....

τ

където: ∆Vтеч. – обемно свиване в течно състояние ∆Vкр. – обемно свиване в процеса на кристализация ∆Vтв. – обемно свиване в твърдо състояние

( )лзалтечтеч ТТV −=∆ ... α ; ( )слкркр ТТV −=∆ ... α ; ( ).... стствтв ТТV −=∆ α

където:

а б в

а б в

г д

а – открита концентрирана всмукнатина б – закрита концентрирана всмукнатина в – разсеяни всмукнатини г – осева пористост д – разсеяна пористост

10

αтеч., αкр., αтв. – средните коефициенти на обемно свиване в течно състояние, в процеса на кристализация и в твърдо състояние Тзал. – температура на заливане Тл. – температура на ликвидуса Тс. – температура на солидуса Тст. – стайна температура От тези зависимости следват някои важни, особено в практическо отноше-ние, изводи:

• Образуването на всмукнатини (пористост) започва от момента на запъл-ване на формата със стопилка и завършва след окончателното втвърдя-ване на отливката.

• Най-голямо влияние върху обема на получаващите се всмукнатини оказва вида на сплавта (чрез коефициента й на обемно свиване αт) и прегрява-нето на стопилката преди заливане.

• Макар и в по-малка степен, върху получаването на всмукнатини влияят скоростта на заливане и положението на отливката във формата.

Когато първичната кристализация протича с т.н. “гладък фронт” най-често се получават концентрирани всмукнатини – фиг. 2.4а. При протичане на едно-временна кристализация (в целия обем или в определени части на отливката) се формират преимуществено разсеяни всмукнатини. В случаите, когато нараства-нето на кристалите има дендритен характер, между тях и в междуосевите про-странства се затварят микрообеми стопилка, в резултат на което в отливката се образуват микровсмукнатини, пористост или микропористост – фиг. 2.4б.

Твърда фаза

Стопилка

Фронт накристализация

Фронт накристализация

Твърда фаза

Стопилка

Фиг. 2.4 Видове първична кристализация в отливките Доколкото съставът на сплавта влияе в определяща степен върху характера й на кристализация, на фиг. 2.5 е показана връзката между диаграмата на състоя-нието и разпределението на некомпенсираното обемно свиване между всмукна-тини и пористост. 2.2Методи за определяне склонността към образуване на всмукнатини и пористост Склонността към образуване на всмукнатини и пористост е технологично леярско свойство и като такова се определя чрез технологични проби. Последни-те обикновено представляват отливки с правилна геометрична форма и доста-

а б

11

тъчно голям обем, така че да стимулират получаването на всмукнатини и порис-тост. Най-разпространени са коничната, цилиндричната, степенчатата и др. – фиг. 2.6.

всмукнатини

пористост

1 2 3 4

1 и 4

2

3

%В

Т Со

Vвсм.

Фиг. 2.5 Влияние на състава на сплавта върху образуването на всмукнатини и

пористост

Обема на всмукнатините се определя чрез запълването им с течност (вода, спирт, парафин и др.), когато са концентрирани и открити. При закрити всмукна-тини се използва хидростатичния метод, като обема им се пресмята по зависи-мостите:

... прфвсм VVV −=

където: Vвсм. – обем на всмукнатината, sm3

а б в

а – цилиндрична б – конусна в - степенчата Фиг. 2.6 Технологични проби за определяне склонността към образуване

на всмукнатини и пористост

12

Vф – обем на формата (модела), sm3 Vпр. – обем на метала в технологичната проба, sm3

.

...

т

тв

пр

GGV

γ−

=

където: Gв. – тегло на пробата на въздух, kg Gт. – тегло на пробата в течност, kg γт. – плътност на течността, kg/sm3 При претеглянето в течност пробата се окачва на тънка нишка, чието тегло се пренебрегва. Значително по-сложно е определянето на обема и разположението на порис-тостта. При количествено определяне на сумарния обем на порите също може да се използва хидростатичния метод, като предварително се определя плътността на темплет, изрязан от най-плътната част на пробата. В леярската практика, обаче, за окачествяване на отливките по отношение наличие на пористост и всмукнатини се използват широко различните методи за безразрушителен контрол. Най-разпространените от тях са ултразвуковата, гама и рентгеновата дефектоскопии – фиг. 2.7.

а – ултразвукова б – рентгенова в – гама дефектоскопия дефектоскопия дефектоскопия

Фиг. 2.7 Методи за безразрушителен контрол на отливки 2.3Последователност на провеждане на упражнението

1. Изработване и подготовка на форми за отливане на конусна технологична проба.

2. Стопяване на чист метал (алуминий или цинк). 3. Заливане на формите при различно прегряване на стопилката. 4. Избиване на получените проби и определяне обема на всмукнатината чрез

запълване с вода. 5. Наблюдаване и анализ на причините за получаване на всмукнатини и

пористост в реални отливки.

а б

в

13

Т Е М А № 3

Образуване на остатъчни леярски напрежения в отливките

3.1 Основни теоретични постановки Както е добре известно, по-голяма част от металите и сплавите се свиват в процеса на охлаждането им в твърдо състояние. При реалните отливки това свиване, протичащо в температурния интервал между солидуса и стайна температура, може да бъде свободно или затруднено. Протичането на затруднено свиване се явява основната причина за получаване на остатъчни, наречени още леярски, напрежения в отливките. Най-често затрудненото свиване е резултат от разликите в температурите на дебелите и тънки части на отливката в процеса на охлаждане, фазовите превръщания в твърдо състояние, когато са съпроводени с големи разлики в специфичния обем на изходните и получаващете се фази, съпротивлението на формата и сърцата и др. В зависимост от големината им формиращите се в отливките напрежения могат до доведат до получаването на деформации при стойности, превишаващи границата на провлачване Re, или до пукнатини и разрушаване при стойности над якостта на опън Rm. Част от напреженията имат временен характер – напр. тези, дължащи се на съпротивлението на формата и сърцата. Те изчезват (релаксират) след избиване и почистване на отливките, но трябва да се има предвид, че в периода на съществуването си се сумират с остатъчните. В зависимост от обема, в който се уравновесяват, напреженията биват:

• макронапрежения – уравновесяващи се в целия обем на отливката • микронапрежения – уравновесяващи се в обема на отделния кристал • субмикронапрежения – напрежения в кристалната решетка

Остатъчните леярски напрежения са макронапрежения. За изучаване на причините и механизма на формиране на напрежения в отливките може да се използва теорията на Хайн, базираща се на връзката между температурата и механичните свойства на металите и сплавите. Основен момент в нея е въвеждането на понятията “критична температура Ткр.”, “ чисто еластична област” и “чисто пластична област” – фиг. 3.1.

якостнихарактеристики

пластични

характеристики

механични

свойства

температура ТсТкр

чисто

еластична

област

чисто

пластична

област

∆∆∆∆T

Фиг. 3.1 Влияние на температурата върху механичните

свойства

14

Приема се, че при температури под Ткр. сплавите се намират в “чисто еластичната област”, където притежават само еластични свойства и нямат никаква пластичност и, обратно, при температури над Ткр. те са в “чисто пластичната област”, в която имат само плас-тичност и не притежават еластични свойства. На тази база се разглеждат процесите, протичащи при охлаждане на отливка, представляваща три успоредни пръта, средният от които е значител-но по-масивен от страничните, като същевре-менно от двете страни прътите са свързани с две масивни напречни греди – фиг. 3.2. Тази кон-струкция осигурява протичането на затруднено

свиване и формиране на напрежения в отливката в процеса на охлаждане. Основните етапи на процеса са показани на фиг. 3.3.

При еднакви усло-вия на охлаждане изме-нението на температу-рата в дебелия и в тънките пръти може да се изобрази съответно с крива 1 и крива 2 – фиг. 3.3а. Спрямо критична-та температура за сплавта Ткр. целият период на охлаждане се разделя на 3 интервала: τ0 - τ1 – дебелият и тънките пръти са с температура над Ткр., т.е. са в “чисто плас-тичната област” τ1 - τ2 - дебелият прът е в “чисто плас-тичната област”, а тън-ките – в “чисто елас-тичната област” τ2 - τ3 – дебелият и тънките пръти са в “чисто еластичната област” Тъй като линейно-

то свиване е пропорци-онално на изменението

d

3d

Фиг. 3.2 Пробна отливка със затруднено свиване в процеса на охлаждане

температура

време

Ткр

Тт

време

a

b

c

b1

b2

c1

c2

дължина

L

1

2

Тсолидус

ττττ0 ττττ1 ττττ2

ττττ0 ττττ1 ττττ2

а

б

Фиг. 3.3Схема на формиране на остатъчни леярски напрежения по теорията на Хайн

15

на температурата - ∆L = α ∆Т (α - коефициент на температурно свиване на сплавта) – то характера на изменение на дължината на дебелия и тънките пръти при свободно свиване ще е сходен с характера на изменение на температурата им (крива ab1c1 и крива ab2c2 на фиг.3.3б). Тъй като, обаче, протичащото свиване е затруднено, общата дължина на прътите в интервала τ0 - τ1 ще се движи по линията ab, като в момента τ1 дебелият прът ще е “пластично натиснат” със стойност bb1, а тънките – “пластично опънати” със стойност bb2. В този интервал и трите пръта са в “чисто пластичната област”, поради което възникващите напрежения ще релаксират за сметка на протичаща в прътите пластична дефор-мация. В периода τ1 - τ2 несъответствието между изменението на дължината на прътите при свободно свиване ( крива b1c1 за дебелия и крива b2c2 за тънките) и общата им дължина при затрудненото свиване (крива bc) ще води до възникване на напрежения в тях, които ще релаксират за сметка на протичащата пластична дефрмация в дебелия прът, който все още е в “чисто пластичната област”. При следващото охлаждане на прътите до стайна температура в периода τ2 - τ3 , когато и дебелият прът е в “чисто еластичната област”, възникващите се в резул-тат на затрудненото свиване напрежения ще се запазват и в крайна сметка ще формират остатъчните напрежения в отливката. На базата на описания механизъм на образуване на остатъчните напрежения могат да се изведат и аналитични зависимости за определяне на големината и вида им. Като се има предвид, че деформациите, които протичат в резултат на получаващите се напрежения в периода τ2 - τ3 от една страна са температурни, а от друга – еластични, е валидно равенството:

( ) ( )т

т

д

д

тткрдЕЕ

ТТσσαα −=−−− 2020 {3.1}

където: σд, (σт) – напрежение в дебелия (тънкия) прът αд (αт) – средна стойност на коефициента на линейно свиване на дебелия (тънкия) прът Ед (Ет) – средна стойност на модула на Юнг за дебелия (тънкия) прът Ткр – критична температура на сплавта Тт – температура на тънките пръти в момента τ3 Тъй като, както беше посочено, остатъчните напрежения се уравновесяват в целия обем на отливката, в сила е зависимостта:

0=+ ттдд FF σσ {3.2} където: Fд (Fт) – площ на напречното сечение на дебелия (тънкия) прът При съвместното решаване на зависимостите {3.1} и {3.2} за напреженията в дебелите и тънки части на отливката, като се приеме че αд=αт = α и Ед = Ет = Е, се получава:

16

( )ткр

тд

т

д ТТFF

FЕ −

+= ασ {3.3}

( )крт

тд

д

т ТТFF

FЕ −

+= ασ {3.4}

Зависимостта {3.3} винаги е с положителен знак, а {3.4} с отрицателен, което означава, че в дебелите части на отливките получаващите се напрежения обикновено са опънови, а в тънките – натискови. 3.2 Методи за определяне склонността към образуване на остатъчни напрежения Склонността на металите и сплавите към образуване на остатъчни напреже-ния, подобно на останалите леярски свойства, се определя чрез технологични проби – фиг. 3.4. Последните обикновено представляват отливки с конфигурация и размери, предизвикващи затруднено свиване в процеса на охлаждане. Стойността на получените остатъчни напрежения най-често се определя чрез

а

Ф 60

Ф 4020

6

б

в

а – решетъчна проба б – дъгообразна проба в – пръстеновидна проба

Фигл 3.4 Технологични проби за определяне склонността към

образуване на остатъчни леярски напрежения

17

премахване на напрегнатото състояние (чрез разрязване на пробата на определе-но място върху специален стенд) и следващото му възстановяване при отчитане на действащата в разрязаната част сила. Съществуват и някои физични методи, които се основават на измерване измененията в свойствата на метала под действие на възникналите напрежения. Към тях се отнасят магнитометричния, изотопния, оптически и други методи. Определянето на остатъчните напрежения при използване на т.н. “дъго-образна проба” (фиг. 3.4б), разработена в Ленинградския политехнически инсти-тут, се извършва по изложения по-долу начин. След избиване и почистване на отливката в средата на тънката й част се фиксират две очки на разстояние 15-20 mm една от друга, което се определя с точност 0,01 mm чрез индикаторен часовник. Последният се монтира чрез две неподвижно закрепени стойки. Тънката част на пробата се срязва внимателно между двете стойки, като по този начин се премахва напрегнатото състояние. Протичащата в резултат на това деформация се отчита по индикаторния часовник – фиг. 3.5. След това пробата се поставя върху специален стенд и се разтегля до възстановяване на напрегнатото състояние – фиг. 3.6. Действащата в този момент сила P се отчита чрез кръговата пружина – фиг. 3.7. Стойностите на остатъчните напрежения, които са на натиск в тънката и на огъване в дебелата част, се пресмятат по зависимостите:

ог

ог

ог

д W

М

W

RP == .σ {3.5}

т

т F

Р=σ {3.6}

където: Мог – огъващ момент, действащ в дебелата част на пробата Wог – съпротивителен момент на огъване на сечението на дебелата част на пробата Fт – площ на сечението на тънката част на пробата

Фиг. 3.5 Отчитане на деформацията след срязване на

пробата

18

3.3 Последователност на провеждане на упражнението

1. Закрепване на стойките с индикаторния часовник в средата на тънката част на предварително отлята “дъгообразна проба” от алуминиева сплав.

2. Внимателно срязване на пробата между двете стойки с помощта на тънък карбофлексов диск.

3. Поставяне на разрязаната проба върху измервателния стенд и възстано-вяване на напрегнатото състояние.

4. Отчитане разтварянето на кръговата пружина и определяне на действа-щата сила по силовата й диаграма.

5. Пресмятане на остатъчните напрежения в тънката и дебела част на проба-та по зависимостите {3.5} и {3.6}.

6. Анализ на получените резултати

Фиг. 3.6 Възстановяване на напрегнатото състояние чрез разтегляне на пробата през

кръгова пружина

Фиг. 3.7 Определяне на действащата сила чрез отчитане отварянето на

кръговата пружина

19

Т Е М А № 4

Получаване и основни свойства на пясъчни формовъчни смеси 4.1 Основни теоретични постановки 4.1.1 Формовъчни материали Най-голям дял от световното производство на отливки от различни сплави се осъществява чрез леене в еднократни пясъчни форми. Последните се изработват от формовъчни и сърцеви смеси, получени чрез подходящ подбор и смесване на различни материали. Формовъчните материали, използвани като компоненти за получаване на формовъчни и сърцеви смеси, се разделят на огнеупорни пълнители, свързващи вещества и добавки. В качеството на огнеупорни пълнители се използват различни леярски пясъци – кварцови, циркониеви, хромитови, оливинови и др. Най-широко приложение намират кварцовите пясъци, главно заради широкото им разпространение и сравнително ниска цена. Те се класифицират по някои от основните си свойства, оказващи съществено влияние върху качеството на получаваните смеси, респ. леярски форми и сърца. Такива са:

• Химическата еднородност, характеризираща съотношението между SiO2 (кварц) и различните примеси в състава на пясъка. По този признак кварцовите пясъци се разделят на няколко класа – 0ПК, 01ПК, 1ПК, 2ПК, 3ПК, ПС, ПГ – с намаляващо съдържание на SiO2 и увеличаване на прахообразната фракция.

• Гранулометричният състав, характеризиращ размера на основната част от пясъчните зърна. Определянето му се осъществява чрез пресявяне на пясъка при определени условия през набор от 11 бр. сита с различен диаметър на отворите в диапазона от 0,05 mm до 2,5 mm (т.н. “ситов анализ”).

• Степен на еднородност на пясъка, отчитаща количеството от него, съдържащо се в т.н. “основна фракция” при ситовия анализ и показваща каква част от пясъчните зърна са с приблизително еднакви размери.

Информация за изброените свойства се съдържа в обозначението на пясъка (съгл. БДС 4035-73), например: 1ПК 020А-80. От съществено значение са и свойства като: форма на пясъчните зърна (кръгла, полукръгла, остроъгълна, ломена), химико-термичната устойчивост, коефициента на термично разширение и др. Свързващите вещества са най-многобройната група формовъчни материали. Чрез тях се осъществява връзката между пясъчните зърна и се определят в голяма степен основните свойства на формовъчните смеси. Поради голямото им многообразие по отношение на произход, химичен състав, отношение към водата, начин на втвърдяване и т.н., класифицирането им е изключително трудно и, в повечето случаи, непълно и неточно. Някои свързващи вещества, намиращи най-широко приложение в състава на пясъчните формовъчни смеси, са:

• Формовъчни глини (бентонит, каолин и др.)

20

• Безир, декстрин, сулфитна луга (предимно в сърцеви смеси за ръчно изработване на леярски сърца)

• Водно стъкло • Органични смоли, естери, алкохоли и др. (използвани основно в методите

за машинно изработване на леярски форми и сърца) • Цимент, гипс и др.

Добавките в състава на формовъчните смеси обикновено имат за цел да подобрят определени свойства на последните, в зависимост от конкретните особености на отливките, които ще се получават във формите и сърцата, изработени от тях. Например, добавки от графит или каменовъглен прах предотвратяват избелването на отливки от сив чугун при леене в сурови пясъчно-бентонитови форми. Използването на лесно изгарящи добавки от типа на пенополистиролови частици, дървесни стърготини и др. в състава на безирени сърцеви смеси подобряват съществено тяхната газопропускливост, податливост и избиваемост. 4.1.2 Свойства на пясъчни формовъчни смеси Получаването на формовъчните и сърцеви смеси обикновено се осъществява чрез механично размесване на съставките им (огнеупорен пълнител, свързващо вещество и добавки) в съоръжения от типа на колерганги, лопаткови и шнекови смесители и др. Подобно на формовъчните материали, получените смеси също подлежат на определяне на редица свойства. Част от тях характеризират самите смеси – подвижност, уплътняемост, жизнеспособност, а други отразяват свойствата на изработените от тях леярски форми и сърца – якостни характеристики, газопропускливост, газотворна способност, влагосъдържание, избиваемост и др.

Фиг. 4.1 Схеми на определяне на якостните характеристики на пясъчни формовъчни смеси

а – якост на опън б – якост на натиск в – якост на срязване г – якост на огъване

а б в

г

21

Едни от най-често определяните свойства на формовъчните и сърцеви смеси, даващи комплексна оценка на качеството им, са якостните характеристики, газопропускливостта и повърхностната твърдост. Якостта на смесите се определя най-често на студено (при стайна температура), като в зависимост от схемата на натоварване се разграничават следните видове: якост на натиск, якост на опън, якост на огъване и якост на срязване – фиг. 4.1. Изборът на определяния вид якост се основава на състава и състоянието на сместа. Например, при пясъчно-бентонитови смеси обикновено се определят якост на натиск и якост на срязване, по-рядко и якост на огъване. При химически втвърдяващи се смеси (със свързващо вещество водно стъкло, органични смоли, гипс и др.) се определят якост на опън и якост на огъване. За изработване на необходимите пробни образци най-често се използва лабораторен чук (фиг. 4.2), снабден с необходимата касова екипиравка. За разрушаване на образците се използва комбинираният уред, показан на фиг. 4.3, при който се отчита директно стойността на разрушаващото напрежение по съответната скала.

За определяне якостта на огъване на сурови и изсушени пясъчно-бентонитови смеси се използва показаният на фиг. 4.4 уред. Стандартният пробен образец се поставя и фиксира върху транспортиращата лента и се включва уреда. При бавното движение на лентата непрекъснато се увеличава частта от образеца, намираща се извън нея. Когато огъващият момент, получаващ се от теглото на намиращата се извън лентата част от пробата, създаде напрежения, по-големи от якостта на огъване на сместа, пробата се разрушава и движението на лентата спира – фиг. 4.5. Определя се теглото на разрушената част от пробата и дължината на останалата върху лентата част, след което по зависимостите {4.1} и {4.2} се определя якостта на огъване на сместа.

2

lLGM ог

−= {4.1} ог

ог

W

MRg = {4.2}

Фиг. 4.2 Лабораторен чук за изработване на пробни образци от пясъчни формовъчни смеси

Фиг. 4.3 Комбиниран уред за определяне на якостните свойства на пясъчни формовъчни смеси

22

където: Rg – якост на огъване на формовъчната смес Мог – огъващ момент, създаден от изнесената извън лентата част на пробата в момента на разрушаването й Wог – съпротивителен момент на огъване на сечението на пробния образец G – тегло на разрушената част от пробния образец L – обща дължина на пробния образец l – дължина на неразрушената част от пробния образец

Газопропускливостта на формовъчните смеси е едно от основните им технологични свойства, определящо способността на формата и сърцата да пропускат отделящите се при заливане газове и въздух. За определянето й се използва цилиндрично пробно тяло с диаметър D = 50±0,2 mm и височина H = 50±1 mm, което се получава чрез трикратно уплътняване на предварително определено количество смес с лабораторния чук в метална каса. През пробата се продухва определено количество въздух (обикновено Q = 2.106 mm3), като се измерва налягането на въздуха преди пробата и времето, през което цялото количество въздух минава през нея. В този случай газопропускливостта K се изчислява по зависимостта:

τ..

.

pF

hQK = {4.3}

където: Q – количеството въздух, преминал през пробата h – височина на пробния образец

Фиг. 4.4 Уред за определяне якостта на огъване на сурови пясъчни смеси

G

L l

Фиг. 4.5 Схема на определяне якостта на огъване на сурови пясъчни смеси

23

F – площ на напречното сечение на пробния образец p – налягане на въздуха преди пробното тяло τ - време за преминаване на въздуха през пробното тяло

В практиката реално се използва уско-рен метод за определяне на газопропуск-ливостта. При него, използвайки законите на хидравликата, въздухът се пропуска в пробата през дроселиращи калибровани отвори с диаметър d = 0,5 mm за ниски стойности на газопропускливостта (К ≤ 70 ед.) и с d = 1,5 mm при К ≥ 70 ед. За целта се използва уредът, показан на фиг. 4.6, като газопропускливостта се отчита директ-но по съответната скала, построена по зави-симостта {4.3} при променливо налягане. Повърхностната твърдост се определя само при пясъчно-бентонитови смеси

предимно в случаите, когато е невъзможно или нецелесъобразно определянето на якостните свойства. Чрез нея се получава комплексна и по-скоро качествена оценка на якостните характеристики на сместа. На фиг. 4.7 са показани най-често използваният за целта прибор – твърдомер на Дитерт – и принципна схема на действието му.

4.2 Последователност на провеждане на упражнението

1. Подготовка на пясъчно-бентонитови смеси с различно съдържание на бентонит – 2%, 4% и 6%.

2. Изработване на пробни образци за определяне якостта на огъване 3. Измерване на повърхностната твърдост на изработените образци с

твърдомер на Дитерт 4. Определяне якостта на огъване на пробните образци 5. Анализ на получените резултати и определяне влиянието на количеството

бентонит в сместа върху якостта на огъване и повърхностната й твърдост

Фиг. 4.6 Уред за определяне на газопропускливостта на формовъчни смеси

а б

Фиг. 4.7 Определяне на повърхностната твърдост на формовъчни смеси с твърдомер на Дитерт

а – общ вид б – принципна схема

24

Т Е М А № 5

Определяне газотворната способност на формовъчни смеси 5.1 Основни теоретични постановки Способността на смесите да отделят газове при нагряване до високи температури се нарича газотворна способност. Това свойство на формовъчните смеси се проявява при заливане на леярските форми със стопилка. В зависимост от състава на сместа и температурата на стопилката, тези газове могат да бъдат водни пари, изгорели газове от свързващите вещества, газове от дисоциация и др. Когато тези газове не могат да се отведат навън през леярската форма, те проникват в металната стопилка и предизвикват образуването на газови дефекти в отливките, които в леярската практика се наричат газови шупли. Става ясно, че за да се предотврати образуването на шупли в отливките, трябва да се намали газотворната способност на смесите, или да се увеличи тяхната газопропуск-ливост. Особено значение за образуването на газови шупли в отливките има газотворната способност на сместа в първите секунди от нагряването на формата, когато залятия метал е още в течно състояние, и отделените газове могат да проникнат в него. Кинетиката на формиране на газове от леярската форма при нейното нагряване в процеса на запълването й със стопилка, в най-общия случай има характера, показан на фиг. 5.1.

От фигурата действително става ясно, че не само количеството на образуващите се газове, но и интензивността на отделянето им, са определящи за получаването на газови включвания в стопилката, а след втвърдяването й – на шупли в отливката. Затова, като характеристика на газотворната способност на смесите се използва още и интензивността на отделяне на газовете във времето (sm3/g.s). Това се изразява чрез наклона на кривата в началния участък (фиг. 5.2),

количество

газове Q

, sm

3

Време ττττ

Фиг. 5.1 Принципна схема на образуване на газове от леярската форма

25

когато залятия във формата метал е още течен и отделените газове могат да проникнат в него. На фиг. 5.2 са показани различни схеми на образуване на газове от леярски форми.

Най-благоприятна е схема 4, при която, както интезивността на отделяне, така и общото ко-личество на отделените газове, са най-малки. При ниска газопропускли-вост на формата най-неблаго-приятна е схема 1. В този случай определяща за формиране на газови дефекти се явява интен-зивността на газоотделяне, а не толкова сумарното количество отделени газове. Газотворната способност много често се оказва решаващ фактор при избор на формовъч-

ната смес, от която се изработва леярската форма. 5.2 Методи за определяне на газотворната способност Определянето на газотворната способност на формовъчните смеси най-често се осъществява чрез изгаряне на технологична проба от сместа и отчитане кинетиката на отделяне и количеството на отделящите се газове. На фиг. 5.3 е показана принципна схема на лабораторна уредба за определяне газотворната способност на формовъчни смеси.

51 – терморегулатор 2 – технологична проба 3 – термодвойка 4 – кварцова тръба 5 – мерителен цилиндър 6 – изравнителен съд 7 – гъвкави тръбопроводи

Фиг. 5.3 Принципна схема на уредба за определяне газотворната способност на формовъчни смеси

количество

газове Q

, sm

3

Време

12

3

4

Фиг. 5.2 Газотворна способност на различни формовъчни смеси

26

В муфелната пещ 8 посредством термодвойката 3 и терморегулатора 1 се поддържа постоянна температура Т = 1000 оС. Едностранно затворената кварцова тръба 4 се охлажда до стайна температура, след което в нея се насипва технологична проба 2 от изследваната формовъчна смес в количество 1 – 5 g, в зависимост от вида на сместа, и се изтиква в запушения край. Отворения край на тръбата се свързва посредством гъвкавия тръбопровод 7 с мерителния цилиндър 5. последният, от своя страна, е свързан с изравнителния съд 6. Изравнява се нивото на течността в мерителния цилиндър и изравнителния съд, след което затворената част от кварцовата тръба, в която се намира технологичната проба, се вкарва в муфелната пещ. По скалата на мерителния цилиндър се отчита на определени интервали от време количеството отделящи се газове, като непрекъснато се поддържа еднакво ниво на течността в него и изравнителния съд. 5.3 Последователност на провеждане на упражнението

1. Включвне на муфелната пещ и нагряване до Т = 1000 оС. 2. Подготвяне на технологични проби от три вида смеси – пясъчно-бентонитова, със свързващо вещество водно стъкло и със свързващо вещество карбофенова смола (маса на пробите – 5g)

3. Определяне количеството отделящи се газове от смесите Q по описания по-горе начин, като отчитанията се извършват по следната схема:

- от 0 до 1 мин. – през 10 сек. - от 1 до 3 мин. – през 20 сек. - от 3 до 10 мин. – през 1 мин.

4. Построяване и анализ на графичните зависимости Q = f (τ) за изследваните смеси

27

Т Е М А № 6

Получаване и изследване на бързовтвърдяващи се смеси на база водно стъкло и органични смоли

6.1 Основни теоретични постановки Бурното развитие на химията, особено на органичната, през втората половина на миналия век се отразява осезателно и върху леярското производство. Появяват се много нови видове формовъчни и сърцеви смеси, в които си използват различни химически продукти в качеството на свързващо вещество. Това води до значително увеличаване на разнообразието от технологични свойства и възможности за приложение при получаването на отливки с повишени изисквания от различни сплави. Изключително широко приложение за изработване на леярски форми и сърца намират смесите с използване на водно стъкло и синтетични органични смоли като свързващи вещества. 6.1.1 Формовъчни смеси с водно стъкло Водното стъкло представлява колоиден разтвор на хидролизирани силикати на натрий или калий с обща формула nR2O.mSiO2.pH2O, където R2O представлява алкален окис (Na2O, K2O). В леярската практика се използва натриевото (нарича се още “содово”) водно стъкло - nNa2O.mSiO2.pH2O. Получаването му се осъществява по два метода – сух (двустадиен) и мокър (едностадиен). При сухия метод се стопяват съвместно кварцов пясък и калцинирана сода Na2CO3 в стъкларска пещ, при което се получава натриев силикат Na2O. SiO2. Същият се разтваря във вода в автоклав под налягане и при нагряване. При мокрия метод водното стъкло се получава чрез директно разтваряне на кварцов пясък в натриева основа NaOH в автоклав под налягане и при висока температура. В зависимост от метода на получаване водното стъкло има различни свойства и намира различно приложение. На външен вид водното стъкло представлява светлобелезникава течност с алкален характер (рН > 9), без миризма, добре умокряща кварцовия пясък. В състава на формовъчните смеси водното стъкло обикновено е в количество 5 – 7 % спрямо количеството на пясъка. Две от основните му характеристики, определящи в голяма степен и използването му като свързващо вещество във формовъчните смеси, са модулът М и съдържанието на сухо вещество. Модулът на водното стъкло се изменя в границите от 2,0 до 3,2 и се определя по зависимостта:

kONa

SiOМ .

%

%

2

2= {6.1}

където: % SiO2 – количеството на силициевия окис в състава му % Na2O – количеството на натриевия окис в състава му

28

к – отношението между молекулните тегла на двата окиса (за натриевото водно стъкло к = 1,03) Съдържанието на сухо вещество характеризира отношението на сумата от двата окиса към хидратната вода. Например, ако водното стъкло се състои от

30% SiO2, 10% Na2O и 60% H2O, то съдър-жанието на сухо вещество в него ще е 40%. Промяната на тези характеристики води до изменение на вискозитета (респ. състоянието му) в доста широки граници – фиг. 6.1. При увеличаването им (на всяка поотделно или на двете заедно) водното стъкло преминава необратимо в твърдо състояние, като по този начин се втвърдява и сместа, в която то участва като свързващо вещество. Доколкото, както става ясно, съществуват различни начини за втвърдяване на водното стъкло, в леярската практика са известни и различни видове формовъчни смеси с водно стъкло, различаващи се по някои от основните си технологични свойства. Най-разпростране-ните от тях са:

1. Смеси, втвърдяващи се чрез продухване с СО2 (СО2 процес) При кратковременно продухване на сместа с СО2 протича реакцията:

nNa2O.mSiO2.pH2O + nCO2 →→→→ nNa2CO3 + mSiO2.pH2O В този случай втвърдяването на водното стъкло се получава основно заради увеличаването на модула му в резултат на намаляване количеството на Na2O. При прилагането на този метод се практикува изработването на множество вентилационни канали във формата или сърцето, които да осигурят проник-ването на СО2 в целия им обем. В противен случай се получават участъци с невтвърдена смес, които силно влошават качеството им.

2. Смеси, втвърдяващи се чрез катализатори При тези смеси на етапа на подготовката им (напр. смесването на компо-нентите в колерганг) се влагат вещества, взаимодействащи с водното стъкло и предизвикващи втвърдяването му. Най-често като такива се използват: феро-силиций на прах (смеси на Нишияма), цимент, ферохромова шлака, нефелинов шлам и др. Смесите на Нишияма се втвърдяват в резултат на едновременното увеличаване на модула и намаляване съдържанието на водата във водното стъкло, докато в останалите случаи катализаторите съдържат голямо количество 2CaO.SiO2, което дехидратира водното стъкло, отделяйки свързаната вода, и води до увеличаване съдържанието на сухо вещество. При използване на катализатори (втвърдители) важно значение придобива свойството “жизнеспо-

Фиг. 6.1 Зависимост между показателите на водното

стъкло и неговото състояние

29

собност” на сместа, характеризиращо времето от смесването на компонентите до започване на процеса на втвърдяване.

3. Смеси, втвърдяващи се чрез нагряване Този метод на втвърдяване се осъществява чрез сушене на формите и сърцата в сушилни, чрез продухване с горещ въздух, чрез обработка с високо-честотен ток или микровълни и др. При това нагряване водното стъкло губи водата си, повишава вискозитета си и образува гел, без да се променя модула му. Обикновено сушенето се провежда при температури 200 – 250 оС, при които се отделя около 90% от водата. Пълното й отделяне настъпва при температури 600 – 650 оС. След окончателното отделяне на водата втвърдяването е най-пълно, затова изсушените смеси имат по-висока якост от тези, втвърдени по другите методи. Някои от основните предимства и недостатъци на смесите с водно стъкло са: Предимства:

• много добри якостни свойства (надвишаващи неколкократно тези на пясъчно-бентонитовите смеси), съчетани с висока газопропускливост и ниска газотворна способност

• възможност за автоматизация на процесите • добри санитарно-хигиенни характеристики – липса на вредни или непри-ятни изпарения, липса на дерматологични въздействия върху кожата на ръцете при продължителна работа и др.

• относително ниска цена на водното стъкло Недостатъци:

• лоша избиваемост, затрудняваща използването им за леярски сърца • трудно и скъпо регенериране, водещо до значително увеличаване разхода на формовъчна смес

6.1.2 Формовъчни смеси с органични смоли Използването на синтетични органични смоли като свързващи вещества обуславя съществуването на най-голямата група формовъчни и сърцеви смеси. Последните се различават най-често по състав, начин на втвърдяване, свойства и област на приложение. Синтетичните смоли представляват органични високо-молекулни съединения, съставени от макромолекули, които са изградени от стотици или хиляди атоми, подредени в структура от многократно повтарящи се основни звена. Затова те се наричат още полимери. Голяма част от използваните в леярското производство синтетични смоли представляват патентна или производствена тайна, поради което могат да бъдат изброени само принципно. В този смисъл, най-известните от тях са: фенол-, карбамид- и карба-мидфенолформалдехидни смоли; фуранови смоли, получаващи се от тях чрез модифициране с фурилов алкохол или фурфурол; полиуретанови смоли; алкидни смоли; поливинилов алкохол и други. Според състава и начина на получаването си те могат да бъдат твърди или течни при стайна температура. Освен това, биват още термопластични и термореактивни. Термопластичните обикновено са твърди при стайна температура. При нагряване се размекват и при температура 120 – 130 оС се

30

превръщат в течност с голям вискозитет. При охлаждане отново се втвърдяват и възвръщат свойствата си преди втвърдяване. В изходно състояние термо-реактивните смоли могат да бъдат както в течно, така и в твърдо състояние. При нагряване те се втвърдяват, като за разлика от термопластичните, твърдото им състояние е необратимо. В зависимост от вида на смолата, използвана като свързващо вещество, формовъчните смеси се втвърдяват при стайна температура или чрез нагряване. При втвърдяване на студено в състава на сместа при подготвянето й се внасят катализатори (разтвори на ортофосфорна киселина H3PO4, сярна киселина H2SO4, паратулуолсулфонова киселина CH3C6H4SO3H и др.), или формите и сърцата се продухват с газообразни втвърдители (напр. серен двуокис SO2). Когато се прилага нагряване, в състава на сместа не се внася катализатор, като обикновено се използва температурата на предварително нагрятата до 250 – 300 оС метална екипировка. Този вариант е широко разпространен за получаване на леярски сърца по метода на т.н. “горещи кутии” (Hot Box – процес). В последните години изключително широко приложение в леярското произ-водство намират т.н. карбофенови смоли. Най-често те са алкални резолни смоли от фенолформалдехиден тип. Количеството им в смесите обикновено варира в интервала 2,5 – 4,0 %. Една от характерните им особености, определяща в голяма степен повишения интерес към тях, е че втвърдяването на формите и сърцата се осъществява чрез продухване с СО2. Основните предимства и недостатъци на формовъчните смеси с органични смоли са: Предимства:

• много добри якостни свойства и газопропускливост, сходни с тези на сме-сите с водно стъкло

• подходящи за използване в автоматични формовъчни линии (в машинни методи за изработване на леярски форми и сърца)

• изключително добра избиваемост в резултат на т.н. “термодеструкция” на смолата при заливане с метал, правеща ги много подходящи за изработване на леярски сърца

Недостатъци: • висока газотворна спо-собност на някои от смолите

• повишени изисквания към използването на вен-тилация и лични предпаз-ни средства при работа с някои от тях

• сравнително висока цена На фиг. 6.3 е показан общ вид на изработена чрез ръчно формоване леярска форма от смес със свързващо вещество водно стъкло. Виждат се и

Фиг. 6.3 Общ вид на леярска форма от смес със свързващо вещество водно стъкло

31

заложените във формата сърца, изработени от смес със свързващо вещество органична смола. 6.2 Последователност на провеждане на упражнението

1. Подготовка на формовъчна смес със свързващо вещество натриево водно стъкло – 7% тегл. от количеството на пясъка

2. Подготовка на формовъчна смес със свързващо вещество карбофенова смола – 3,5% тегл. от количеството на пясъка

3. Изработване на пробни образци за определяне якостта на опън и газопропускливостта на подготвените смеси – фиг. 6.4

4. Втвърдяване на изработените образци чрез продухване с СО2 и чрез нагряване при Т = 200 о

С за водностъклената смес, и чрез продухване с СО2 за сместа с карбофенова смола

5. Определяне на якостта на опън Rr и газопро-пускливостта К на изследваните смеси с помощта на стандартните уредби – фиг. 6.5

6. Анализ на получените резултати

Фиг. 6.4 Пробни образци за определяне якост на опън(1) и газопропускли-вост(2) на формовъчни

смеси

1

2

Фиг. 6.5 Лабораторни уредби за определяне якостните характеристики (а) и газопропускливостта (б) на формовъчни

смеси

а б

32

Т Е М А № 7

Получаване и изследване на капилярно формовани смеси с водно стъкло и карбофенова смола

7.1 Основни теоретични постановки 7.1.1 Същност на метода “капилярно формоване” В практиката на леярското производство изработването на еднократни пясъчни форми се осъществява на два етапа – предварително получаване на необходимата формовъчна смес и следващо изработване на самата леярска форма чрез ръчно или машинно уплътняване, както и чрез заливане в моделно-касовия комплект при използване на течноналивни смеси. Получаването на формовъчната смес се извършва чрез механично размесване на съставящите я компоненти – огнеупорен пълнител, свързващо вещество, прибавки и други – в съоръжения от типа на колерганги, шнекови и лопаткови смесители и т.н. По този начин се формира необходимата обвивка около зърната на огнеупорния пълнител (най-често леярски кварцов пясък), която осигурява връзката между тях и в голяма степен определя основните технологични свойства на формо-въчната смес и изработваните от нея леярски форми. При метода “капилярно формоване” се прилага съвършенно различен подход при реализирането на описания по-горе процес. Основните му отличи-телни белези са:

1. Получаването на формовъчната смес се осъществява в самата леярска форма, т.е. практически се съвместяват етапите на подготовка на сместа и на изработването на леярската форма.

2. Формирането на необходимия слой свързващо вещество около пясъч-ните зърна, т.е. получаването на формовъчната смес, се осъществява без прилагане на механично въздействие върху компонентите й.

За реализирането на този метод се използва обстоятелството, че в насипно състояние между пясъчните зърна се образуват микрокухини с размери, позволяващи протичането на капилярни процеси. При използване на свързващи вещества с подходящи свойства, главно по отношение на повърхностно напрежение и ъгъл на умокряне спрямо кварцовия пясък (водно стъкло, някои органични смоли и други), се осъществява запълването на тези кухини в резултат на проявяващия се капилярен ефект. Принципна схема на процеса е показана на фиг. 7.1. Във формовъчната вана 1 се поставя пористата подложка 6, а върху нея – леярската каса 2. Последната се запълва със сух кварцов пясък 3. Във формовъчната вана се налива свързващото вещество 5, което преминава през пористата подложка и под действието на капилярните сили запълва пространствата около пясъчните зърна 4. Следва отделяне на касата от формовъчната вана, при което в резултат от гравитационните сили част от свързващото вещество изтича обратно от сместа. Необходимо е на този етап да се приложи принудително извличане на излишъка от свързващо вещество чрез прилагане на вакуумиране. По този начин се интензифицира процеса и се осигурява възможност за регулиране на количеството оставащо в сместа свързващо вещество, което оказва съществено влияние върху основните

33

технологични свойства на получената форма. Втвърдяването на сместа се осъществява чрез продухване с СО2 при използване на водно стъкло или карбофенова смола като свързващо вещество.

Основните етапи при получаване на пясъчна формовъчна смес чрез капилярно формоване са показани в обобщен вид на фиг. 7.2. Вторият етап на процеса – запълването на пространствата с капилярни размери между пясъчните зърна със свързващо вещество – може да бъде осъществен освен чрез използване на капилярния ефект и чрез гравитационно заливане. Това се налага главно

поради сравнително малката скорост на капилярния процес и ограничението по отношение на максималната височина на капилярно издигане на свързващото вещество. В същото време, при прилагане на гравитационно запълване на капилярните пространства със свързващо вещество чрез изливането му върху

І етап – формиране на капилярните пространства

ІІ етап – запълване със свързващо вещество

ІІІ етап – извличане на част от свързващото

вещество Фиг. 7.2 Етапи на получаване на пясъчна формовъчна смес чрез капилярно

формоване

1 2 3 4 5 6

1 – формовъчна вана 2 – леярска каса 3 – сух кварцов пясък 4 – капилярни пространства 5 – свързващо вещество 6 – пориста подложка

Фиг. 7.1 Схема на получаване на пясъчна формовъчна смес чрез капилярно внасяне на

свързващото вещество

след τ =1 мин.

след τ =3 мин.

след τ =7 мин.

34

предварително насипания в леярската каса кварцов пясък, се запазват напълно основните характеристики на метода “капилярно формоване”, посочени по-горе. 7.1.2 Основни технологични свойства на капилярно формовани смеси Подобно на традиционните формовъчни смеси, едни от най-важните техно-логични свойства на капилярно формованите смеси са якостните харак-теристики и газопропускливостта. Предвид спецификата на метода, факто-рите, влияещи най-съществено върху тези свойства, са едрината на зърната на леярския пясък и степента на разреждане на свързващото вещество. На фиг. 7.3 и фиг. 7.4 е показано влиянието на тези фактори при използване на карбофе-нова смола ALKAFEN C 150 в качеството на свързващо вещество. Прави впечат-ление, че едрината на пясъка практически не влияе върху якостта на смесите. Това е една от характерните особености на метода, свързана с механизма на формиране на връзката между пясъчните зърна при капилярно формоване. Газопропускливостта, подобно на класически получените формовъчни смеси, се определя основно от едрината на пясъка.

7.2 Изработване на пробни образци за определяне якост на опън и газопропускливост на капилярно формовани смеси Определянето на якостта на опън и газопропускливостта на капилярно формовани смеси се осъществява чрез стандартни по форма и размери пробни образци, използвани при класическите пясъчни формовъчни смеси. Използват се и стандартните уредби за този тип изпитвания. Поради спецификата на метода, обаче, за изработването на пробите се използват различни от традиционните методики и екипировки. На фиг. 7.5 е показана принципна схема на изработване на пробни образци тип “осморка” за определяне якостта на опън, а на фиг. 7.6 – основни етапи от този процес. Върху основната плоча 12, свързана с вакуум-системата 7, се центрира и уплътнява 6 междинната плоча 1, чрез профилния

Фиг. 7.3 Влияние на едрината на пясъка Dп.з. и степента на

разреждане на карбофеновата смола КС/В върху якостта ня опън Rr на капилярно формовани смеси

Фиг. 7.4 Влияние на едрината на пясъка Dп.з. и степента на

разреждане на карбофеновата смола КС/В върху газопропускливостта К на

капилярно формовани смеси

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0,10-0,16 0,16-0,20 0,20-0,25 0,25-0,32 0,32-0,40

Dп.з., mm

Rr,

MP

a КС/В = 1/1

КС/В = 1/2

КС/В = 1/3

0

100

200

300

400

500

600

0,10-0,16 0,16-0,20 0,20-0,25 0,25-0,32 0,32-0,40

Dп.з., mm

K, .

10-8 m

2 /P

a.s

КС/В = 1/1

КС/В = 1/2

КС/В = 1/3

35

отвор на която се оформя колекторното пространство 11. Върху нея се поставя филтърната мрежа 10. Формообразуващата част на стандартната екипировка 2, с предварително обмазана с растително масло работна повърхнина, се поставя върху филтърната мрежа и се уплътнява. Над нея се поставя допълнителната каса 3, която също се уплътнява. Следва запълване на формообразуващата каса и част от допълнителната каса със сух кварцов пясък 4. Разреденото с вода свърз-ващо вещество (водно стъкло или карбофенова смола) 5 се налива върху пясъка в

количество, осигуряващо запълването на капилярните пространства между пя-съчните зърна (трайно задържане на нивото му над нивото на пясъка). Включва се вакуумсистемата, при което излишното количество свързващо вещество се отделя през филтърната мрежа в междинния съд 8. След изключване на вакуум-помпата, формообразуващата се отделя от допълнителната каса и филтърната мрежа, намиращият се в нея пробен образец се втвърдява чрез продухване с СО2, уточнява се дебелината му чрез изрязване на излишната смес и се изважда от

1 2 3 4 5

789101112

6

1-междинна плоча 2-формообразуваща каса 3-допълнителна каса 4-сух кварцов пясък

5-свързващо вещество 6-уплътнения 7-вакуумсистема 8-междинен съд 9-гъвкав тръбопровод 10-филтърна мрежа 11-колекторно пространство 12-основна плоча Фиг. 7.5 Схема на изработване на пробни тела за определяне якост на опън

на смеси, получени чрез капилярно формоване

изходно положение

запълване със сух кварцов пясък

запълване със свързващо вещество

изтегляне на част от свъзв. вещество

Фиг.7.6 Основни етапи при изработване чрез капилярно формоване на пробни образци за определяне якост на опън

36

формообразуващата каса. По аналогичен начин се изработват и пробните образ-ци за определяне на газопропускливостта. 7.3 Последователност на провеждане на упражнението

1. Подготвяне на екипировките и уредбата за изработване на пробни образци чрез капилярно формоване

2. Подготвяне 3 варианта на разредено с вода водно стъкло – ВС/В = 3/1, 2/1 и 1/1 тегл. части

3. Изработване на пробни образци за определяне якостта на опън и газопропускливостта

4. Определяне якостта на опън и газопропускливостта на стандартните уредби

5. Анализ на получените резултати и определяне влиянието на степента на разреждане на водното стъкло върху изследваните свойства

37

Т Е М А № 8

Методи за машинно изработване на леярски форми и сърца 8.1 Основни теоретични постановки Осигуряването на по- висока производителност при получаване на отливки във форми, изработени от пясъчни формовъчни смеси, повишаването на качест-вото им, намаляването на ръчния труд, съответно и цената на продукцията, са тясно свързани с прилагането на методите за машинно формоване. Без тях е невъзможно и частичното или пълно автоматизиране на леярското производство. Формовъчните машини са основно звено от автоматизираните поточни линии за получаване на отливки, намиращи все по-широко приложение. Някои от най-разпространените методи за машинно изработване на леярски форми и сърца са: пресоване, стръскване, пясъкометно уплът-няване, пясъкодувно уплътняване, пясъкострелно уплътняване, импулсно уплътняване и др. 8.1.1 Уплътняване чрез пресоване При уплътняването чрез пресоване изработването на леярската форма се осъществява чрез еднократно притискане на предварително насипаната в леяр-ската каса формовъчна смес между две пресоващи плочи. Върху едната от тях е монтирана подмоделната плоча (т.н. “моделна блана”) с неподвижно закрепени към нея, най-често метални, модели, изработени от алуминиева сплав. В зависи-мост от разположението на моделите спрямо пресоващата плоча се реализират два основни варианта на пресоване – горно и долно – различаващи се по разпре-делението на степента на уплътняване на формовъчната смес по височина на леярската каса (фиг. 8.1). Освен по височина на касата, при пресоването се получава неравномерност в степента на уплътнение и в напречно сечение. В зоните над модела уплътня-ването на сместа е по-голямо, отколкото встрани от него. Тази разлика е толкова по-голяма, колкото е по-голяма височината на модела. В някои случаи се полу-чава и недостатъчно уплътняване на сместа непосредствено до стените на касата, което е предпоставка за деформиране или разрушаване на формата при следва-щите манипулации с нея. Основният уплътняващ фактор при пресоването е специфичното налягане р, което се определя по зависимостта:

F

Pp = , MPa

където: Р – пресоващо усилие, N F – площ на напречното сечение на формата (светъл отвор на касата), m2

38

Стойността на специфичното налягане р най-често е в диапазона 0,2 – 0,5 МРа. Неравномерното уплътняване по височина и, особено, по напречното сече-ние на формата, което е съществен недостатък на метода пресоване, се избягва при някои от по-известните му разновидности: високопресово формоване (р = 1,0 – 3,0 МРа), пресоване с податлива плоча, пресоване с еластична мембрана и др. 8.1.2 Уплътняване чрез стръскване Уплътняването чрез стръскване е един от най-разпространените методи за машинно изработване на леярски форми. Принципната му схема е показана на фиг. 8.2. Уплътняването се осъществява чрез многократно повтарящо се повди-гане на подвижната маса 5, върху която са неподвижно закрепени подмоделната плоча 3 с модела 2 и леярската каса 1, на височина 30 – 80 мм и следващото й падане върху неподвижната плоча 4. В момента на удара във формовъчната смес възникват кратковременно действащи инерционни сили, под чието влияние настъпва уплътняването й. То нараства с всеки следващ удар до достигане на определена стойност, след което практически остава постоянно.

Н

δδδδ

а

Н

δδδδ

б Фиг. 8.1 Принципна схема и разпределение на уплътнението на сместа по

височина на касата при: а – горно пресоване; б – долно пресоване

39

Подобно на пресоването, уплътнението на сместа е неравномерно по височи-на на касата. Разпределението му е както при долно пресоване, т.е. по-високо в зоната около модела и намаляващо към свободната повърхнина на формата. В същото време, в резултат на пружиниращото действие, което оказват намиращи-те се отдолу обеми смес, горната (свободната) повърхнина на формата не се уплътнява достатъчно. Там формовъчната смес остава практически с насипната си плътност. Поради тази причина стръскването обикновено не се използва самостоятелно като метод за уплътняване. Най-често то се комбинира със след-ващо допресоване, при което се постига необходимото уплътняване на свобод-ната повърхнина на формата. Независимо от редицата недостатъци, които притежава, основният от които е високото ниво на шум и вибрации, стъскването е широко прилагано при машинното изработване на леярски форми, най-вече поради доброто качество на уплътняване на сместа, високата производителност и не голямата сложност (т.е. ниската цена) на стръскващите машини. На фиг. 8.3 е показана схема на общото устройство и етап от процеса на работа на стръскващо-допресоваща машина FOROMAT.

Фиг. 8.2 Принципна схема на уплътняване чрез стръскване

Фиг. 8.3 Общо устройство и етап от работата на стръскващо-допресоваща машина FOROMAT

40

6.1.3 Пясъкодувно уплътняване Пясъкодувното уплътняване е метод, намиращ приложение основно за машинно изработване на леярски сърца и малки леярски форми. Понякога се комбинира с допресоване с цел подобряване разпределението на уплътнението по височина на сърцето или формата. Принципната му схема е показана на фиг. 8.4. Формовъчната смес се насипва предварително в бункера 1. Към плочата с отвори 3, наричана често “пясъкодувна глава”, се закрепва моделно-касовият комплект или сърцевата кутия. Бункерът се затваря херметически с плочата 2, през чиито отвори се подава сгъстен въздух с налягане 0,5 – 0,6 МРа. Преми-навайки през формовъчната смес, последният увлича частици от нея и ги транспортира в сърцевата кутия или леярска каса. По този начин се осъществява едновременно запълване и уплътняване на формовъчната смес за сметка на кинетичната енергия на частиците, която при отлагането им в кутията или касата се превръща в енергия на уплътняване. Въздухът излиза в атмосферата през специално изработени вентилационни канали за да се поддържа необходимата разлика в налягането. В края на процеса се прилага и допресоването.

Една от характер-ните особености на пя-съкодувното уплътня-ване са повишените изисквания към изпол-званите формовъчни смеси. Необходимо е те да притежават висо-ка газопропускливост и ниска якост на натиск в сурово състо-яние. В противен слу-чай се получава уплът-няване на сместа в бункера, особено в зо-ната около отворите за вдухване, което води до прекъсване на про-цеса след няколко ра-

ботни цикъла. Поради това, в някои конструкции на пясъкодувни машини се монтират механична бъркалка или странично и долно разположени аератори, чрез които периодически се разрохква сместа. Друга особеност на метода е непригодността му за работа със смеси на база водно стъкло и карбофенова смола, тъй като при преминаване на въздуха през тях започва процеса на втвърдяването им, което се отразява неблагоприятно върху якостните свойства на получаваните форми и сърца. Най-широко приложение пясъкодувното уплътняване намира за изработване на сърца от студено втвърдяващи се смеси с органични смоли, известни като методи на “студените кутии” (“Cold Box” – процеси).

Фиг. 8.4 Принципна схема на пясъкодувно уплътняване

41

6.1.4 Пясъкострелно уплътняване Пясъкострелното уплътняване се прилага основно за изработване на леярски сърца. Съществуват доста прилики между него и пясъкодувното уплътняване, но същевременно притежава и редица особености. На фиг. 8.5 е показана принцип-ната му схема. През бункера 2 и затварящата плоча 1 необходимото количество формовъчна смес се подава в изстрелващия цилиндър. Последният е поместен в пясъкострелната камера 3, отворен е от двете страни и в цилиндричната му част са изработени множество малки по размер отвори или прорези. Предварително подготвената сърцева кутия 5 се закрепва посредством подвижната маса 6 и хидроцилиндрите 7 към пясъкострелната глава 4, в която са изработени венти-лационните отвори 8. Пясъкострелната камера е свързана чрез нормално затво-рен бързодействащ широкоплощен клапан с резервоар за сгъстен въздух с обем 5-7 пъти по-голям от нейния и налягане на въздуха 0,6 – 0,7 МРа. При кратко-временно отваряне на клапана налягянето в пясъкострелната камера рязко се повишава и през отворите на изстрелващия цилиндър се предава върху формо-въчната смес. В резултат последната се уплътнява и се изстелва през отвора 9 на пясъкострелната глава. В следващия момент клапанът се затваря и отде-ля резервоара от камерата. Процесът на формиране на сърцето се осъ-ществява на два основни етапа:

1. Запълване на кутията със смес и предварително уплът-няване от кинетичната енер-гия на струята и пада в наля-гането.

2. Окончателно уплътняване от проникването на допълни-телна порция смес поради разликата в налягането на въздуха в сърцевата кутия и в изстрелващия цилиндър.

Някои от основните предимства на пясъкострелното уплътняване пред пясъкодувното са:

• постига се по-висока степен на уплътняване на сместа

• разходът на въздух е 3 – 5 пъти по-малък

• пясъкострелната глава е конструктивно по-проста от пясъкодувната и е подложена на по-малко абразивно износване

• няма ограничения към вида и свойствата на използваната смес

сгъстен въздух

Фиг. 8.5 Принципна схема на пясъкострелно уплътняване

42

8.2 Последователност на провеждане на упражнението*

1. Изработване на цилиндрични пробни образци от пясъчно-бентонитова смес чрез горно и долно пресоване

2. Определяне степента на уплътнение от двете страни на касата (чрез измерване на повърхностната твърдост по Дитерт) при различна височина на образците и еднакво пресоващо усилие

3. Анализ на получените резултати 4. Посещение в леярския цех на “ВАМО” АД и наблюдаване изработването

на леярски форми от пясъчно-бентонитови смеси чрез стръскване с допресоване и на леярски сърца от плакиран пясък чрез пясъкострелно уплътняване*

*Забележка: Лабораторното упражнение се провежда в рамките на две учебни занятия (седмици).

43

Т Е М А № 9

Изработване на леярски форми по метода на вакуумно формоване 9.1 Основни теоретични постановки Вакуумното формоване е един от най-новите и съвременни физични методи за изработване на леярски форми и сърца. Разрабатен е и внедрен за първи път през 1971 г. в Япония. Най-характерното за този метод е, че леярската форма се изработва от чист пясък, без свързващо вещество. Последователността на изработване на леярска форма по метода на вакуумно формоване е показана на фиг. 9.1. Моделната плоча 1, заедно с модела 2, се монтират върху вакуумната камера 3, която е свързана посредством каналите 4 с повърхността на модела и моделната плоча. Каналите 4 са с диаметър 0,5 – 1,0 mm. Посредством нагревателното устройство 5 (електрическо или газово) се нагрява пластмасовия лист 6 до температура 60 – 70 оС. При тази температура пластмасо-вият лист придобива максимална пластичност. Следва транспортиране на пластма-совия лист към модела и моделната плоча. В същото време вакуумната камера се включва към източника на вакуум (вакуумпомпата), в резултат на което пластма-совият лист прилепва плътно към повърхността на модела и подмоделната плоча – фиг. 9.1б. Върху така подготвения моделен комплект се поставя леярската каса 7 (фиг. 9.1в), която е със специална конструкция. Във вътрешността на касата са разположени перфорирани тръби 8, даващи възможност за вакуумиране на вътреш-ния й обем. В касата се насипва сух пясък 9 с добра насипна плътност, който се уплътнява чрез леко вибриране – фиг. 9.1г. Следва оформяне на леяковата чаша и покриване на повърхността на формата с пластмасовия лист 10, аналогично на покриването на модела и подмоделната плоча (фиг. 9.1д). По този начин леярската форма се херметизира, в резултат на което се осъществява и вакуумирането й. Създава се разлика в наляганета между околната среда(ра) и вътрешността на хер-метизираната с пластмасовото фолио леярска форма (рв). Тази разлика е причина за възникване на сили на триене между пясъчните зърна, под действието на които те се зацепват помежду си и остават неподвижни до разхерметизирането на формата или прекратяване на вакуумирането й. Става ясно, че връзката между пясъчните зърна е чисто физическа и зависи от разликата в налягането ∆∆∆∆р = ра – рв (фиг. 9.1е). Следващият етап от процеса на вакуумно формоване е отделянето на получе-ната полуформа от моделния комплект. За тази цел вакуумната камера се изключва от източника на вакуум и в кухината й се създава атмосферно налягане, което чрез каналите 4 се предава към повърхността на моделния комплект. Това дава възмож-ност полуформата, заедно с пластмасовият лист да се отдели от моделния комплект (фиг. 8.1е). По аналогичен начин се изработва и другата полуформа. Двете полуформи се събират и са готови за заливане със стопилка. Процесът на заливане на получената чрез вакуумно формоване леярска форма е аналогичен на гравитационното леене в

44

12

3

4

5

6

6

78

9

10

Pa

Pв

Pa

а

б

в

г

д

е

Фиг. 9.1 Технологична схема на процеса вакуумно формоване

45

пясъчни форми. Трябва да се подчертае, че в процеса на изработване на полуфор-мите, събирането им, заливането с метал и протичането на кристализацията и втвърдяването на отливката, формата е непрекъснато включена към вакуумсис-темата – фиг. 9.2. Общ вид и процес на заливане на леярски форми, получени чрез вакуумно формоване са показани на фиг. 9.3.

Фиг. 9.3 Общ вид (а) и процес на заливане с метал (б) на леярски форми, получени

чрез вакуумно формоване След втвърдяването на стопилката в леярската форма и достигане на опреде-лена температура на получената отливка, вакуумсистемата се изключва и в двете полуформи се създава нормално (атмосферно) налягане. При това положение фор-мата се саморазрушава, тъй като се разпада връзката между пясъчните зърна, и отливката се освобождава от нея.

към вакуумпомпата

към вакуумпомпата

Фиг. 9.2 Заливане на събрана форма, получена по метода вакуумно формоване

а б

46

Отливките, получени чрез вакуумно формоване, са с ниска грапавост и добра чистота на повърхнините. 8.2 Последователност на провеждане на упражнението

1. Изработване на леярска форма по метода вакуумно формоване 2. Стопяване и подготовка на алуминиева или цинкова сплав 3. Заливане на леярската форма със стопилка 4. Избиване от формата и анализ на получената отливка

47

Т Е М А № 10

Конструиране и изчисляване на леякова система 10.1 Основни теоретични постановки Леяковата система представлява система от канали, през които течният метал се подвежда до кухината на отливката в леярската форма.Тя оказва съществено влияние върху запълването на формата и протичащите процеси на кристализация и втвърдяване, поради което правилното й конструиране и ораз-меряване е от изключително значение за получаването на качествени отливки. На фиг. 10.1 са показани елементите, от които се състои една леякова система. Някои от тях се използват само в определени случаи, докато леяковата чаша (конус), леякът, шлакоуловителят и питателите могат да се смятат за задължителни.

Основните изисквания към леяковата система са: да осигури плавно и равномерно запълване на формата с метал, да създаде непрекъснат ламинарен поток на стопилката за да се предотврати засмукването на въздух и газове, завихрянето на метала и разрушаването на тънки участъци от формата, да осигури процесът на кристализация да започне след като течния метал достигне отливъците и мъртвите глави, да е с възможно най-малка дължина. Освен това, в леяковата система трябва да се задържат и попадналите по време на заливане шлакови и неметални включвания. В зависимост от разположението си във формата и нивото на подаване на метала леяковите системи биват три основни вида: странични, долни (сифонни) и горни – фиг. 10.2. Долните леякови системи осигуряват най-добри условия на запълване, но са трудни за изработване и с голяма дължина. Горните

Г

Д

1

2

3

4

1 2 3

Фиг. 10.1 Основни елементи на леякова система

1 – леяков конус 2 – леяк 3 – шлакоуловител 4 - питатели

Фиг. 10.2 Видове леякови системи 1 – странична 2 – горна 3 – долна (сифонна)

48

са най-къси и лесни за изработване, но поради лошите условия на запълване, които осигуряват се използват ограничено, за прости отливки с малка височина и без сърца. Най-широко приложение намират страничните леякови системи, при които шлакоуловителят и питателите се разполагат в делителната повърхнина. Изработването им е лесно и в повечето случаи осигуряват достатъчно добри условия на запълване. 10.2 Оразмеряване на леяковата система Конструирането на леяковата система се състои в определяне вида, броя и разположението на елементите й, на базата на технологичната проработка на конструктивния чертеж и чертежа на леярската форма (Тема № 11). След това се пристъпва към оразмеряването й, което се заключава в пресмятане на необходимите сечения на изграждащите я елементи. Известни са множество методи за оразмеряване на леякови системи, като повечето се свеждат до три основни етапа: 1.Определяне площта на най-тясното сечение, което обикновено е сечението на питателите ΣΣΣΣFп Сечението на питателите може да се пресметне по зависимостта на Озан, изведена на базата на хидродинамичния метод:

∑ =р

пH

GF

µβτ, sm2 {10.1}

където: ΣFп – сумарно сечение на питателите, sm2 G – общо количество на метала, преминаващ през леяковата система, kg µ - коефициент, отчитащ хидравличните загуби при движението на течния метал през леяковата система – Табл. 10.1 β - коефициент, зависещ от вида на сплавта (за стомани β = 0,317; за чугуни β = 0,31) τ - време за запълване на формата с метал, s Нр – разчетен металостатичен напор, sm Общото количество метал G, преминаващ през леяковата система, се определя по зависимостта: ∑ ∑++= .... гмслотл GGGG {10.2}

където: ΣGотл – общата маса на отливките във формата, kg Gл.с. – масата на метала в леяковата система ( G = 0,2 ΣGотл), kg Gм.г. – масата на метала в мъртвите глави (само частта, която се запълва през леяковата система), kg Времето за запълване на формата е един от най-трудно определящите се параметри, тъй като зависи от множество фактори. Една от често използваните зависимости, даваща добри резултати при средно- и дебелостенни чугунени и стоманени отливки, е тази на Дубицки-Соболев:

49

3 .. GS δτ = {10.3} където: S – коефициент, отчитащ вида на сплавта и начина на заливане на формата (Табл. 10.2) δ - средна дебелина на стените на отливката, mm G – общо количество на метала, преминаващ през леяковата система, kg Разчетния металостатичен напор Нр се определя по зависимостта {10.4}, съгласно схемата, показана на фиг. 10.3:

С

ВНН р 2

2

0 −= {10.4}

където: Н0 – височина на леяка (на горната каса при странична леякова система), sm В – височина на отливката над нивото на подаване на метала (височина в гор- ната каса при странична леякова система), sm С – обща височина на отливката във формата, sm 2.Определяне площта на сеченията на останалите елементи на леяковата система Fш и Fл Площта на сеченията на шлакоуловителя Fш и леяка Fл се определя в зависимост от вида на леяковата система, вида на сплавта, масата и степента на сложност на отливката. За целта могат да се използват данните от Табл. 10.3. След избиране на подходящо съотношение Fп : Fш : Fл се пресмятат и сеченията на шлакоуловителя и леяка. 3.Оразмеряване на сеченията на елементите на леяковата система Сеченията на питателите и шлакоуловителя най-често са с трапецовидна форма, а на леяка – с кръгла. В Табл. 10.4 и Табл. 10.5 са показани препоръчи-телни размери на трапецовидни сечения на шлакоуловители и питатели. Преди да се оразмерят питателите трябва да се пресметне сечението на един питател по зависимостта {10.5}, като се има предвид, че най-често те са с еднакво сечение. Диаметърът на леяка Dл в мястото, където се свързва с шлакоуловителя, се определя по зависимостта {10.6}, като във височина леякът се изработва разширяващ се, с наклон 2 – 4 градуса.

nm

FF п

п .

Σ= {10.5}

πл

л

FD

4= {10.6}

където: m – брой питатели на една отливка n – брой отливки във формата

H0

С

B

Фиг. 10.3 Схема за определяне на Нр

50

Трябва да се има предвид, че на различни етапи при оразмеряване на леяковата система се налага извършване на различни проверки и коригиране на пресмятанията, които в случая не са отразени с цел по-лесното възприемане на материала. Освен това, в реалното производство окончателното оразмеряване на леяковата система се осъществява в процеса на усвояване на технологията на леене. 10.3 Последователност на провеждане на упражнението

1. Анализ на геометрията, материала и степента на сложност на различни отливки и избор на вариант на леякова система.

2. Конструиране и оразмеряване на леяковата система за получаване на конкретна отливка при разработване чертеж на събраната форма – Тема 11

Таблица 10.1 средни стойности на коефициента µµµµ

съпротивление на формата материал на отливката

вид на формата голямо средно малко

чугун

влажна суха

0,35 0,41

0,42 0,48

0,50 0,60

стомана

влажна суха

0,25 0,30

0,32 0,38

0,42 0,50

Таблица 10.2 Стойности на коефициента S

Температура на заливане Вид на сплавта Начин на подаване на метала във формата нормална повишена сифонно или през дебелите стени

1,3 1,4 – 1,5

В средата на отливката или етажно

1,4 1,5 – 1,6

стомана Отгоре или през тънките стени

1,5 – 1,6 1,6 – 1,8

чугун независимо от начина на заливане

1,8 2,0

Таблица 10.3 ΣΣΣΣFп : Fш : Fл Вид на отливките

1,0 : 1,1 : 1,15 малки и средни чугунени отливки

1,0 : 1,06 : 1,11 малки и тънкостенни чугунени отливки

1,0 : 1,2 : 2,0 средни и големи чугунени отливки

1,0 : 1,2 : 1,4 много големи чугунени отливки

1,0 : 1,06 : 1,1 тънкостенни стоманени отливки

1,0 : 1,3 : 1,4 стоманени отливки до 10 т

1,0 : 1,4 : 1,6 стоманени отливки над 10 т

51

Таблица 10.4 Таблица 10.5

a

b

h

h = a h = 1.25a

h = 1,5a Площ на сечението на

шлакоуловителя, sm2

a b a b a b

1,0 11 8 - - - - 1,2 12 9 10 8 - - 1,6 14 10 12 9 11 8 2,0 15 12 14 10 13 9 2,5 16 13 15 11 14 10 3,0 18 15 16 12 15 11 4,0 21 18 18 14 18 13 5,0 23 20 22 15 20 14 6,0 26 21 24 17 22 16 7,0 28 22 26 18 23 17 8,0 30 25 27 20 25 18 10,0 33 28 30 23 28 20 12,0 36 31 33 26 31 22 14,0 39 32 35 28 33 23 16,0 42 34 38 30 36 25 20,0 47 38 42 33 40 28 25,0 52 43 48 36 44 32 30,0 58 48 52 40 49 35 40,0 65 54 59 47 56 38

a

bh

h=3 h=4 h=5 h=6 h=8 h=12 Площ на сечението

на питателя,

sm2

a b a b a b a b a b a b

0,4 15 12 - - - - - - - - - - 0,5 18 16 - - - - - - - - - - 0,6 21 19 16 14 - - - - - - - - 0,7 25 22 18 15 - - - - - - - - 0,8 28 25 21 19 - - - - - - - - 0,9 31 29 24 21 - - - - - - - - 1,0 35 32 25 23 21 19 18 15 14 11 - - 1,1 38 35 29 26 23 20 20 17 15 12 - - 1,2 41 39 31 29 25 22 22 19 17 13 - - 1,4 48 45 36 33 29 25 25 22 19 16 13 10 1,6 55 52 41 39 33 26 28 25 22 18 15 12 1,8 61 59 46 43 37 31 32 28 24 21 16 13 2,0 68 65 51 49 41 39 35 31 27 23 19 15 2,2 75 72 56 53 45 43 38 35 29 26 20 16 2,4 81 79 61 59 49 47 42 38 32 28 22 18 2,6 88 86 66 64 53 51 46 41 34 31 24 20 2,8 95 92 71 69 57 55 48 45 37 34 25 21 3,0 101 99 76 74 61 59 52 48 39 36 27 23

52

Т Е М А № 11

Технологична проработка на конструктивен чертеж и разработване чертеж на събрана форма

При усвояването на нови отливки в леярското производство, особено в случаите на серийно и масово производство, се налага разработването на т.н. “ леярски технологичен проект” . Той се състои от две основни части – конструктивна и технологична. Конструктивната част обикновено включва разработването на поредица от конструктивни чертежи, изясняващи в макси-мална степен необходимата моделно-касова екипировка, сушилни и контролни приспособления и др. Технологичната част е свързана с разработването на технологични карти (обща, маршрутна, операционни, контролни) и техноло-гични инструкции. 11.1 Технологична проработка на конструктивен чертеж Технологичната проработка на конструктивния чертеж е един от базовите чертежи. Той служи за основа при разработване чертежа на отливката, моделите и подмоделните плочи, сърцата и сърцевите кутии и др. Трябва да се отбележи, че преди да се пристъпи към него е необходимо да е направен анализ на технологичността на отливката и съответните промени, свързани с подобрява-нето й, доколкото и когато това е възможно. Технологичната проработка представлява доработване на конструктивния чертеж на готовия детайл, като е желателно да се използват различни (регла-ментирани) цветове. Основните й етапи и тяхната последователност са:

1. Определяне броя, вида и положението на делителните повърхнини и положението на отливката във формата. Обозначаването се извършва със стрелки и букви “Г” и “Д” и плътна синя линия с надпис над нея “Ф” или “МФ”(фиг. 11.1). Някои изисквания, които при възможност трябва да се спазят, са: делителните повърхнини да са минимален брой (най-добре една), възможно по-голяма част от отливката да е едностранно разполо-жена спрямо нея, сърцата да са минимален брой и др.

2. Решаване на въпроса, кои кухини в отливката ( в т.ч. всички отвори) на фаза отливка ще бъдат плътни и ще се получават чрез следваща механич-на обработка. Обозначаването се извършва с червен цвят, като в разрезите се щриховат по продължението на основната щриховка, а в изгледите се зачеркват с кръст.

3. Определяне на повърхнините, към които е необходимо да се предвидят прибавки за механична обработка, определяне на големината им и нана-сяне на чертежа. Прибавки се предвиждат към всички повърхнини на детайла, изискващи грапавост по чертежа, която се постига чрез механич-на обработка, независимо от вида й. За целта се използват стандарти, отчитащи вида на сплавта, метода на формоване, габаритните размери на отливката и др.(Табл. 11.1 и Табл. 11.2) Обозначават се с червен цвят (фиг. 11.1).

53

4. Най-често (но не задължително и не единствено) получаването на вътреш-ни кухини в отливките се осъществява чрез леярски сърца. На този етап се определя техният брой, форма, начин на закрепване във формата, положе-ние и размери на марките и др. За определяне на последните в някои случаи се използват стандарти (Табл. 11.3 и Таблл 11.4), но най-често се изхожда от основното им предназначение – да се осигури лесно залагане и стабилно закрепване на сърцето във формата. Всичко, касаещо изяснява-нето на сърцата, се обозначава на чертежа със син цвят (фиг. 11.1). На този етап е необходимо да се определят и нужните хлабини между марки-те на сърцето и съответните гнезда в леярската форма.

5. Определяне на формовъчните наклони. Обозначават се с червен цвят на всички повърхнини, перпендикулярни на делителната, които не се получа-ват от сърца. Големината им се определя по стандарти, в зависимост от метода на формоване, положението и височината им на изваждане и др. (Табл. 11.5)

6. Определяне на леярските закръгления. Предвиждането им е задължително за всички ръбове, явяващи се вътрешни за отливката. Радиусът им се определя на базата на средната дебелина на стените на отливката, които ги формират. Обозначаването им на чертежа се прави също с червен цвят (фиг. 11.1).

Други елементи на технологичната проработка, които в една или друга сте-пен са незадължителни, са: определяне броя и положението на питателите, обозначаване на делимите части на модела и положението на мъртвите глави, ако е необходимо да се предвидят такива, и др. На фиг. 11.1 е показан примерен вариант на технологична проработка на конструктивен чертеж. 11.2 Разработване чертеж на събраната форма Предназначението на чертежа на събраната форма е да изясни всички въпроси, касаещи броя и разположението на отливките във формата, вида, разположението и елементите на леяковата система, контрола при залагането на сърцата и др. Той служи като база при разработване чертежите на подмоделните плочи, леярските каси, някои контролни приспособления и технологични карти. При едросерийно и масово производство чертежът на събраната форма се разработва подробно, докато за сравнително прости отливки и малки серии се използва опростен вариант. Основните етапи при разработването му са:

1. Определяне на минималните разстояния между елементите на формата – между две кухини, между кухина и стена на касата, между кухина и горната (долната) повърхнина на формата и др. Тези разстояния представ-ляват фактически минималната дебелина на слоя формовъчна смес, способен да издържи на механичното и топлинно въздействие на течния метал при заливане на формата (Табл. 11.6)

2. Определяне броя и разположението на отливките във формата, като се имат предвид начинът на формоване (ръчно или машинно) и свързаните с него размери на касите, възможностите за разполагане на леяковата систе-

54

ма и мъртвите глави, формата и размерите на марките на сърцата, както и броя и положението на питателите, съгласно технологичната проработка.

3. Пресмятане сеченията на елементите на леяковата система, изхождайки от възприетия в т.2 вариант. Пресмятане на необходимото натежаване на формата за преодоляване подемната сила на течния метал при заливане и предотвратяване повдигането на горната полуформа.

4. Изработване на самия чертеж на събраната форма. Задължително се показ-ват две проекции – изглед към делителната повърхнина на долната полу-форма със заложени в нея сърца, преди затварянето й с горната полуфор-ма, и разрез на затворената (събраната) форма, готова за заливане с метал. При по-сложни форми се показват допълнителни пълни или частични разрези и изгледи, изясняващи в необходимата степен разположението на елементите им. В случаите, когато не се разработва отделен чертеж на леяковата система, формата, броя и площта на сеченията на елементите й се изясняват в специално разработени за целта изнесени разрези и сече-ния. При оразмеряване на чертежа се нанасят само размерите, изясня-ващи минималните габарити и взаимното разположение на елемен-тите на формата, без да се оразмеряват самите кухини, сърца, мъртви глави и др.

5. Оформяне на техническите изисквания, включващи: марка и химически състав на сплавта, температура на заливане, положение на формата при заливане, минимално време до избиване на отливките и др.

Примерен вариант на разработване на чертеж на събраната форма е показан на фиг. 11.2. 11.3. Последователност на провеждане на упражнението

1. Получаване на конструктивен чертеж на конкретен детайл. Анализ на технологичността му от гледна точка получаване чрез леене. Избор на начин на формоване.

2. Технологична проработка на конструктивния чертеж, съгласно изложеното в т. 11.1

3. Изработване на скица на чертежа на събраната форма, съгласно указанията, дадени в т. 11.2

55

Таблица 11.1

Таблица 11.2

Прибавки за механична обработка на чугунени отливки, ІІ клас на точност, mm

Номинален размер, mm Най-голям габаритен размер на отливката,

mm

Положе- ние на

повърхнината при заливане

До 30

Над 30 до 60

Над 60 до 100

Над 100 до 200

Над 200 до 300

Над 300 до 500

Над 500 до 800

Над 800 до 1200

Над 1200 до 1800

Над 1800 до 2600

Над 60 до 100

Отдолу Отстрани

2,0 2,5 2,5

Над 100 до 200

2,5 2,5 3,0 3,0

Над 200 до 300

2,5 3,0 3,0 3,5 3,5

Над 300 до 500

3,0 3,0 3,5 3,5 4,0 4,0

Над 500 до 800

3,0 3,5 3,5 4,0 4,0 4,5 4,5

Над 800 до 1200

3,5 3,5 4,0 4,0 4,5 4,5 5,0 5,0

Над 1200 до 1800

3,5 4,0 4,0 4,5 4,5 5,0 5,0 5,5 5,5

Над 1800 до 2600

4,0 4,0 4,5 4,5 5,0 5,0 5,5 5,5 6,0 6,0

Над 2600 4,0 4,5 5,0 5,0 5,0 5,5 5,5 6,0 6,0 7,0

Прибавки за механична обработка на стоманени отливки, ІІ клас на точност, mm

Номинален размер, mm Най-голям габаритен размер на отливката,

mm

Положение на повърхнината при заливане

До 3

0

Над 3

0 до 6

0

Над 6

0 до

100

Над 1

00 до

20

0

Над 2

00 до

30

0

Над 3

00 до

50

0

Над 5

00 до

80

0

Над 8

00 до

12

00

Над 1

200 д

о

1800

Над 1

800 д

о

2600

Над 2

600

До 100 отдолу и отстрани

2,0 2,0 2,5

Над 100 до 200

2,0 2,0 2,5 2,5

Над 200 до 300

2,0 2,0 2,5 2,5 3,0

Над 300 до 500

2,0 2,5 3,0 3,0 3,5 3,5

Над 500 до 800

2,5 2,5 3,0 3,0 3,5 3,5 4,0

Над 800 до 1200

2,5 2,5 3,0 3,5 4,0 4,0 4,5 4,5

Над 1200 до 1800

2,5 3,0 3,0 3,5 4,0 4,0 4,5 4,5 5,0

Над 1800 до 2600

2,5 3,0 3,5 3,5 4,0 4,0 4,5 4,5 5,0 6,0

Над 2600 3,0 3,0 3,5 4,0 4,5 4,5 5,0 5,0 6,0 6,0 7,0

56

Таблица 11.3

L

Дължина на марката l (не повече) при дължина на сърцето L, mm (a+b)/2

или D mm

до 50 От 51 до 150

От 151 до 300

От 301 до 500

От 501 до 750

От 751 до 1000

От 1001 до 1500

От 1501 до 2000

От 2001 до 2500

До 25 15 25 40 От 26 до 50

20 30 45 60

От 51 до 100

25 35 50 70 90 110

От 101 до 200

30 40 55 80 100 120 140 160

От 201 до 300

- 50 60 90 110 130 150 180 200

От 301 до 400

- - 80 100 120 140 160 200 220

От 401 до 500

- - 100 120 130 150 180 230 250

От 501 до 750

- - - 140 150 170 200 250 280

От 751 до 1000

- - - - 180 200 230 280 300

От 1001 до 1250

- - - - 200 230 250 300 330

От 1251 до 1500

- - - - - 250 280 330 350

57

Таблица 11.4

Височина на марката h (не повече) при дължина на сърцето L, mm

(a+b)/2 или D,

mm До 50

От 51 до 150

От 151 до 300

От 301 до 500

От 501 до 750

От 751 до 1000

От 1001 до 1500

От 1501 до 2000

Над 2000

До 25 20 25 - - - - - - - От26 до 50

20 40 60 70 - - - - -

От 51 до 100

25 35 50 70 100 120 - - -

От 101 до 200

30 30 40 60 90 110 160 200 -

От 201 до 300

35 35 40 50 80 100 150 190 200

От 301 до 400

40 40 40 50 70 90 140 180 190

От 401 до 500

40 40 40 50 60 80 130 170 180

От 501 до 750

50 50 50 50 60 70 120 160 170

От 751 до 1000

50 50 50 50 50 60 110 150 160

От 1001 до 1250

60 60 60 60 60 100 140 150

От 1251 до 1500

70 70 70 70 70 80 130 140

От 1501 до 2000

90 90 90 90 90 90 120 130

От 2001 до 2500

100 100 100 100 100 100 110 120

над 2501

110 110 110 110 110 110 110 110

L

58

Таблица 11.5

Формовъчни наклони, ββββо

външни повърхнини вътрешни повърхнини Височина на изваждане,

mm метални модели

дървени модели

метални модели

дървени модели

до 10 10 - 20 20 – 40 40 – 60 60 – 100 100 – 160 160 – 250 250 – 400 400 – 630 630 – 800 800 – 1000 1000 - 1150

- - 1 1

0о45` 0о45` 0о35` 0о35` 0о25`

- - -

- -

1о40` 1о40` 1о30` 1о10` 0о50` 0о45` 0о35` 0о30` 0о25` 0о24`

- -

1о30` 1о15` 1о05`

1о 0о55` 0о50` 0о40`

- - -

- -

2о30` 2о20` 2о10` 1о45` 1о15` 1о05`

1о 0о45`

- -

Таблица 11.6

Разстояние между елементите на формата

Разстояние, mm

Маса на отливката,

kg

между най-горната част на

кухината и горната

повърхност на формата

между най-долната част на

кухината и долната

повърхност на формата

между кухината и стената

на касата

между леяка и стената

на касата

между две

кухини

между кухината

и шлакоуло-вителя

До 5 5 – 10 10 – 25 25 – 50 50 – 100 100 – 250 250 – 500 500 – 1000 1000 – 2000 2000 – 3000 3000 – 4000 4000 – 5000 5000 – 10 000 над 10 000

40 50 60 70 90 100 120 150 200 250 275 300 350 400

40 50 60 70 90 100 120 150 200 250 275 300 350 400

30 40 40 50 50 60 70 90 100 125 150 175 200 250

30 40 50 50 60 70 80 90 100 125 150 175 200 250

30 40 50 60 70 100

- - - - - - - -

30 30 30 40 50 60 70 120 150 200 225 250 250 250

59

Ф 220

Ф50

Ф100

4 отв. Ф12

?14

180

30

Г

Д

Г

Д

10 o

7 o

2025

3,53

4

R5

0 50o І

A

A

Фиг. 11.1 Примерен вариант на технологична проработка на конструктивен чертеж

60

A

A

A - A

min

.

min.

Фиг. 11.2 Примерен вариант на разработване чертеж на събраната форма

61

Т Е М А № 12

Леене по газифициращи се модели 12.1 Основни теоретични постановки Леенето по газифициращи се модели, наречено още метод за леене в “пълни форми”, е един от най-новите технологични методи за производство на отливки от черни и цветни сплави. Основната разлика между него и останалите се състои в това, че моделът не се изважда от формата при заливането й със стопилка, а остава в нея. При навлизането на течния метал във формата, под действие на високата температура моделът се газифицира и освободеното по този начин пространство се запълва със стопилка. За изработване на моделите при този метод на леене най-често се използва пенополистирол. На фиг. 12.1 е показана схема на запълване на леярска форма, получена по газифициращи се модели. В този случай формата е изработена от формовъчна смес. При единично и дребносерийно производство леярските форми обикнове-но се изработват от пясъчно-бентонитови смеси. Не могат да се използват фор-мовъчни смеси, за втвърдяването на които е необходимо нагряване на формите. Основните изисквания към използваните формовъчни смеси, наред с общо-приетите, са висока газопропускливост и висока пластичност. Това е свързано с необходимостта от отвеждане на значително количество газове, образуващи се при заливане на формите със стопилка, вследствие газифицирането на моделите. Освен добрата газопропускливост на формовъчната смес е необходимо във формата да се направят допълнителни вентилационни канали за да се осигури пълното и безпрепятствено отвеждане на отделящите се при заливане газове.

1 – горна полуформа 2 – долна полуформа 3 – метална стопилка 4 – вентилационни канали 5 – газифициращ се модел (пенополистиролов) 6 – газова възглавница Фиг. 12.1 Схема на запълване със стопилка на леярска форма, получена по газифициращ се модел

1

2

3

4

5

6

62

Подаването на стопилката в леярската форма трябва да се осъществява чрез сифонна леякова система за да се осигури последователно газифициране на модела (отдолу нагоре) и равномерно запълване с метал. По този начин най-ефективно се предотвратява навлизането на отделящите се газове в стопилката и образуването на дефекти в отливките. Изключително перспективен е разглежданият метод на леене по газифици-ращи се модели, когато вместо формовъчна смес се използва сух пясък. В този случай формите се изработват без свързващо вещество, само от сух пясък, който може да бъде кварцов, цирконов, хромитов и др. По този начин отливките се получават с най-малък разход за изработване и избиване на формите. На фиг. 12.2 е показана схема на леярска форма, изработена от сух пясък по газафициращи се модели. Както се вижда, за да се осъществи формоването на газифициращите се модели със сух пясък е необходимо леякът да бъде израбо-тен от керамична тръба. Друга важна особеност е, че стопилката трябва да се налива равномерно, без да се допуска прекъсване на струята, като се осигури запазването на постоянна хлабина между стопилката и модела, т.е. “газовата възглавница” (фиг. 12.1) през целия процес на запълване на формата да бъде с еднаква дебелина. В противен случай, при увеличаване на дебелината й, може да се получи разрушаване (срутване) на формата пред фронта на движение на стопилката. Това във всички случаи е свързано или с прекъсване процеса на запълване на формата, или с промяна в конфигурацията на отливката в мястото

на разрушаване на формата. С цел да бъде предотвратено това разрушаване на формата при зали-ването й със стопилка е разработен метод за леене по газифициращи се модели, при който формата се изра-ботва от феромагнитен материал и при заливане се поставя в магнитно поле. По този начин феромагнитните частици се привличат една към друга под действие на магнитните сили, в резултат на което се предотвратява разрушаването на формата при евен-туално неравномерно запълване със стопилка. Като формовъчен материал се използват стоманени сачми, желе-зен прах, магнетитови пясъци (Fe3O4) и др. След втвърдяване на отливката магнитното поле се изключва и феро-магнитния материал преминава в на-сипно състояние. Това води до само-разрушаване на формата и освобож-даване на отливката от нея. Изборът на технологичен процес за изработване на газифициращите се модели се определя в зависимост от

1

2

3

4

5

6

1 – керамична леякова чаша 2 – керамичен леяк 3 – сух пясък 4 – пенополистиролови модели 5 – пенополистиролов питател 6 – основа от сух пясък Фиг. 12.2 Леярска форма, изработена от сух пясък по газифициращи се

модели

63

размерите на отливките и серийността им. При единично производство газифи-циращият се модел се изработва чрез механична обработка при високи скорости но рязане от стандартни плочи или блокове от пенополистирол, или чрез монтаж на отделни елементи. При производство на отливки с художествена стойност, изработването на газифициращи се модели може да се осъществи чрез поялник или други нагревателни съоръжения, като температурата на въздействие върху пенополистирола е около 150 оС. При серийно и масово производство моделите се изработват в пресформи чрез топлинна обработка на гранулиран полистирол. В практиката е намерил най-широко приложение двустадийният метод за изра-ботване на газифициращи се модели. Изходният гранулиран полистирол се подлага на предварителна топлинна обрабатка, в резултат на която полисти-роловите зърна (перли) набъбват, като увеличават значително обема си. С този вече разпенен до около 80 % обемни полистирол (пенополистирол) се запълва пресформата и се подлага на повторна, окончателна, топлинна обработка. В ре-зултат пенополистирола се доразпенва, като увеличава обема си до около 100 % обемни, при което отделните зърна се уплътняват в пресформата и се свързват помежду си. От степента на предварително разпенване на полистирола и повторното му доразпенване в пресформата се определя релефността на получения модел (фиг. 12.3).

1 2 1 2

За окончателната топлинна обработка на пенополистирола в пресформата се прилагат четири метода: ванен (в кипяща вода), автоклавен (в среда от прегрята пара), чрез топлинен удар (непосредствено въвеждане на топлоносителя в прес-формата – продухване с пара или горещ въздух), чрез използване на високо-честотен ток.

а б

1 – метална пресформа 2 – пенополистиролови зърна (перли)

Фиг. 12.3 Схема на формиране на повърхностния релеф на пенополистиролов модел

а – след запълване на пресформата с предварително разпенен полистирол (пенополистирол) б – след окончателно разпенване на предварително разпенения полистирол (пенополистирол)

64

За предотвратяване на пригара в отливките, получени по разглеждания метод, върху пенополистироловия модел се нанасят различни обмазки (противо-пригарни бои) на графитова, цирконова, кварцова и други основи. При серийно и масово производство леенето по газифициращи се модели може да се съчетава с метода за леене по стопяеми модели. В този случай пено-полистироловите модели се получават чрез леене под налягане. Моделните комплекти се покриват с огнеупорен слой, както при леенето по стопяеми модели. При изпичането на огнеупорната черупка пенополистироловите модели се газифицират и получената форма се подготвя за леене както при леенето по стопяеми модели. 12.2 Последователност на провеждане на упражнението

1. Изработване на газифициращи се модели от пенополистирол чрез изрязва-не с нажежаема нишка и поялник.

2. Получаване на моделния блок чрез свързване на моделите с леяковата система.

3. Формоване на моделния блок в леярска каса с използване на сух пясък или пясъчно-бентонитова смес.

4. Заливане на формата с алуминиева или цинкова сплав. 5. Избиване на отливката от формата и анализ на качеството й.

65

Т Е М А № 13

Леене по стопяеми модели 13.1 Основни теоретични постановки Получаването на отливки в леярски форми, изработени по стопяеми модели, е един от най-старите методи за получаване на ляти заготовки. Известен е от дълбока древност. През последните години получи извънредно широко разпро-странение във връзка с необходимостта от получаване на отливки със сложна конфигурация от труднообработваеми сплави, с понижена грапавост на повърх-нините и висока точност на размерите. При този метод леярската форма се получава като огнеупорно покритие върху леснотопим модел. След като модела се стопи, изгори или разтвори, във формата се образува кухина, в която след изпичане на формата (във вид на огнеупорна керамична черупка) се налива течния метал. По този начин, както формата, така и моделът се използват само веднаж. Грапавостта на работните повърхнини на получената леярска форма съответства на грапавостта на стопяемия модел. Получената отливка също е с ниска грапавост, съответстваща на грапавостта на модела, респ. на леярската форма. Посочените предимства на метода позволяват да се получават отливки със значително намалени или напълно липсващи прибавки за механична обработка. На фиг. 13.1 схематично са показани основните етапи на технологичния процес за получаване на отливки по стопяеми модели. На базата на чертежа на отливката, която трябва да се получи по разглеждания метод, се проектира и изработва пресформа за стопяемите модели. Типът на пресформата се избира на базата на точността и грапавостта на отливките и серийността на производ-ството. При масово и едросерийно производство пресформите се изработват от стомана или алуминиева сплав чрез механична обработка. Те, обикновено, са многогнездови, така че с едно пресоване на моделната смес да се получат няколко модела. При малки серии се използват пресформи, отляти от лесно-топима сплав с помощта на модел-еталон. При единично производство стопяе-мите модели могат да се получават и в моделни кутии, изработени от неметални мателиали – гипс, цимент, смоли, гума и др.

1а б

66

2в г

3

4

5

6

7

д е

8

9ж

67

При леене на художествени изделия широко се използват моделни кутии от еластични материали. Това са различни видове силикони, които преди формова-не са в течно или пастообразно състояние. След формоване и втвърдяване тези материали придобиват определена еластичност, с което силно се повишава възможността за лесно отделяне на стопяемия модел от кутията (фиг. 13.2).

10з

1 – моделна смес 2 – огнеупорна суспензия 3 – сух пясък 4 – поресто дъно 5 – въздух 6 – гореща вода 7 – нагревател 8 – керамична черупка (форма) 9 – опорен пълнител (пясък) 10 – метална стопилка

Фиг. 13.1 Схема на основните етапи при получаване на отливки по стопяеми модели

а – моделна кутия (пресформа) б – стопяем модел в – моделен комплект г – нанасяне на огнеупорно покритие върху моделния комплект д – обсипване на огнеупорното покритие с пясък е – освобождаване на огнеупорната черупка (форма) от стопяемия модел ж – укрепване на формата з – заливане на формата с метал

Фиг. 13.2 Използване на еластична моделна кутия за изработване на стопяеми модели

68

Съществуват голям брой материали, които се използват за изработване на стопяеми модели. Най-често използваните са восък, парафин, стеарин, колофон, церезин, полистирол и др. Обикновено стопяемите модели се изработват от смес на базата на посочените материали.най-разпространената моделна смес съдържа 50% парафин и 50% стеарин. При единични отливки, или при леене на художест-вени изделия, стопяемите модели могат да се изработват и от смес на базата на пчелен восък. Впрочем, в древността разглежданият метод е бил известен като метод за леене по восъчни модели. При сложни модели, с криви отвори и разширяващи се навътре кухини, в пресформата се залагат предварително изработени водоразтворими сърца, съдър-жащи карбамид и 0,3 – 3,0 % борна киселина. Готовият стопяем модел се потапя във вода, при което водоразтворимите сърца се разтварят. В някои страни като материал за стопяеми модели се използва живак. В този случай технологичните операции по изготвяне на модела и формата се извършват при минус 60 оС. Следващият етап от технологичния процес е прикрепването на моделите към общ леяк. Получава се т.н. “моделен блок” (фиг. 13.1в). при единично производ-ство моделите се закрепват към леяка с помощта на поялник. При серийно и масово производство това се осъществява чрез механично закрепване с помощта на метален скелетен леяк. Върху така изработения моделен комплект се нанася огнеупорно покритие (фиг. 13.1г), което се изгражда от няколко слоя. Всеки слой се получава чрез потапяне на моделния блок в суспензия, състояща се от свързващо вещество и прахообразен огнеупорен пълнител, и следващо обсипване с пясък (фиг. 13.1д). Суспензията, която се използва за първия слой, трябва да умокря добре модел-ния комплект, да не реагира с него и да се свързва добре със следващия слой. Като свързващо вещество за суспензията се използва предимно етилсиликат. Използват се също водно стъкло или стабилни колоидни разтвори на силициева киселина. Обсипването с пясък се осъществява най-добре в т.н. “кипящ слой”. Възду-хът, който се подава през пористо дъно, повдига пясъка в работната камера и предизвиква видимо размесване, подобно на кипене. В този “кипящ слой” се подава моделния комплект и по него полепват песъчинките. Следва изсушаване на слоя във въздушна или въздушно-амонячна среда. По същият начин се формират и следващите няколко слоя. Така се получава черупка с желаната дебелина (3,0 – 6,0 мм). Трябва да се отбележи, че при изра-ботване на втория и следващите слоеве, едрината на пясъка, с който се обсипва черупката, по принцип трябва да се увеличава. Важен момент при изработването на огнеупорната черупка е хидролизи-рането на етилсиликата. Само в такова състояние той притежава свързващи свойства. Хидролизата се извършва по формулата:

(C2H5O)4Si + 4H2O → H4SiO4 + 4C2H5OH Получената силициева киселина е неустойчива и се разлага на вода и зол. Золът от SiO2 е свързващото вещество, което преминава в гел и след това се втвърдява, като по този начин свързва твърдата фракция в суспензията (пясък в прахообразно състояние) и пясъчните зърна, с които се обсипва всеки слой от

69

керамичната черупка. Окончателното втвърдяване на гела от SiO2 завършва при изпичане на получените черупки. Хидролизата на етилсиликата протича с по-голяма скорост в присъствието на разтворител – алкохол или ацетон, и катализатор – солна киселина. Количест-вата на етилсиликата, водата, разтворителя и катализатора се определят по номограми. Процесът се осъществява при непрекъснато бъркане в специални съоръжения – хидролизатори. Огнеупорната суспензия се получава чрез смесване на хидролизирания етилсиликат с огнеупорния пълнител до получаване на определена подвижност на суспензията. Това се осъществява в друг смесител (бъркалка). Описаният метод за приготвяне на огнеупорната суспензия се нарича “разделен”, за разлика от “съвместния” метод, при който прахообразният пълнител се прибавя още в началото на процеса на хидролизиране на етилсиликата. Следващият етап е освобождаването на получената черупка (черупкова форма) от стопяемия модел. Това се осъществява чрез потапяне на моделния комплект и черупката в гореща вода или разтопена моделна смес, или чрез обдухване с горещ въздух или водна пара (фиг. 13.1е). След стопяване на моделите огнеупорната керамична черупка (фиг. 13.1е) се укрепва в каса с огнеупорен напълнител във вид на пясък (фиг. 13.1ж) и се изпича в пещи при температура 850 – 950 оС в продължение на няколко часа. След изпичането формата се залива в нагрято състояние със стопилка (фиг. 13.1з). В някои случаи черупките се изпичат неукрепени и след това се укрепват в каси и се заливат в студено състояние. Съществува и вариант, при който черупките не се укрепват с пясък. Те се изработват с по-голяма дебелина, с което се компенсира необходимостта от укрепването им. Получената отливка се освобождава от формата чрез разрушаване на керамичната черупка. При получаването на отливки от медни и алуминиеви сплави по стопяеми модели, изработването на леярската форма може да се осъществи и чрез използ-ване на течноналивни смеси на гипсова основа (фиг. 13.3). Течноналивната смес се приготвя чрез разбъркване на сухата маса (гипс и огнеупорен пълнител) с вода. Получената смес се излива в пространството между стопяемия модел и касата. След втвърдяването на сместа, получената форма се оставя при стайна

1

2

3

4

1 – течноналивна гипсова смес 2 – моделен блок 3 – метална каса 4 – подмоделна плоча Фиг. 13.3 Получаване на леярска форма па стопяем модел от течноналивна смес на гипсова

основа

70

температура в продължение на няколко часа. Следва изсушаване на формата при температура 100 – 150 оС, в резултат на което тя се освобождаваот стопяемия модел. След това леярската форма се изпича при температура 750 оС, в резултат на което безостатъчно изгарят всички остатъци от моделната смес. Отделя се и химически свързаната вода. В така изпечената леярска форма се залива метална стопилка. Заливането може да се осъществи както в нагрято състояние, така и при стайна температура на формата. При заливане със стопилка температурата на контакта метал – форма не трябва да превишава 1150 оС, тъй като при тази температура гипсът започва да се разлага и се отделя серен двуокис SO2, който предизвиква т.н. “ завиране” на формата – интензивно отделяне на газове (SO2), в резултат на което в отливката се получават дефекти от газов характер (газови шупли). След втвърдяване и охлаждане отливката се избива от формата и се почиства механично или чрез измиване с вода. На фиг. 13.4 са показани отливки на детайли, получени чрез леене по стопяеми модели.

13.2 Последователност на провеждане на упражнението*

1. Изработване на стопяеми модели от восъчно-парафинова моделна смес в еластични моделни кутии.

2. Ретуширане на получените стопяеми модели и запояване на леяковата система (изработване на моделния комплект).

3. Изработване на леярска форма от течноналивна гипсова формовъчна смес. 4. Освобождаване на формата от моделната смес чрез потапяне в тореща вода.

5. Изсушаване и изпичане на леярската форма. 6. Стопяване на медна или алуминиева сплав и заливане на изпечената форма.

7. Избиване и почистване на получената отливка и анализ на качеството на повърхнините й.

*Забележка: Лабораторното упражнение се провежда в рамките на две учебни занятия (седмици).

Фиг. 13.4 Отливки, получени чрез леене по стопяеми модели

71

Използвана литература

1. Ангелов Г.С., “Технология на леярското производство” , Техника, София , 1988

2. Ангелов Г.С., Македонски З.П., Добрев П.Д., Кирилов К.Л., “Ръковод-ство за курсово проектиране по технология на леярското производ-ство” , “Техника”, София, 1985

3. Ангелов Г.С.,Македонски З.П. и др. “Вакуумно формоване” , Техника, София, 1984

4. Бакърджиев И.В., “Теория на леярските процеси” , Варна, изд. на ТУ - Варна, 1993

5. Бакърджиев И.В., Радев Р.Й., “Ръководство за лабораторни упражне-ния по теория на леярските процеси” , Варна, изд. на ВМЕИ-Варна, 1980

6. Градинаров А. и др. “Ръководство за упражнения по металолеене” , ВТУ “А. Кънчев”, Русе, 1985

7. Иванов В. Н., Карпенко В. М.,“Художественное литье” , Вышэйшая школа, Минск, 1999

8. Мачугански П., Ботон М. и др., “Съвременни методи за изработване на леярски форми” , Техника, София, 1979

9. Николов Н.С., “Ръководство за лабораторни упражнения по техноло-гия на леярството” , Техника, София, 1982

10. Фетисов Г.П.,Карпман М.Г. и др. “Материаловедение и технология металлов” , Высшая школа, Москва, 2005

11. Handbook of Materials Selection, еdited by Myer Kutz, ISBN 0-471-35924-6, 2002 John Wiley & Sons, Inc., New York

12. Brown J.R.,Barlow J.,Bastin S.B. …”The Investment Casting Process: Fourth report of Institute Working Group T 20”,Foundryman, may 1997

13. www.castingarea.com