Технологический процесс литья драгоценных металлов и сплавов, от изготовления модели до получения необходимого количества отливок, делится на следующие стадии:
1. Изготовление мастер модели.
2. Изготовление резиновых пресс-форм.
3. Изготовление восковых моделей.
4. Изготовление восковой елочки.
5. Изготовление литейных форм.
6. Заливка металла в опоку.
7. Очистка отливок.
Рассмотрим каждую стадию в отдельности.
1.Изготовление мастер-модели.
Для дублирования ювелирных изделий методом литья необходимо изготовление мастер-модели будущих изделий. Мастер-модель изготавливается из специального воска, пластика или металла. Модели, изготовленные из модельного воска или пластика, отливают из металла и обрабатывают.
Металл, из которого делают мастер-модель, может быть различным – латунь, медь, золото, серебро, платина или любой другой твердый металл с температурой плавления более 300 градусов Цельсия. Мастер-модель изготавливают с учетом усадки резины, воска и металла. Нельзя допускать ошибки и неточности при изготовлении мастер-модели, так как, все дублированные изделия будут повторять эти ошибки и неточности.
На законченную мастер-модель желательно нанести слой никеля, родия или сплава «олово-никель».
Мастер-модель должна быть толще, чем готовое ювелирное изделие примерно на 10%, что бы учесть усадку резины, воска и золота, а так же припуски на опиловку и полировку. Например, мастер-модель для кольца размером 16 должна быть изготовлена размером 16,5.
После изготовления мастер-модели, к ней припаивают литниковый стержень диаметром 2-3,5 мм. Концы литниковых стержней делают в форме конуса по размеру подходящему к соплу воскового инжектора.
Литниковая система должна обеспечить правильное распределение воска, и в конечном итоге, металла к различным частям отливки, не допустив при этом разрушения формы, а так же завихрения при движении металла по литнику.
2 Изготовление резиновых пресс-форм.
Для получения резиновой пресс-формы необходимо иметь следующее оборудование и материалы.
1. Вулканизационный пресс.
2. Формовочную резину.
3. Металлическую прямоугольную обойму (формовочную опоку).
4. Формовочный нож.
5. Держатель для пресс-формы.
Вулканизационный пресс состоит из винтовой пары с маховиком, двух нагревательных плит и системы терморегулирования. Пресс предназначен для вулканизации сырой резины, которую устанавливают между двумя нагретыми плитами.
Модельная резина, используемая для изготовления пресс-форм, не должна вызывать коррозию мастер-модели и должна обладать хорошими эластичными свойствами. Резины используемые для изготовления пресс-форм бывают каучуковые и силиконовые. Кроме того, они подразделяются на усадочные и безусадочные.
Прямоугольная обойма (формовочная опока) изготавливается в разборном и цельном вариантах из легкого металла, например алюминия. Размеры отверстий опок могут быть различными в зависимости от формы мастер-модели. Кроме того, формовочная опока должна иметь широкие стенки, что бы она не ломалась при давлении вулканизатора.
Формовочный нож – это нож с лезвиями хирургического типа со стальной или пластмассовой ручкой, в которой имеются пазы для закрепления лезвий. Для разрезки формы применяют три типа лезвий – прямые заточенные с одной стороны, прямые заточенные с двух сторон и кривые. При разрезке резиновых пресс-форм очень важно, что бы лезвие было остро заточенное. Тупое лезвие приводит к облоям, создает заусеницы на восковках.
Держатели используются при разрезке резиновых пресс-форм. Они изготавливаются из металла и имеют обычно форму бельевой прищепки с острыми зубцами. Держатель крепко схватывает резину, что позволяет оттягивать ее при разрезке.
Силиконовые резины.
Силиконовые резины разработаны для изготовления пресс-форм, с использованием вулканизатора с температурой вулканизации 165-177 градусов Цельсия.
Технология изготовления резиновых пресс-форм из силиконовой резины.
1. Закрепить мастер-модель в формовочную опоку.
2. Разметить заготовки сырой резины.
3. Нарезать заготовки сырой резины.
4. Заполнить опоку резиной.
5. Установить опоку между двумя металлическими пластинами.
6. Вулканизировать опоку в течении 30-90 минут в зависимости от толщины при температуре 165-177 градусов Цельсия.
7. Извлечь пресс-форму из опоки.
8. Разрезать пресс-форму на две части.
9. Извлечь модель из пресс-формы.
Жидкие силиконовые резины.
Жидкие силиконовые резины разработаны для изготовления резиновых пресс-форм без использования вулканизатора. Затвердевание жидкой резины при комнатной температуре позволяет изготавливать модели, для которых температура и давление оказывают пагубное воздействие. Жидкие резины затвердевают около суток и практически не дают усадки.
В России с использованием импортных компонентов производится жидкая силиконовая резина ЛАСИЛ-Т. Это прозрачная высокопрочная двухкомпонентная резина холодного отверждения. Прозрачность резиновых форм изготовленных из ЛАСИЛ-Т существенно облегчает их разрезку, а также позволяет контролировать заливку воска.
Технология изготовления резиновых пресс-форм из жидкой резины.
1. Подготовить модель к заливке резиновой смесью. Для этого надо очистить ее поверхность от посторонних частиц, смазать вазелином или мыльным раствором для облегчения последующего отделения резины от модели.
3. Тщательно перемешать компоненты шпателем, избегая при этом перегрева смеси выше 35 градусов Цельсия.
4. Вакуумировать смесь 1-2 минуты для удаления пузырьков воздуха. Для этого необходимо поместить смесь в вакуумную камеру, добиваясь «поднятия» смеси (увеличения объема) и последующего «опадания».
5. Аккуратно залить приготовленную смесь в формовочную опоку поверх модели, избегая при этом захвата воздушных пузырьков. При комнатной температуре смесь полимеризуется за 18-24 часа. При повышении температуры смесь полимеризуется существенно быстрее, но при этом заметно увеличивается усадка резины.
6. Извлечь резиновую пресс-форму из формовочной опоки.
7. Разрезать пресс-форму на две части и извлечь модель.
3. Литье воска под давлением.
Воск нагнетается в резиновую пресс-форму при помощи воскового инжектора.
крышка
Нагревательный элемент
Схема воскового инжектора
Для повышения качества изготовления восковых моделей, многие процессы в современных восковых инжекторах автоматизированы. Литейщик только один раз подбирает все необходимые параметры для заполнения пресс-формы воском. В последующем все операции, включающие в себя сжатие половинок пресс-формы, доставка ее к соплу, центровка и заполнение формы воском происходит автоматически. Кроме того, инжектора снабжаются вакуумным блоком, с помощью которого внутри пресс-формы создается разрежение, что способствует лучшему растеканию воска в полости пресс-формы. Разборка пресс-формы и извлечение восковой модели производится вручную. Современные восковые позволяют:
· Контролировать температуру воска с точностью до 1©.
· Удалять воздух из пресс-формы, обеспечивая безупречное ее заполнение воском.
· Обеспечивать получение любых восковых моделей, как толстых, так и тонких, и любой степени сложности.
· Уменьшить процент отходов воска.
Инжекторные воски.
Сырьем для получения восковых моделей являются инжекторные воски различных марок, выпускаемые в плитках и гранулах, различающиеся по свойствам и соответственно по цвету.
Все сорта инжекторных восков безопасны, не токсичны и не канцерогенны.
Для достижения оптимальных результатов необходимо правильно выбирать сорт воска, учитывая при этом характеристики формы и производственные требования. К каждой разновидности форм и к каждому сорту воска предъявляются свои требования относительно давления, температуры и времени выдержки. Правильная комбинация этих составляющих может быть найдена только экспериментальным путем.
Кроме того, надо учитывать, что характеристики формы меняются при повторном нагнетании в нее горячего воска. Правильная комбинация данных для холодной формы может оказаться неправильной при повторном использовании. Таким образом, промежуток времени необходимый для охлаждения пресс-формы между нагнетаниями в нее воска, так же является одной из составляющих процесса изготовления восковых моделей.
Технология изготовления восковых моделей.
1. Заполнить инжектор воском.
2. Включить инжектор и расплавить воск.
3. Установить температуру воска необходимую для заполнения конкретной формы. (62-72©).
4. Установить на входе регулирующего клапана инжектора необходимое давление (0,2-1,0 кг/кв.см.) в зависимости от формы и толщины модели.
5. Заполнить пресс-форму модельным воском.
6. Охладить пресс-форму в течение 2-3 минут и извлечь восковую модель.
7. Для получения большого количества восковых моделей процесс повторяется многократно.
Восковую модель из пресс-формы необходимо удалять сразу же после затвердевания, то есть через несколько минут после нагнетания. Если оставить восковую модель в резиновой пресс-форме надолго, то он высыхает. При этом портится пресс-форма, а воск становится слишком хрупким и ломким, что приводит к порче восковой модели.
Дефекты восковых моделей.
| Вид дефекта | Причина возникновения | Способ устранения |
| Воздушные пузырьки в модели | Недостаточное количество воска в инжекторе | Заполнить инжектор воском |
| Воск слишком горячий или холодный | Отрегулировать температуру воска | |
| Недостаточный контакт между пресс-формой и соплом инжектора | Установить пресс-форму параллельно плоскости основания инжектора | |
| Давление слишком высокое | Понизить давление | |
| Форма не заполняется | Давление слишком низкое | Повысить давление |
| Воск холодный | Повысить температуру воска | |
| Литниковый канал слишком мал | Увеличить литниковый канал | |
| Инжектор забит | Очистить сопло инжектора | |
| Форма не заполняется | Недостаточный отвод воздуха из формы (воздушные пробки в форме) | Подправить надрезы в форме |
| Очистить надрезы формы | ||
| Форма переполняется | Давление слишком высокое | Понизить давление |
| Форма не закрыта должным образом | Закрыть форму правильно | |
| Воск слишком горячий | Понизить температуру воска | |
| Время нагнетания воска слишком велико | Сократить время нагнетания | |
| Восковая модель липкая, легко деформируется | Форма вскрыта слишком рано | Увеличить время остывания формы |
| Воск слишком горячий | Понизить температуру воска | |
| Усадки выше нормы | Форма слишком холодная | Нагреть форму |
| Температура воска слишком высокая | Понизить температуру воска | |
| Давление слишком низкое | Повысить давление | |
| Заменить воск | ||
| Недостаточная чистота поверхности | Форма слишком холодная | Нагреть форму |
| Температура воска слишком низкая | Увеличить температуру воска | |
| Воск оплавляется (заусенцы на поверхности модели) | Давление слишком высокое | Понизить давление |
| Форма не собрана должным образом | Правильно собрать форму | |
| Половинки формы слабо сдавлены между собой | Придавить форму сильней | |
| Воск слишком горячий | Понизить температуру воска | |
| Надрезы формы заплавлены, засорены или забиты воском | Очистить надрезы формы | |
| Недостаточно надрезов | Сделать дополнительные надрезы | |
| Трещины в восковой модели | Время остывания восковой модели слишком велико | Сократить время остывания |
| Выбран хрупкий сорт воска | Выбрать более пластичный воск | |
| Форма разрезана не должным образом. Извлечение восковой модели затруднено | Переделать пресс-форму для достижения легкого извлечения модели | |
| Оседание (для крупных моделей) | Неправильно выбран сорт воска | Выбрать воск с меньшей степенью усадки |
| Время нагнетания воска слишком мало | Увеличить время нагнетания воска | |
| Давление слишком низкое | Повысить давление | |
| Слишком узкое литниковое отверстие | Увеличить литниковый канал | |
| Воск слишком горячий | Понизить температуру воска |
4. Изготовление воскового дерева.
Изготовленные восковые модели собираются в единый блок – восковое дерево. Для изготовления воскового дерева требуется следующее оборудование и материалы.
· Восковый стояк
· Резиновая подставка - уплотнитель
· Держатель для воскового дерева
· Электрошпатель
Для изготовления воскового стояка используется специальный (литниковый) воск, который при выжигании выгорает быстрее, чем воск, из которого изготовлены модели. Это способствует свободному вытеканию восковых форм из литьевой опоки.
Стояк должен быть достаточно толстым (диаметр 5-7мм.), что бы жидкий металл, прежде чем затвердеть, смог достичь самых тонких частей модельной полости. Восковый стояк предназначен: для крепления (припаивания) восковых моделей; удаления воска при выжигании и вытапливании; движения расплавленного металла в модельную полость; подпитки отливок в процессе кристаллизации; уменьшения турбулентности при движении расплавленного металла по полости литейной формы. Изготавливается восковый стояк путем нагнетания литникового воска в металлическую пресс-форму при помощи воскового инжектора.
Резиновая подставка уплотнитель предназначена для уплотнения литейной формы (опоки), предотвращения вытекания формовочной массы и крепления воскового дерева внутри литейной формы. Представляет собой резиновый круг с наружными стенками, соответствующими по внутреннему диаметру наружному диаметру опоки, и глухим отверстием в середине круга предназначенным для крепления воскового дерева. Изготавливается путем вулканизации сырой резины в специальных, заданных размеров и конфигурации формах.
Держатель для воскового дерева предназначен для удобного припаивания восковых моделей на восковый стояк. Держатель устроен так, что бы при сборке воскового дерева, восковый стояк с уплотнителем можно было поворачивать вокруг нескольких осей. Это обеспечивает, при сборке дерева, доступ электрошпателем к любой точке воскового стояка, исключая повреждение уже напаянных восковых моделей.
Электрошпатель предназначен для припаивания восковых моделей к восковому стояку. Представляет собой обыкновенный паяльник с набором наконечников различной конфигурации и устройством для регулировки температуры.
Технология сборки воскового дерева.
1. Изготовить восковый стояк.
2. Закрепить восковый стояк на резиновую подставку – уплотнитель.
3. Установить восковый стояк с уплотнителем на держателе.
4. Прикрепить к стояку по кругу восковые модели при помощи электрошпателя. Угол между восковым стояком и литником восковой модели должен быть равен от 45 до 80 градусов. Расстояние между ближайшими точками соседних моделей не менее 3 мм. При креплении восковок к литнику необходимо сначала сделать в нем лунку с помощью электрошпателя. Затем вставить в эту лунку литник восковой модели, и пропаять, проводя наконечником нагретого электрошпателя вокруг места контакта литников.
1. Восковое дерево должно собираться из восковых моделей приблизительно одинаковой толщины стенок в сечениях. Это необходимо потому, что при заливке металла в опоку в зависимости от толщины стенок восковых моделей устанавливается температура заливки сплава, то есть для моделей с толстыми стенками температура заливки меньше, чем для моделей с тонкими стенками.
2. Если все же необходимо отливать модели с тонкими и толстыми стенками одновременно, то тонкие модели следует располагать на вершине елочки и ближе к стволу, а толстые внизу и ближе к внешней стороне. Огнеупорная смесь (формовочная масса) у краев опоки имеет более низкую температуру (что нужно для толстых моделей), чем в центре опоки.
3. Толстые восковые модели не должны размещаться на елочке своими большими поверхностями близко друг к другу. Надо устанавливать модели так, что бы малые поверхности одних моделей располагались около больших поверхностей других. Когда металл залит в опоку, большие поверхности, расположенные близко друг к другу, будут дольше остывать из-за излучения тепла друг от друга. Это может привести к порам в отливке.
4. При изготовлении воскового дерева модели следует располагать под острым углом к восковому стояку. Такое расположение облегчает выжигание воска, а так же способствует плавной заливке расплавленного металла по всем полостям литейной формы.
5. Расстояние от верхушки литниковой чаши до нижнего ряда восковых моделей должно составлять не менее 10мм. Нижний ряд воскового дерева, расположенный непосредственно около литниковой чаши, не всегда хорошо заполняется металлом, то есть, возможно образование недоливов.
6. Изготовление литейных форм.
Следующий этап работы заключается в том, что восковое дерево, помещают в опоку и заливают огнеупорной гипсовой смесью (формовочной массой).
Формовочная масса состоит их химически чистого кристоболита, высокопрочного гипса, кремнезема, а так же модифицирующих веществ (замедлителей), регулирующих скорость затвердевания гипса.
Кристоболит – это минерал вулканической породы, его получают, нагревая кремнезем до температуры 1470-1670©. Формовочная масса, содержащая кристоболит не растрескивается при заливке расплавленного металла.
Гипс – используется в формомассе как связующий материал.
Кремнезем – это двуокись кремния SiO2. Он действует на огнеупорную смесь как стабилизирующий фактор при нагревании для выжигания воска и охлаждения непосредственно перед отливкой.
Модифицирующие вещества – это специальные добавки (борная кислота, сернокислый алюминий, мочевина и т.д.) которые снижают окисляемость сплавов, а так же замедляют схватывание гипса.
При выборе формовочной массы необходимо обращать внимание на следующие ее характеристики:
1. Формомасса должна выдерживать требуемую для ее прокаливания температуру (760©), не давая при этом трещин.
2. Формомасса должна выдерживать температуру заливки металла (для золота около 1020©), а так же давление расплавленного металла, который затекает в форму с большой скоростью.
3. Формомасса не должна содержать химически вредных веществ, которые могут привести к коррозии или окислению опоки и отливок.
4. Формомасса должна позволять быстрое и легкое извлечение отливок из опоки после литья.
В настоящее время имеются превосходные формовочные смеси, выпускаемые различными зарубежными фирмами:
1. KERRCast (США)
Предназначена для работы с золотом и серебром. Имеет мелкозернистую структуру. В силу своих превосходных характеристик, на сегодняшний день является самой используемой ювелирами. Позволяет легко отделять форму в холодной воде.
Основные характеристики:
Время работы:……………………………..9-10мин.
Максимальная температура обжига:……..не более760©.
Температура металла при заливке:………не более 1093©.
2. Hoben International (Англия)
GoldStar 21 и GoldStar Ultima
Представляют собой формовочные смеси повышенной термической стойкости. При характеристиках близких к SatinCast 20 имеют более низкую цену. GoldStar Ultima специально разработана для высокотемпературных сплавов, таких как белое золото и другие сплавы температура плавления которых не превышает 1300©.
Основные характеристики:
Время работы:……………………………..7,5-9мин.
Время прокаливания опоки:……………...не менее 6 часов.
Максимальная температура обжига:…….не более740©.
Время работы:……………………………..9-11мин.
Время затвердевания опоки:……………..10-11мин.
Время прокаливания опоки:……………...не менее 6 часов.
Максимальная температура обжига:…….не более850©.
Температура металла при заливке:………не более 1300©.
3. SRS Ltd (Англия)
Eurovest-exstra, Eurovest-standart, Eurovest-E2
Имеют уникальный состав, разработанный для повышения устойчивости к термоудару во время циклов нагревания и охлаждения. У них высокие прочностные характеристики, они легко смачиваются и разводятся водой, давая при этом тонкую, жидкую консистенцию. Это приводит к образованию поверхностей высокого качества и позволяет использовать эти формомассы для всех металлов и их сплавов. Их можно использовать как для отливки крупных изделий, так и для тонкой филигранной работы.
Основные характеристики:
Время работы:……………………………..8-9мин.
Время затвердевания опоки:……………..11-12мин.
Время прокаливания опоки:……………...не менее 6 часов.
Максимальная температура обжига:…….не более 750©.
Температура металла при заливке:………не более 1100©.
Подготовка воскового дерева для заливки формовочной массой.
Прежде чем залить формовочную массу в опоку, глее установлено восковое дерево, необходимо провести обезжиривание восковых моделей.
Обезжиривание воскового дерева проводят в спирте или четыреххлористом углероде. Обезжиривание производится путем окунания воскового дерева 5-6 раз в ванну с раствором. Затем просушить восковое дерево на воздухе.
Обезжиривание воскового дерева можно производить так же и с помощью мыльного раствора. Его готовят, растворив 7-8 граммов стирального порошка в 1 литре теплой (35-40©) воды. После этого восковое дерево промывают в холодной воде и просушивают с помощью вентилятора.
Для обезжиривания можно так же использовать препараты изготовленные специально для этих целей:
Film-o-wax раствор, снижающий поверхностное натяжение. Наносится на восковые модели с помощью мягкой кисти или пульверизатором.
Rio-vacu-film смачивающий раствор, предотвращающий образование воздушных пузырьков на поверхностях моделей во время заливки формомассы.
На многих предприятиях не пользуются смачивающими растворами, считая, что хорошее вакуумирование опок достаточно для получения хорошего результата. Однако практика показывает – без использования смачивающих растворов – нельзя получить качественные отливки.
Опоки для литья.
Опоки для литья это трубы из нержавеющей стали разного диаметра и разной высоты. Опоки для вакуумного литья имеют более сложную форму. На поверхности этих опок имеется множество отверстий, через которые происходит всестороннее вакуумное всасывание и быстрое остывание краев опоки после заливки расплава.
Опоки должны плотно входить в резиновые уплотнители, что бы не было утечки формомассы. Перед использованием, опока должна быть тщательно очищена от остатков старой формомассы, а внутреннюю ее поверхность необходимо очистить от ржавчины с помощью железной щетки. Размеры опок выбирают в зависимости от количества отливок, их габаритов и возможностей литейной машины. Опока размером 100x150 означает, что она имеет диаметр 100мм. и высоту 150мм.
Технологический процесс получения литейных форм
Состоит из следующих технологических операций:
1. Приготовление водяной суспензии.
2. Перемешивание смеси.
3. Вакуумирование смеси
4. Вибровакуумирование.
5. Вытапливание воска.
6. Отжиг опоки.
Приготовление водяной суспензии.
Для приготовления водяной суспензии рекомендуется соотношение «порошок-вода» 100-40 или 100-38. Это означает, что для приготовления суспензии следует 100 грамм порошка смешивать с 40 мл. или с 38мл. воды. Соотношение 100-38 используют для обычного литья, а 100-40 для литья тонких филигранных изделий. Воду отмеряют с помощью мерительной емкости, а порошок взвешивают на весах.
Температура суспензии должна быть около 20©.
Для определения массы воды требуемой для заполнения опоки, содержащей восковые модели, надо осторожно залить опоку водой комнатной температуры, а затем вылить воду в мензурку. Если известна масса воды, требуемой для заливки в опоку, то массу порошка можно вычислить следующим образом:
Заливаем опоку
Перемешивание смеси
Перемешивают порошок с водой, с целью получить однородную массу при помощи миксера. При длительном и тщательном замешивании ускоряется процесс схватывания, и получаются качественные отливки с более гладкими поверхностями. Нельзя перемешивать смесь слишком быстро. Это приводит к поднятию воды в верхнюю часть опоки, поскольку она легче, чем порошок формомассы и как следствие, к образованию дефектов на отливках.
Вакуумирование смеси.
Полученная суспензия помещается под вакуумный колпак для удаления воздуха из суспензии. Если воздух из суспензии не удалить, то он прилипает к восковым моделям в виде воздушных пузырьков, что приведет к дефектам на отливках. Вакуумирование производится при давлении 1400Па в течение 2-3 минут.
При вакуумировании суспензии, воздух из-под колпака удаляется за счет снижения давления. Когда давление над суспензией достаточно понизится, суспензия в емкости начнет кипеть, что приведет к полному удалению из нее воздуха. Затем суспензию медленно, что бы не поломать восковые модели заливают в опоку до тех пор, пока уровень суспензии не поднимется не менее чем на 10мм. выше восковых моделей.
Опоки, залитые суспензией помещают под вакуумный колпак, установленный на вибрационном столе. Вибрация и одновременное вакуумирование позволяют суспензии полностью обтекать восковые модели, и окончательно удаляет пузырьки воздуха. Процесс продолжается от 1 до 2 минут при давлении 1400 Па. За это время суспензия снова сильно поднимается, затем оседает и начинает кипеть.
Современное оборудование позволяет объединить операции приготовления, вакуумирования, перемешивания и заливки опок суспензией в единую операцию при помощи вакуумного миксера. Вакуумный миксер удаляют газы из компонентов перед смешиванием, смешивает и вакуумирует суспензию, имеет устройство для заливки и вакуумирования опок. Он позволяет менять скорости перемешивания в зависимости от типа формомассы, а так же программировать время перемешивания, параметры вакуумирования и виброобработки.
Вытапливание воска и обжиг опоки.
После того как формомасса затвердеет, надо снять с нее резиновую подставку уплотнитель и удалить излишки формомассы на ее краях и боковых стенках. Модельный воск вытапливается паром, или в прокалочной печи во время обжига опоки. Операция вытапливания воска с последующим обжигом является важнейшей фазой в литейном деле. Поэтому обжиг опок необходимо проводить в строгом соответствии с разработанными режимами прокаливания формовочных масс. Рекомендуемый изготовителем режим прокаливания обычно прилагается к каждой упаковке с формовочной массой. При отклонении от указанных режимов прокаленные опоки могут дать трещины, неровности и другие дефекты на отливках. При температуре 90-100© большая часть воска расплавляется и вытекает через литниковое отверстие. Пар, образующийся в результате нагревания опоки с влажной формомассой, помогает удалению воска из полостей формы. Оставшаяся часть воска при последующем нагревании до 550© превращается в сажу. При температуре 750© сажа соединяется с кислородом воздуха, образуя газообразное соединение, и полностью удаляется. При этом печь должна вентилироваться. В современных производствах используются прокалочные печи с программируемыми регуляторами температуры. Преимущества таких печей заключаются в том, что они позволяют экономить рабочее время. Запрограммировав печь, можно прокаливать опоки в нерабочее время, подготавливая их к заливке на следующий день.
1. Опоки, залитые формовочной массой нельзя долго хранить в холодной печи. Если залитые опоки нужно хранить долго, то их заворачивают в мокрые тряпки. Если формомасса высохнет, то при вытапливании воска из опоки он будет впитываться в поры формомассы, осложняя в последствии процесс заливки опок расплавленным металлом.
2. При вытапливании воска из опоки ее необходимо медленно прогреть до 200©. В противном случае, если прогревание вести быстро, то пар, образовавшийся в модельных полостях, расширяется быстрее, чем выходит через литниковое отверстие, и как следствие может произойти деформация модельных полостей, что приведет к браку отливок.
3. Камера печи, где происходит обжиг опок, должна вентилироваться. При этом печь должна вентилироваться. Недостаточная вентиляция прокалочной печи, приводит к забиванию пор формомассы золой, в особенности при большом количестве одновременно прокаливаемых опок, или при очень кратковременных циклах обжига опок.
4. Нельзя нагревать опоку выше максимальной температуры указанной фирмой изготовителем (как правило, 760©), При превышении максимальной температуры происходит разрушение гипсовой связки, кроме того, металл, залитый в такую опоку, будет медленно остывать, что приводит к пористости и плохой чистоте поверхности отливок.
KEER полный цикл 100х200мм.
2 часа 149©
2 часа 371©
2 часа 482©
4 часа 732©
2 часа температура заливки (580©)
При литье по выплавляемым моделям с принудительной заливкой металла в форму применяются различные литейные установки и устройства: центробежные литейные установки, ваккумные литейные установки, центробежно-ваккуумные литейные установки.
Ассортимент продукции, выпускаемой Воронежским механическим заводом, чрезвычайно широк: ракетная техника, жидкостные ракетные двигатели, поршневые двигатели для авиации, нефтегазовое оборудование, автозаправочные станции, оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции, сложная медицинская техника, узлы и блоки для автомобильной и тракторной промышленности, бытовые электрические и газовые плиты… Этот список можно продолжать и продолжать.
Работу предприятия характеризуют «космические» требования, предъявляемые к производимой продукции, сложность и разнообразие используемого оборудования, наличие высококвалифицированного персонала. Однако для выпуска изделий высочайшего качества одних этих факторов было бы недостаточно. Современное производство мертво без передовых технологий.
И здесь наш завод не отстает от требований времени. Наряду с традиционными, на предприятии успешно внедряются новые уникальные технологии, являющиеся ноу-хау в металлургии. Используя метод вакуумного литья на основе нержавеющих особо прочных сталей, наши специалисты создали серию новых высокопрочных материалов, которые могут применяться в сероводородной среде при температуре от –253 до + 800 °C .
Литье в оболочковые керамические формы позволяет получить высокоточные литые детали сложного профиля, практически исключающие необходимость дополнительной обработки (чистота поверхности составляет 20-40 мкм), сократить металлоемкость изделий, не снижая при этом надежности.
Введение
В мировой практике для изготовления корпусов задвижек и угловых штуцеров высокого давления, применяемых в фонтанной арматуре нефтегазового оборудования, используют заготовки, полученные из стальных поковок и штамповок, или литые заготовки, выполненные обычным способом литья, так называемым литьем «в землю». Разработчики и изготовители корпусных заготовок традиционно отдают предпочтение кованым заготовкам. Литые заготовки используются реже, поскольку литые материалы обладают более низким комплексом механических характеристик и имеют значительно больше дефектов в виде различных примесей и включений. По плотности структуры литье также уступает кованому материалу, что особенно характерно для изделий с массивными стенками. Поэтому использование литых корпусных деталей в запорно-регулирующих устройствах (ЗРУ), как правило, ограничено невысокими давлениями (до 21 МПа).
На Воронежском механическом заводе (ВМЗ) решили изменить такое положение дел. Чтобы получить литые крупногабаритные заготовки для запорно-регулирующих устройств высокого давления, на ВМЗ впервые в мировой практике применили метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). Последовательное и направленное затвердевание отливок в нагретой оболочковой форме ЛВМ создает условия, благоприятные для фильтрации жидкого расплава из прибыли в двухфазную область отливки и получения плотного металла.
Обычно методом ЛВМ изготавливают тонкостенные отливки сложной конфигурации повышенной плотности, масса которых не превышает нескольких килограммов, а толщина стенок составляет от 5 до 10 мм. Освоение производства массивных отливок ЗРУ потребовало новых технологических решений, позволяющих расширить возможности традиционного процесса ЛВМ.
При заливке оболочковых форм, заформованных в опорный наполнитель и нагретых до высокой температуры, резко замедляется отвод тепла от затвердевающих стальных отливок. Возрастание толщины и массы отливок при изготовлении литых корпусов ведет к увеличению продолжительности затвердевания отливки и, как следствие, к появлению дефектов усадочного характера.
Для изготовления ЗРУ высокого давления (до 105 МПа) требовались высококачественные корпусные заготовки размером до 700 мм и более, массой до 500 кг и с толщиной стенок и фланцев до 60 и 110 мм соответственно.
Постановка задачи
Одной из основных проблем, с которыми столкнулись специалисты Воронежского механического завода, было обеспечение питания отливки металлом, поскольку сложность изготовления керамической оболочки и длительность технологического процесса затрудняли поиск оптимальных условий кристаллизации.
Чтобы решить эту проблему, для анализа процессов кристаллизации отливки типа «Корпус» была использована система автоматизированного моделирования литейных процессов LVMFlow, имеющая ряд преимуществ по сравнению с аналогичными системами, представленными на мировом рынке. Работа LVMFlow основана на методе конечных разностей (МКР), позволяющем анализировать заполнение формы расплавом с учетом предварительного прогрева формы. При этом необходимость прорисовки керамической оболочки во внешней конструкторской программе отпадает, поскольку система позволяет создать оболочковую форму в течение нескольких секунд.
Конструкция детали может быть представлена в виде двух взаимопроникающих под углом 90° цилиндрических тел с протяженными тонкими стенками и массивными фланцами. Ее особенностью является выраженная разнотолщинность (соотношение толщин стенок и фланцев составляет 30:100 мм), а также наличие термических центров в местах переходов от тонких элементов к толстым.
Исходя из известных закономерностей формирования отливок, можно утверждать, что литье такой конструкции приведет к появлению дефектов усадочной природы. Чтобы избежать этого и обеспечить герметичность, необходимо добиться последовательного развития кристаллизации отливки с соблюдением принципа направленного затвердевания. Безусловно, достижение искомого результата во многом зависит от расположения отливки при заливке, поэтому были рассмотрены два основных варианта такого расположения: вертикальное (рис. 1 а ) и горизонтальное (рис. 1 б ).
В первом случае керамическую оболочку размещали таким образом, чтобы проходной канал отливки формировался в горизонтальном положении, а корпус шиберного канала в вертикальном. На каждый массивный элемент в отливке (три фланца) устанавливали индивидуальные прибыли. Наиболее протяженные стенки во время заливки ориентировали в керамической оболочке вертикально. При таком расположении питание стенок в процессе затвердевания происходит последовательно через массивные фланцы по направлению к прибылям.
На центральном и двух боковых фланцах устанавливали местные прибыли (одну кольцевую и две прямоугольные), сообщающиеся между собой через литниковые ходы, что позволяло на завершающем этапе заливки подводить горячий металл в боковые прибыли. Расплав поступал в полость оболочки через металлоприемник и четыре распределительных канала.
Конструкция ЛПС приведена на рис. 2 .
В зоне массивного «глухого кармана», расположенного в нижней части отливки, для усиления направленности затвердевания металла был применен холодильник. Керамическую оболочку формовали в опоку шамотным наполнителем, а заливку расплава осуществляли в нагретые до 750 °С формы. Температура расплава составляла порядка 1590 °С.
Качество полученных отливок контролировалось с помощью рентгенографического просвечивания, а герметичность корпусов посредством гидростатических испытаний.
Анализ полученных данных показал, что характерный дефект корпусных отливок при таких условиях формирования отливки рыхлота и пористость. В наибольшей степени это проявляется в стенках горизонтально расположенного проходного канала. При этом наиболее сильно пораженными оказались места переходов от тонкостенных элементов канала к фланцам и массивная часть глухого канала. Несколько менее рыхлота присуща вертикально расположенным стенкам нижнего яруса корпуса и вертикально ориентированным боковым фланцам.
Поскольку полученное распределение дефектов не отвечало требованиям герметичности отливок, был применен второй способ горизонтальное расположение.
Формирование отливки в керамической оболочке является очень сложным процессом, поэтому учесть все факторы, влияющие на процесс кристаллизации, практически невозможно. Экспериментально отрабатывать все варианты ЛПС не представляется возможным из-за сложности и длительности процесса получения отливки. Разработка варианта литниково-питающей системы до получения опытной отливки занимает несколько недель, поэтому для анализа процесса затвердевания отливки «Корпус» была использована система автоматизированного моделирования литейных процессов LVMFlow.
Горизонтальное расположение отливки предусматривало наличие пяти прибылей, одна из которых была установлена в центре отливки, три на фланцах и еще одна на конусной части отливки (в районе седловины). Как и при вертикальном расположении отливки, все прибыли были соединены между собой в единое целое, что на завершающем этапе заливки позволяло обеспечить подвод горячего металла в прибыли.
По исходным чертежам отливки специалисты «Consistent Software Воронеж» совместно с сотрудниками отдела главного металлурга Воронежского механического завода построили трехмерную модель отливки «Корпус» с ЛПС (рис. 3).
При построении исходной геометрической модели отливки (ГМ) были использованы внешние конструкторские программы Autodesk Inventor Series и Unigraphics.
Компьютерное моделирование в САМ ЛП LVMFlow
Для моделирования была использована отливка корпуса задвижки с диаметром проходного горизонтального канала 3 1/16 дюйма, изготовленная из низколегированной стали 35ХМЛ, применяемой на ВМЗ для производства запорной арматуры. Температура заливки составляла 1590±10 °С, температура заформованной керамической оболочки перед заливкой изменялась в пределах 500-850 °С. Масса залитого блока составляла порядка 520 кг, время заливки от 60 до 120 с.
Процесс создания керамической оболочки в программе LVMFlow упрощен до минимума: технологу требуется лишь указать (с учетом количества слоев) толщину будущей керамической оболочки (рис. 4).
Процесс заполнения формы расплавом и последующая кристаллизация отливки «Корпус» рассчитывались в течение 53 ч (процессор Pentium 4 2,8 ГГц, оперативная память 1 Гбайт). Процесс компьютерного моделирования (без учета времени на предварительный прогрев формы), в зависимости от требуемой точности результатов, занимает от 30 до 60 мин. В итоге было рассчитано распределение температурно-фазовых полей процесса заполнения формы расплавом, а также полей скоростей, давления; выявлено расположение дефектов усадочной природы (усадочная пористость, микропористость).
Процесс заполнения формы расплавом представлен на рис. 5 . В зависимости от начальной температуры формы, при заливке происходит резкое падение температуры расплава. Большая высота формы и особенности литья по выплавляемым моделям налагают ограничения на конфигурацию ЛПС.
Распределение температуры в отливке и форме для некоторых этапов, начиная с момента начала заливки, приведено на рис. 6 .
Итоговое распределение дефектов представлено на рис. 7 . Массивные прибыли позволили почти полностью удалить из тела отливки дефекты усадочного характера. Однако анализ полученных данных показал наличие дефектов типа «усадочная пористость» в зоне «глухого кармана» и нижней части центрального фланца, что свидетельствует о недостаточности питания этих тепловых узлов жидким металлом.
Прогноз микропористости (рис. 8) показал наличие «опасных» участков в горизонтально расположенных стенках отливки. Расчет микропористости ведется на основе критерия Нийяма и требует адаптации результатов в соответствии с особенностями технологии производства. В целом картина распределения мест пониженной плотности металла соответствовала натурным испытаниям.
Выводы
Компьютерное моделирование процесса кристаллизации отливки «Корпус» с применением САМ ЛП позволило:
Выявить места появления и процесс формирования дефектов;
Отследить в реальном времени изменение температурно-фазовых полей процесса кристаллизации;
Получить распределение векторов скоростей, давлений;
Получить данные по распределению потока жидкого металла и движению шлаковых частиц в отливке.
Таким образом, была обеспечена возможность в кратчайшие сроки провести оптимизацию литниково-питающей системы без доработки модельной оснастки, создания керамической оболочки, заливки и механической обработки детали, а продолжительность процесса отработки технологии получения годных отливок была сокращена с 30 до 3-5 дней, то есть в 6-10 раз.
План лекции
1. Основные операции получения отливки.
2. Технология изготовления моделей и керамических форм. Заливка
форм, обрубка и очистка отливок.
3. Механизация и автоматизация процесса. Контроль отливок.
Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) – способ получения отливок в многослойных оболочковых неразъемных керамических формах, изготовляемых с использованием выплавляемых, выжигаемых или растворяемых моделей однократного использования.
Сущность способа получения отливок по выплавляемым моделям состоит в том, что модель отливки и модель литниковой системы изготовляют из легкоплавких материалов путем запрессовки их или заливки их в пресс-формы. Затвердевшую модель извлекают из пресс-формы, припаивают к литниковой системе, образуя модельный блок. На поверхность модельного блока наносят несколько слоев суспензии и обсыпки, которые после сушки создают на блоке высокоогнеупорную керамическую оболочку. Выплавив из оболочки модельный состав, получают тонкостенную оболочку литейной формы отливки. Полученную оболочку формуют в специальных неразъемных опоках, прокаливают и заливают расплавом.
Способ получения отливок по выплавляемым моделям дает возможность:
Получать отливки, максимально приближенные по форме и размерам с высокой чистотой поверхности;
Получать отливки с минимальным припуском на обработку из любых сплавов, в том числе не поддающихся ковке и штамповке и трудно обрабатываемых механической обработкой;
Объединять отдельные детали в компактные цельнолитые узлы;
Создавать конструкции (например, лопатки ГТД со сложными лабиринтными полостями газового тракта), невыполнимые какими-либо другими методами обработки.
Все вышеперечисленные преимущества способа литья по выплавляемым моделям в полной мере могут быть реализованы только при условии, что детали сконструированы с учетом особенностей этого способа, т.е. они технологичны для литья по выплавляемым моделям
Литниково-питающая система при литье по выплавляемым моделям
Как известно, литниково-питающая система (ЛПС) должна обеспечить оптимальные условия заполнения формы и получение отливок без литейных дефектов, при минимальном расходе металла на ЛПС. Особенность ЛПС при литье по выплавляемым моделям состоит в том, что она выполняет три основные задачи:
ЛПС является несущей конструкцией, обеспечивающей прочность модельного блока и сохранность моделей отливок на всех технологических операциях, предшествующих выплавлению моделей из формы.
В период затвердевания отливок, элементы ЛПС одновременно выполняют роль прибыли, поэтому должны присоединяться к наиболее массивным частям отливки.
Кроме того, конструкция ЛПС должна обеспечить направленное затвердевание отливок от наиболее тонких частей к массивным.
Изготовление пресс-форм
При конструировании пресс-форм необходимо учитывать следующее:
Материал пресс-формы должен обеспечить ее прочность, а моделям высокую точность и малую шероховатость поверхности;
Пресс-форма должна иметь минимальное число разъемов;
Расположение внутренних частей пресс-формы должно быть таким, чтобы модели надежно, удобно и быстро извлекались из пресс-формы;
Необходимо обеспечить возможность свободного выхода воздуха из полости пресс-формы в момент заполнения ее модельным составом;
Конструкция пресс-формы должна обеспечить прочность крепления ее частей.
Выбор типа пресс-форм зависит от точности, предъявляемой к отливкам, свойств модельного состава и характера производства. в зависимости от сложности отливаемых изделий и их числа пресс-формы могут быть изготовлены из стали, легкоплавких сплавов, гипса, пластмассы, и резины.
Гипсовые пресс-формы применяют при художественном литье. В машиностроении применение гипсовых пресс-форм целесообразно при отливке небольшой серии сложных по форме деталей.
При изготовлении больших серий деталей применяются пластмассовые пресс-формы и пресс-формы из легкоплавких сплавов методом заливки на эталон.
Резиновые пресс-формы позволяют изготовить сложные изделия и применяют при изготовлении ювелирных изделий.
В массовом и крупносерийном производстве изделий применяют сложные стальные или алюминиевые пресс-формы, которые позволяют за одну операцию запрессовки получать несколько моделей, соединенных литникой системой в единую секцию.
Модели и модельные составы
К наиболее важным характеристикам готовой модели относятся механические характеристики, геометрическая точность размеров, шероховатость и твердость поверхности. Модельные композиции должны обладать свойствами, обеспечивающими высокое качество моделей, а, следовательно, и отливок. Для получения выплавляемых моделей высокого качества модельные состава должны обладать следующими основными свойствами:
Иметь достаточную прочность, твердость и теплостойкость, не размягчаться при температуре рабочего помещения;
Иметь необходимую жидкотекучесть, хорошо заполнять полость пресс-формы, четко воспроизводя ее рабочую поверхность;
Быстро затвердевать в пресс-форме, хорошо выниматься из формы при разборе, и не взаимодействовать с материалом пресс-формы;
Хорошо смачиваться суспензией и не взаимодействовать с ней;
Быть безвредными для работающих;
Входящие в состав компоненты должны быть дешевые и недефицитные.
В качестве исходных материалов используют парафин, стеарин, воск, канифоль, церезин, полистирол и др. Применяемые модельные составы подразделяют:
По температуре плавления – на легкоплавкие и тугоплавкие;
По состоянию при введении в пресс-форму – на жидкие и пастообразные;
По способу удаления из оболочки – на выплавляемые, выжигаемые и растворимые.
Выплавляемые легкоплавкие составы применяют для моделей небольших отливок и приготовляют в основном из парафина и стеарина. Преимуществом такого модельного состава является удобство выплавления моделей, возможность повторного использования выплавленного из форм модельного состава, недостатком является низкая температура размягчения и невысокая прочность моделей. Тугоплавкие модельные составы применяют для моделей крупных отливок с повышенной точностью размеров и прочностью поверхности. В качестве добавок, повышающих прочность, теплостойкость и снижающих хрупкость используют касторовое масло, полиэтиленовые воски, этилцеллюлозу и др. Растворимые модельные составы приготовляют на основе технической мочевины с добавкой в качестве пластификатора 2%-ной борной кислоты. В состав выжигаемых модельных составов входят вспенивающиеся термопласты на основе полистиролов.
Процесс приготовления модельного состава. Очищенные от механических загрязнений куски парафина, стеарина и возврата в определенных соотношениях закладывают в рабочий бак электрованны и расплавляют. Перегревают на 5…10 ºС выше температуры расплавления модельного состава и выдерживают 2…7 мин для осаждения попавших загрязнений. После выдержки расплав фильтруется и переливается в мешалку. Здесь модельный состав охлаждается до пастообразного состояния, после чего подается для запрессовки моделей.
Изготовление моделей.
Выплавляемые модели изготовляют в пресс-формах путем заполнения их полости модельным составом. Модельный состав вводится в полость пресс-формы в жидком состоянии путем свободной заливки или запрессовки. Способ свободной заливки полости пресс-формы жидким модельным составом прост, не требует применение специального оборудования, дает возможность получать прочные, большие модели. Однако он имеет и свои существенные недостатки, такие как:
Малая производительность
Ограниченные возможности получения моделей с четким рельефом внутренней поверхности пресс-формы.
Поэтому для получения моделей деталей ответственного назначения, а также в производстве художественных и ювелирных отливок наиболее распространен способ изготовления выплавляемых моделей путем запрессовки модельного состава. При этом способе модели получают более четкий рельеф поверхности. Кроме того, такой способ заполнения пресс-форм более производителен, т.к. позволяет использовать модельные составы в пастообразном (охлажденном) состоянии. Для запрессовки модельного состава применяется специальное оборудование, это – ручные шприцы, инжекционные установки, пневматические, гидравлические и рычажные прессы.
После затвердевания и охлаждения модели, ее извлекают из полости пресс-формы, поверхность модели очищают от облоев и швов. После чего, осуществляют сборку моделей в блоки либо припаиванием электропаяльником, либо склеванием. В производстве литья по выплавляемым моделям небольшие изделия отливают по нескольку штук в одной форме (4…12 шт. в машиностроении; до 100 шт. в ювелирном производстве).
При припаивании модели к стояку необходимо учитывать:
Прочность крепления модели на стояке;
Возможность полного выхода их формы модельного состава при выплавлении модели;
Устойчивость положения модельного блока при сушке и хранении.
Изготовление керамических оболочек Основой литейной формы при ЛВМ является многослойная неразъемная керамическая оболочка, изготовленная по разовым моделям. Оболочку изготовляют обычно последовательным нанесением на модельные блоки слоев суспензии (обычно этилсиликаты) и порошков огнеупорной основы (пылевидный кварц, электрокорунд, циркон). Размер зерен обсыпки составляет 0,1…1,5 мм. Каждый слой оболочки просушивают до удаления влаги. Обычно для получения оболочки необходимой прочности наносят 3…8 слоев.
После чего модельный состав выплавляют:
В ваннах с горячей водой;
С помощью подогретого воздуха или пара, направляемого в литниковую чашу;
В печах, применяемых для прокаливания форм.
Керамическая оболочка перед заливкой подвергается нагреванию для вытапливания воска, а затем и прокаливанию при высоких температурах (до 1000 ºС). Полученная оболочка огнеупорна, обладает необходимой прочностью и газопроницаемостью, имеет рабочую полость с поверхностью очень малой шероховатости и точными размерами, четко воспроизводя конфигурацию отливаемой детали.
Такая оболочка может быть единственной частью литейной формы или сочетаться с опорным наполнителем, который применяется с целью упрочнения оболочки.
Основные операции получения отливки
Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в использовании точной неразъемной разовой модели, по которой из жидких формовочных смесей изготовляется неразъемная керамическая форма. Перед заливкой расплава модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием, растворением или испарением; для удаления остатков модели и упрочнения форма нагревается до высоких температур. Модель или звено моделей изготовляют в разъемной пресс-форме, рабочая поверхность которой имеет конфигурацию отливки с припусками на усадку и механическую обработку.
Модель изготовляют из материалов с невысокой температурой плавления (воск, парафин, стеарин), способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звено моделей собирают в блоки, литниковые системы которых выполняют из того же материала, что и модели. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью – суспензией для оболочковых форм, состоя щей из пылевидного кварца или электрокорунда и связующего. Для упрочнения этого слоя и увеличения его толщины на него наносят слой огнеупорного зернистого материала (кварцевый песок, электрокорунд, шамот). Операцию нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения оболочки требуемой толщины (3–10 слоев).
Каждый слой высушивают на воздухе или в парах аммиака, что зависит от связующего. После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. Для упрочнения перед заливкой оболочковую форму помещают в контейнер и засыпают огнеупорным материалом. Для удаления остатков моделей и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещается в печь для прокалки. Прокаленную форму заливают металлом. После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и производят обрезку литников.
Последовательность операций при изготовлении оболочковых форм по выплавляемым моделям показана на рис. 1.25. Отсутствие операции разъема формы, использование для изготовления моделей материалов, позволяющих не разбирать форму при удалении моделей, высокая огнеупорность материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой дают возможность получать отливки сложней шей конфигурации, максимально приближающейся к конфигурации готовой детали, поэтому литье по выплавляемым моделям относится к прогрессивным материалом и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов.
Технология изготовления моделей и керамических форм.
Заливка форм, обрубка и очистка отливок
Изготовление моделей. Для изготовления выплавляемых моделей используют смеси и сплавы легкоплавких материалов, чаще всего органического происхождения. В качестве исходных материалов применяют буроугольный воск, церезин, парафин, стеарин, канифоль, этилцеллюлозу и др. Модельные составы должны обладать следующими свойствами:
температура плавления 60–100 °С;
температура размягчения 35–45 °С;
хорошая жидкотекучесть;
минимальная линейная и объемная усадка;
минимальная зольность и неприлипаемость к поверхности пресс-форм;
хорошая смачиваемость облицовочными составами;
минимальное выделение паров при нагревании и сгорании;
возможность многократного использования.
Технологический процесс приготовления модельного состава зависит от входящих в него компонентов. Чаще всего приготовление модельного со става и расплавление возврата производится в специальных термостатах с водяным обогревом.
Заполнение пресс-формы модельным составом осуществляется свободной заливкой расплавленной массы, запрессовкой в пастообразном со стоянии, заливкой и запрессовкой под высоким давлением. Основным способом изготовления моделей является запрессовка со става в рабочую полость пресс-формы. Это обеспечивает хорошую точность и чистоту поверхности моделей. Для выполнения этой операции применяют установки, на которых приготовление пасты из жидкого расплава и запрессовка модельной массы в пресс-формы производится автоматически.
На рис. 1.26 приведена схема запрессовки модельной массы в пресс форму. Перед запрессовкой модельной массы стенки пресс-формы смазывают касторовым или трансформаторным маслом, смешанным с этиловым спиртом. Готовые модели хранятся в холодной проточной воде или в термостатах. Одновременно с изготовлением модели отливки изготавливают модели элементов литниковой системы: стояка и воронки. Затем модели собирают в блоки («елки») с помощью припайки моделей отливки к моделям литниковой системы. Изготовление оболочки. Процесс изготовления литейной формы включает подготовку материалов, формирование огнеупорной оболочки на поверхности моделей, удаление модели из оболочки, формовку оболочки в наполнителе и прокалку формы.
Исходными материалами для изготовления оболочки являются кварцевый песок, пылевидный кварц, гидролизованный раствор этилсиликата и 15 %-й раствор едкой щелочи.
Этилсиликат – сложное химическое соединение, основой которого является эфир ортокремниевой кислоты, содержащий до 45 % окиси кремния. Для придания этилсиликату вяжущих свойств осуществляют операцию его гидролиза в смеси воды, этилового спирта или ацетона и соляной кислоты. В результате гидролиза образуется золь кремниевой кислоты, обладающий высокими вяжущими свойствами.
Огнеупорную суспензию рекомендуется готовить в специальных смесителях. В бак загружается пылевидный кварц и добавляется связующее – гидролизованный раствор этилсиликата. Смесь тщательно перемешивается до полного удаления пузырьков воздуха.
Суспензию наносят на блоки моделей окунанием их в ванну с суспензией, а на крупные блоки и модели – обливанием. В зависимости от характера производства и степени механизации блок моделей погружают в ванну вручную, с помощью манипуляторов или копирующих устройств на цепных конвейерах. Блок погружают так, чтобы с поверхности моделей, особенно из глухих полостей, отверстий могли удалиться пузырьки воздуха. Вынутый из суспензии блок моделей поворачивают в различных направлениях так, чтобы суспензия равномерно распределилась по поверхности моделей, а излишки ее стекли назад в бак. После этого модельный блок сразу обсыпается песком; между нанесением суспензии и обсыпкой песком не должно проходить более 10–15 с, так как суспензия быстро сохнет и песок не соединяется с ней. Суспензию в баке непрерывно перемешивают, чтобы предотвратить оседание огнеупорного материала. Для нанесения песка на слой суспензии используют погружение модельного блока в слой «кипящего» песка.
Установки для обсыпки блока моделей в слое «кипящего» песка (рис. 1.27) состоит из емкости с песком, в ее нижней части расположена полость 2, в которую подводится сжатый воздух. Полость отделена от емкости с песком 1 сеткой, на которой уложен слой войлока. Воздух, проходя через войлок, переводит песок во взвешенное состояние, и песок обсыпает модельный блок 3.
После нанесения каждого слоя суспензии и обсыпки его высушивают в потоке воздуха или в парах аммиака. Продолжительность сушки и обсыпки каждого слоя суспензии на воздухе составляет 2–4 ч, а в парах аммиака – 50–60 мин. Сушку производят в вертикальных или горизонтальных много ярусных сушилах.
В зависимости от материала моделей используют различные способы их удаления из оболочки. Модели из выплавляемых воскообразных составов удаляют из формы погружением блока моделей в горячую воду или ванну с модельным составом. Этот способ получил наибольшее применение на производстве. Полистироловые выжигаемые модели удаляются из форм выжиганием или растворением в бензоле, ацетоне. Выжигание сопровождается выделением большого количества паров стирола, углеводородов, сажи. Во всех случаях при выжигании, растворении полистироловых моделей должна быть обеспечена хорошая приточно-вытяжная вентиляция с последующей очисткой удаляемого в атмосферу воздуха.
После удаления из блока легкоплавкого модельного состава оболочки формуют в жаропрочной опоке; засыпают наполнитель, уплотняют его, а за тем форму прокаливают в газовых или электрических печах при температуре 850–900 °С и выдерживают при этой температуре не менее двух часов, после чего формы поступают на участок заливки.
Изготовление отливки. Заливка форм металлом может производиться различными способами в зависимости от размера и веса отливок, состава сплава, назначения отливок. Заливка может быть: свободная – металл заполняет форму под действием собственного веса; на центробежных машинах – металл заполняет форму и затвердевает под действием центробежных сил.
После охлаждения форм производят выбивку отливок на специальных установках с поворотом опок на 180° для того, чтобы из опок высыпался наполнитель. Отделение отливок от литников осуществляют следующими способа ми: на вибрационных установках; продавливанием стояка с отливками через обрезной штамп; отрезкой дисковыми и ленточными пилами; отрезкой газовыми горелками.
Очистка отливок от огнеупорного покрытия является очень трудоемкой операцией. На практике применяют вибрационную, пескоструйную, гидропескоструйную, химико-термическую в растворах щелочей и кислот, а также в расплавленных солях и другими способами. Механизация и автоматизация процесса. Контроль отливок Литье по выплавляемым моделям – процесс многооперационный.
Манипуляторные операции при изготовлении и сборке моделей, нанесение суспензии на модель и другие достаточно сложны и трудоемки, что осложняет автоматизацию процесса. Процесс состоит из ряда длительных операций, определяющих производительность: послойное формирование и сушка слоев оболочковой формы на модели, прокаливание формы.
Качество отливок, полученных данным способом, существенно зависит от стабильности качества исходных материалов для изготовления моделей, суспензии, формы, а также от стабильности режимов технологического процесса.
Это осложняет автоматизацию управления технологическим процессом. В зависимости от характера производства (единичное, серийное, массовое), номенклатуры отливок и предъявляемых к ним требований проблема автоматизации производства решается различно. В серийном производстве осуществляется автоматизация отдельных операций, таких, как изготовление моделей или звеньев модельных блоков, приготовление суспензии и др. В массовом производстве отливок используют автоматизированные линии, выполняющие следующие операции: приготовление модельных со ставов; изготовление моделей; приготовление суспензий; изготовление оболочек; их прокаливание; заливку расплава; очистку отливок. Такие линии позволяют комплексно автоматизировать все производство.
Контрольные вопросы и задания
1. Опишите технологические операции изготовления форм при литье по выплавляемым моделям.
2. Какие материалы используют для изготовления выплавляемых моделей?
3. Для каких целей используются пресс-формы в технологическом процессе литья по выплавляемым моделям?
4. Назовите состав жидкой формовочной смеси – суспензии для формирования оболочки.
5. Опишите процесс изготовления оболочки при литье по выплавляемым моделям.
6. Какие требования предъявляются к модельным составам?
7. Назовите способы заполнения пресс-форм модельным составом.
8. Для чего производят гидролиз этилсиликата при изготовлении оболочек?
9. При каких температурах производится выплавка модельного состава и прокалка форм перед заливкой?
10. Опишите достоинства и недостатки литья по выплавляемым моделям.
Лекция 18
Метод литья по выплавляемым моделям широко применяется в ювелирном производстве. Этот метод позволяет серийно изготовлять изделия сложной конфигурации, обеспечивая при этом требуемую точность, а также получать тонкостенные отливки с отклонением от заданного размера не более 0,5% и чистотой поверхности 5-6 кл. Это дает возможность использовать их как готовые элементы ювелирных изделий без дополнительной механической обработки.
Чаще литье по выплавляемым моделям производится на центробежных установках, откуда и сам метод литья получил название - центробежное литье. Литье может производиться и на вакуумных установках методом вакуумного всасывания. При этом схемы обоих технологических процессов литья по выплавляемым моделям (рис. 28) идентичны, различаются лишь процессы заполнения (заливки) литейной формы и оборудование, на котором эта операция производится.
Метод литья по выплавляемым моделям приобрел широкое применение даже в условиях небольших ювелирных мастерских. Применяемое оборудование несложно по конструкции, невелико по размерам и может быть смонтировано в производственном помещении площадью 20-25 м 2 . При этом даже мастерские, не имеющие в своем составе высококвалифицированных ювелиров-модельеров, методом заимствования опыта и использования готовых резиновых форм могут изготовлять высокохудожественные изделия и таким образом удовлетворять спрос населения.
Этапы изготовления. Основными этапами изготовления элементов ювелирных изделий по выплавляемым моделям являются изготовление образца-эталона, изготовление пресс-формы, изготовление восковой модели, подготовка литейной формы, отливка элементов ювелирных изделий, очистка отливок.
Приступая к разработке конструкции изделия, необходимо определить возможность ее изготовления методом центробежного литья с тем, чтобы в дальнейшем обеспечить выполнение монтировочных и отделочных операций.
Образец-эталон должен быть изготовлен из тугоплавкого металла 1 (см. рис. 28). Целесообразно изготовлять его из того же металла, из которого в дальнейшем будут серийно отливаться изделия. Разрабатывают модели и изготовляют образцы-эталоны, как правило, высококвалифицированные ювелиры. На специализированных ювелирных предприятиях модели разрабатывают художники-модельеры.
Образец-эталон изделия или его отдельный элемент должны быть выполнены качественно, с учетом художественных требований, а чистота поверхности должна соответствовать 8-9 кл. При изготовлении образца-эталона необходимо учитывать, что при последующей отливке по выплавляемой модели металл будет давать усадку. Поэтому необходимо предусмотреть припуски, которые определяются опытным путем, но не более 5-6% заданной размерной величины.
Приступая к изготовлению резиновой пресс-формы , необходимо определить ее технологичность, т. е. удобство изъятия из нее восковой модели. Резиновая пресс-форма должна повторять контур и все художественные линии будущего ювелирного изделия. Резиновая пресс-форма изготовляется методом вулканизации сырой резины, в которую закладывают образец-эталон изделия. Технология изготовления резиновой пресс-формы зависит от сложности конструкции изделия.
Процесс изготовления резиновой пресс-формы для последующей отливки восковых моделей изделий сложных форм следующий. Специальную опоку с направляющими штифтами укладывают на гладкую поверхность стола или опорную плиту основанием вниз. Затем опоку заполняют пластилином, в который вдавливают до половины образец-эталон изделия 2 (см. рис. 28). На эту опоку устанавливают вторую и заливают ее жидким раствором гипса. После затвердения гипса опоки переворачивают и удаляют пластилин, а образец-эталон при этом остается в гипсовой форме. В гипсе делают несколько углублений, которые будут направляющими выступами резиновой формы. Сырую резину нарезают мелкими кусочками, которыми наполняют верхнюю половину формы 3.
Опоки устанавливают на вулканизационный пресс 4 и вулканизируют кусочки резины в течение 45-60 мин при температуре 150-160°С. После этого гипс разбивают, извлекают и тщательно очищают образец-эталон изделия и резиновую полуформу. Затем опоку, в которой находится полуформа, укладывают основанием вниз и после посыпания тальком в полуформу 5 укладывают образец-эталон. Вторую верхнюю половину опоки заполняют кусочками сырой резины 6. Далее вулканизируют вторую половину формы и получают обе части резиновой пресс-формы. Затем из резиновой пресс-формы извлекают образец-эталон изделия и прорезают в ней литниковый канал 7.
При изготовлении пресс-формы для отливки восковых моделей изделий простых форм достаточно поместить образец-эталон между двумя пластинами сырой резины соответствующей толщины так, чтобы при вдавливании образец был полностью утоплен в резину, и вулканизовать их под прессом. Режим вулканизации такой же, как и в первом варианте изготовления пресс формы. В результате вулканизации пластины свариваются межу собой. После остывания резиновой пресс-формы (в воде) ее разрезают по наиболее благоприятным линиям разъема и вынимают образец-эталон. В процессе резания необходимо предусмотреть, как будет освобождаться пресс-форма.
Для изготовления восковых моделей используют инжекторную установку 8 (см. рис. 28). При этом может быть использована как стандартизированная установка типа АМЛ мощностью 0,5 кВт, так и нестандартизированная, в которой воск нагревается до 70-85°С и постоянно поддерживается на уровне этой температуры.
Перед заполнением воском пресс-форма должна быть очищена и смазана раствором глицерина (смесь воды и глицерина в равных частях) для более легкого отставания воска от резины. Заполняют пресс-форму воском под давлением 1,96-104...7,85Х10 4 Па (0,2-0,8 кгс/см 2), которое создается в бачке инжекторной установки сжатым воздухом. Жидкий воск через штуцер поступает в литниковый канал пресс-формы и заполняет ее. При этом пресс-форма должна быть плотно закрыта. Для этой цели рекомендуется в период заполнения пресс-форму с двух сторон по плоскостям прижимать термостойкими металлическими пластинками (алюминий, латунь) по размерам, соответствующим размерам пресс-формы, чтобы они не мешали доступ литника пресс-формы к штуцеру.
После заполнения воском пресс-форму нужно охладить либо в естественных условиях при комнатной температуре, либо в холодильных камерах. Охлажденную пресс-форму раскрывают и из нее вручную извлекают восковую модель изделия. В случаях прилипания модели к пресс-форме может быть использован тонкий шпатель с полированным тупым лезвием.
Восковые модели должны быть тщательно осмотрены. Модели, имеющие недоливы, отбраковывают, а имеющие незначительные переливы в виде облоя - очищают, после чего все пригодные для дальнейшего использования модели укладывают в специальную тару, чтобы избежать их поломки.
Подготовка литейной формы осуществляется следующим образом. Готовые восковые модели в соответствии с вместимостью стакана (опоки) набирают по форме елочки, припаивая литники моделей к единому стержню, также изготовленному из воска методом литья и установленному в резиновый башмак (основание). Припаивание осуществляют с помощью бытового электропаяльника. При сборке елочкой модели нельзя располагать близко друг к другу, так как при вакуумировании они могут соединиться, тогда отливки будут бракованными.
Набранную восковую елочку обезжиривают, окуная в спирт или четыреххлористый углерод, и сушат в естественных условиях. После сушки на восковую елочку надевают стакан (опоку) так, что он входит в цилиндрический паз резинового основания, и заливают в опоку предварительно приготовленную, провакуумированную формовочную смесь.
Для приготовления формовочной смеси используют формовочную массу, представляющую собой кристобалитогипсовую смесь. В настоящее время в ювелирном производстве в основном применяются импортные формовочные массы К-90, "Суперкаст" и "Сатинкаст". Готовят формовочную смесь, добавляя в формовочную массу дистиллированную воду и тщательно перемешивая ее. Расчетное количество формовочной массы и дистиллированной воды составляет 0,32-0,42 л воды на 1 кг смеси.
Затем заполненную опоку 9 (см. рис. 28) вакуумируют и уплотняют на вибровакуумной установке до остаточного давления 0,98*10 4 ...1,96*10 4 Па (0,1-0,2 кгс/см 2) в течение 2-3 мин, после чего формовочная смесь затвердевает. По окончании вакуумирования опоки ставят на отстой (примерно 1 ч), а затем снимают с них резиновые основания и подрезают формовочную смесь на нижнем торце опоки.
Следующей операцией подготовки литейной формы является выплавка воска. Эту операцию осуществляют в муфельной печи при поддержании температуры 120-140°С в течение 1 ч, после чего температуру повышают до 200°С и опоки выдерживают при этой температуре в течение 1 ч, а затем температуру плавно повышают до 700-750°С и прокаливают литейную форму в течение 3 ч. После этого можно считать, что литейная форма 10 подготовлена для заливки.
Отливка элементов ювелирных изделий производится на центробежных установках или на установках вакуумного всасывания. В зависимости от типа центробежной установки (простейшая настольная центрифуга или центробежная плавильно-заливочная машина) выбирается метод подготовки сплава для заливки в литейную форму, которую необходимо нагреть до определенной температуры.
Если имеется центробежная плавильно-заливочная машина, то в нее с помощью специальных щипцов устанавливают подогретую литейную форму, а сплав металла помещают в специальный плавильный стакан, и при достижении температуры плавления запускают центрифугу. Под действием центробежной силы сплав заполняет литниковую форму 11. Цикл вращения центрифуги задается. После окончания цикла центрифуга останавливается, и заполненная литейная форма с помощью тех же специальных щипцов извлекается и охлаждается в естественных условиях.
Для заливки литейной формы на настольной центрифуге сплав металла в виде слитка полусферической формы, предварительно отлитый в специальную изложницу, подогревают в муфельной печи до требуемой температуры (сплав золота до 700°С, сплав серебра до 600°С). Затем подогретую литейную форму с помощью специальных щипцов устанавливают в тарелку литником вверх, а на верхнюю часть опоки накладывают подогретый сплав. На другую тарелку устанавливают соответствующий противовес. За это время температура сплава понижается в среднем на 200°С. Сплав доводят до температуры плавления и состояния текучести на открытом пламени горелки, которое должно быть сильным и шумящим. При достижении состояния текучести запускают центрифугу. Под действием центробежной силы сплав заполняет литейную форму. Затем после остановки центрифуги заполненную литейную форму с помощью тех же специальных щипцов снимают с тарелки и охлаждают в естественных условиях или опускают ее в воду. После охлаждения литейной формы выбивают отливки.
Очистка отливок от формовочной массы происходит в 20-40%-ном растворе плавиковой кислоты после выбивки блока отливок из опоки 12. Затем отливку промывают в проточной воде и отбеливают в составе, соответствующем сплаву металла (для сплавов золота - в 10%-ном водном растворе азотной кислоты, для сплавов серебра - в 10%-ном водном растворе серной кислоты). Температура раствора должна быть не ниже 60-70°С. Время отбеливания длится не более 5 мин.
После отбеливания отливки просушивают в сушильном шкафу при температуре 100-120°С или в естественных условиях и откусывают отдельные изделия от стержня. Затем изделия разбраковывают. Бракованные изделия и литники откладывают для повторной переработки в соответствии с установленной на предприятии технологией.
| Виды брака | Причина брака |
| Восковая модель | |
| Изменение размеров модели | Неправильный расчет размеров эталона изделия, неправильно собранная пресс-форма, некачественное изготовление резиновой пресс-формы |
| Засорение в модели | Использование загрязненных модельных материалов и модельного возврата, загрязненная пресс-форма, хранение модели в пыльном помещении |
| Деформация модели | Преждевременное извлечение модели из пресс-формы, излишняя выдержка модели перед сборкой, повышенная температура помещения |
| Местная усадка | Повышенная температура модельного состава, неостывшая пресс-форма |
| Пузыри и вспучивание | Избыток воздуха в модельном составе, избыточное давление при запрессовке, плохое перемешивание модельного состава, отсутствие вентиляционных каналов в пресс-форме |
| Недопрессовка | Низкая температура модельного состава, недостаточное давление при запрессовке, загрязненная полость пресс-формы |
| Заусенцы, облой | Некачественно выполненная пресс-форма, неправильная ее сборка и загрязненная полость разъема |
| Некачественная поверхность | Небрежные зачистки и хранение модели, избыток талька |
| Трещины на модели | Интенсивное охлаждение пресс-формы, излишняя выдержка модели перед извлечением из пресс-формы |
| Литейная форма | |
| Раковины округлой формы на поверхности литниковой чаши | Некачественная формовка формы в процессе вакуумирования, высокая вязкость формовочной суспензии |
| Трещины формы | Не выдержан временной и температурный режим при удалении модельного состава |
| Всплытие восковых моделей | Небрежное напаивание моделей на стояк, высокая амплитуда колебании стола, небрежное крепление стояка |
| Темный цвет формовочной смеси после прокаливания | Неполное выжигание модельного состава |
| Отливка | |
| Отклонение по химическому составу металла | Неправильная шихтовка сплава, отклонения в технологии ведения плавки |
| Засор | Загрязненный металл или тигель, низкая прочность литейной формы |
| Шлак | Попадание шлака в форму с металлом |
| Усадочные раковины, рыхловатость, пористость | Недостаточное питание отливки, нетехнологичность отливки, заливка перегретым металлом, перегрев какого-либо узла отливки |
| Газовые раковины | Недостаточное время прокаливания форм, близкая установка форм друг к другу и дверцам печи, несоблюдение технологии плавки, использование влажной шихты и влажного плавильного инструмента, недостаточное раскисление металла, неполное удаление модельного состава |
| Горячие трещины на отливках | Наличие напряженных мест в отливках (резкие переходы, острые углы); перегрев металла |
| Пригар | Повышенная температура металла или литейной формы; неполное выжигание модельного состава |
| Незалив, спаи | Недостаточная температура литейной формы, низкая температура металла при заливке, прерывание струи металла, разрушение литейной формы, недостаточное количество металла |
| "Корольки" на поверхности отливок | Прерывание струи металла при заливке, некачественная формовка литейной формы |
| Холодные трещины в деталях | Нетехнологичность детали, резкое охлаждение залитых блоков, поломка при выбивке и очистке |
| Нарушение геометрии отливок | Небрежное обращение с отливками, нарушение технологии выбивки отливок из формы |
| Остатки формовочной смеси на отливках | При окончательной очистке не выдержана концентрация плавиковой кислоты или время выдержки в растворе |
Для уменьшения или ликвидации брака следует в первую очередь устранить причину его возникновения. При существующем технологическом процессе литья по выполняемым моделям брак не должен превышать 10-12%.
Качественно отлитые изделия проходят электрохимическую полировку в специальной ванне, состав раствора которой для различных сплавов должен быть различным. Обработанные изделия или их элементы подвергают монтировке и отделке ювелирами-монтировщиками в соответствии с предусмотренными технологическими процессами.
Оборудование . Для выполнения технологического процесса литья ювелирных изделий по выплавляемым моделям необходимо следующее оборудование: вулканизационный пресс, инжекторная установка, установка для вибровакуумирования, муфельная печь, литейная установка (плавильно-заливочная установка или простейшая настольная центрифуга, установка "вакуум-металл"), сушильный шкаф, установка для электрохимического полирования, технические весы 1 кл., оборудование для плавки, баки для выбивки отливок и размывки опок, опоки из жаропрочной стали, электропаяльник, а также различный инструмент и тара, указанные в гл. 3.
Вулканизационный пресс (рис. 29) предназначен для получения резиновых пресс-форм по образцу-эталону изделия путем вулканизации резины. По конструкции прессы могут быть различными, но все они имеют подогрев в верхней и нижней плите.
Пресс представляет собой переносную конструкцию. На жесткой (литой) станине установлена нижняя плита, в которую вмонтирован электрический нагреватель. По специальным направляющим, вертикально стоящим и жестко прикрепленным к станине с помощью червячной передачи, перемещается верхняя плита, в которую также вмонтирован электрический нагреватель. Установленная между плитами и поджатая опока с сырой резиной нагревается до определенной температуры. Под действием давления и температуры пластины сырой резины свариваются между собой. Для регулирования и поддержания температуры пресс имеет автоматическую или ручную систему регулирования.
Инжекторные установки (рис. 30) предназначены для получения выплавленных моделей путем расплавления воска и заполнения им резиновых пресс-форм. Установка состоит из резервуара для воска, электронагревателя и терморегулирующего устройства. Конструктивно она может быть выполнена в различных вариантах.
Наиболее удачной конструкцией инжекторной установки является вертикально расположенный цилиндрический кожух. Внутри кожуха смонтирован резервуар для воска, из которого воск под давлением сжатого воздуха, подаваемого от компрессора через редуктор, поступает в инжекторное сопло. Давление сжатого воздуха контролируется манометром, который установлен на верхней крышке кожуха инжекторной установки. Избыточное давление перед редуктором должно быть не выше 19,62*10 4 ...29,43*10 4 Па (2-3 кгс/см 2), а при вспрыскивании - 1,96*10 4 ...7,85*10 4 Па (0,2-0,8 кгс/см 2). Инжекторное сопло оснащено системой индивидуального обогрева. Под соплом установлен желоб для направления стекающего воска в специальный поддон. На передней части кожуха инжекторной установки смонтированы рукоятки управления. Скорость нагрева воска регулируют рукояткой регулятора мощности (ручка со шкалой 0-10). Температуру нагрева контролируют дистанционным контактным термометром. Заполнение резиновой пресс-формы воском происходит через инжекторное сопло, температуру индивидуального обогрева которого можно изменить от 0 до 50°С с помощью специально предусмотренного регулятора обогрева.
Для подготовки восковых моделей, в частности при условии вакуумного литья, может быть использована также и инжекторная установка другой конструкции, в которой подогрев модельного воска осуществляется косвенным путем - посредством трансформаторного масла. Установка состоит из внутреннего и наружного резервуаров, помещенных, один в другой. Пространство между резервуарами заполнено маслом, которое подогревается электронагревателем. Регулирование температуры нагрева воска осуществляется терморегулирующим устройством, а контроль - термометром. Заполнение резиновой пресс-формы воском происходит через инжекторное сопло под действием сжатого воздуха. Давление сжатого воздуха контролируется манометром, находящимся на верхней крышке установки, на которой закреплены также штудер для подвода сжатого воздуха (или азота, аргона) и предохранительный клапан.
Установка для вибровакуумирования (рис. 31) предназначена для уплотнения огнеупорной формовочной массы и удаления пузырьков воздуха при формовке.
Установка состоит из вакуумного насоса, вибратора и вакуумной камеры. Вакуумная камера представляет собой стеклянный колпак диаметром 300 мм и высотой 350 мм, соединенный с вибратором и установленный на специальный диск. По всему периметру металлического диска имеется паз, соответствующий с небольшими припусками диаметру колпака, в который плотно посажено резиновое кольцо. На это кольцо, выступающее по высоте выше плоскости диска, устанавливают колпак, который при вакуумировании притягивается к резине. Для удаления воздуха из формовочной массы, т. е. вакуумирования ее, в диске имеется специальное отверстие в виде штуцера, через которое отсасывается воздух.
На диск устанавливают и накрывают колпаком опоки, в которых "елочки" с восковыми моделями залиты формовочной массой. При включении вакуумного насоса и вибратора происходит одновременное вакуумирование и уплотнение формовочной массы. Количество опок, одновременно устанавливаемых в вакуумную камеру, определяется в зависимости от габаритов опок, чтобы в период вибрации не было их ударов о стенки колпака, и производительности вакуумного насоса и вибратора.
При подготовке набора восковых моделей ("елочка") для создания в опоке литейной формы с последующим выполнением литья методом вакуумного всасывания необходимо на вибровакуммной установке увеличить объем вакуумной камеры применением либо более высокого колпака, либо колпака большего диаметра, что в свою очередь потребует замены диска в соответствии с диаметром колпака. Кроме увеличения объема вакуумной камеры в установке желательна также замена электромагнитного вибратора на механическое устройство, обеспечивающее встряхивание формовочной массы.
Муфельная печь . В зависимости от объемов производства применяются печи различных видов. При мелкосерийном производстве наибольшее применение имеют сушильный электрический лабораторный шкаф СНОЛ-2,5-2,5-2,5/2М и электропечи сопротивления СНОЛ-1,6*2,5*1/9-М2У4*2; СНОЛ-1,6*2,5*1/11- М1У4*2. В этих печах предусмотрена автоматическая регулировка заданного режима нагрева внутренней шахты печи. Нагреватель выполнен из проволоки высокого омического сопротивления, Контроль и регулировка температуры осуществляются милливольтметром. Нагреватель включается с помощью магнитного пускателя.
Пространство между камерой и корпусом шкафа заполняется теплоизоляционным материалом.
Плавильно-заливочная установка предназначена для плавления металла и заливки его центробежным способом. Установка состоит из плавильной печи, сопротивления, механизма опрокидывания печи с противовесом и центробежного устройства, приводящего печь во вращение. В нижней части корпуса установки размещены трансформатор тока, приводной агрегат, а также распределительное устройство. На панели корпуса расположены ступенчатый переключатель для регулирования силы тока печи, амперметр, сигнальная лампа, а также две кнопки включения и выключения плавильного устройства (включено - зеленый цвет, выключено - красный). На крышке корпуса установлен механизм для опрокидывания плавильного устройства при соответствующей частоте его вращения. Состоит он из расцепляющегося устройства и гидравлических тормозов, препятствующих резкому опрокидыванию тигля и возможному вытеканию жидкого металла.
Для небольших цехов и мастерских, выполняющих литье изделий мелкими партиями, наиболее приемлемым оборудованием для литья является простейшая настольная центрифугам (рис. 32). На конце вертикально расположенной стойки, ось которой находится в специальных подвижных опорах, крепится коромысло, на концы которого подвешиваются специальные подвески (тарелки). Плечи коромысла должны быть равные. На одну тарелку устанавливается литейная форма, а на другую - соответствующий противовес. Центрифуга ограждается специальным цилиндрическим кожухом для обеспечения безопасности при падении литейной формы или противовеса, а также разливе металла в период запуска и вращения. Центрифугу можно запускать сразу после расплавления металла и заливки его в форму с помощью натянутого шнура или электропровода.
Установка "вакуум-металл" для литья методом вакуумного "всасывания (рис. 33) выкачивает воздух из литейной формы во время заливки опоки. Она состоит из рабочей камеры, камеры предварительного разрежения, форвакуумного насоса и пульта управления, на котором расположены манометр, сигнальная лампочка и выключатель насоса. Для соединения рабочей камеры с камерой предварительного разрежения предусмотрен вакуумный затвор с рукояткой. В верхней части рабочей камеры имеется фланец с кольцевой уплотнительной насадкой.
Рис. 33. Установка "вакуум-металл": 1 - опока, 2 - рабочая камера, 3 - камера предварительного разрежения, 4 - рукоятка вакуумного затвора, 5 - манометр. 6 - вакуумный затвор, 7 - форвакуумный насос
Принцип работы установки следующий. В камере предварительного разрежения с помощью насоса создается вакуум. Прокаленную опоку устанавливают на фланец тигля, и литейную форму заливают жидким металлом. Далее поворотом рукоятки вакуумного затвора рабочую камеру соединяют с камерой предварительного разрежения. При этом давление на стенки газопроницаемой опоки уменьшается (становится значительно ниже атмосферного), и атмосферное давление, действуя на поверхность жидкого металла, заставляет его заполнять литейную подлость формы.
Установка для электрохимического полирования предназначена для полирования отлитых заготовок. Ванна для электрохимического процесса должна быть герметичной, чтобы не было течи электролитов, содержащих частицы драгоценного металла. В качестве катодов используется листовой титан марок ВТ-1, ВТ-1-1 толщиной 0,8-1,2 мм. Катоды крепят титановой проволокой и помещают в чехлы из хлориновой ткани. В качестве анодов используют специальные подвески, на которые подвешивают изделия. Подвески изготовляются из проволоки тех же титановых сплавов, что и катод. Рекомендуется применять подвески, имеющие жесткий контакт с изделием (заготовкой). Для предотвращения растворения образовавшегося на катоде осадка катоды после окончания работы необходимо вынуть из ванны, тщательно промыть и высушить, а катодный осадок собрать для последующей регенерации драгоценных металлов.
Литьем по выплавляемым моделям (точным литьем), изготовляют отливки весом от нескольких граммов до десятков килограммов с толщиной стенок до 0,5 мм. Этим способом достигается чистота поверхности 5—6-го классов и точность для большинства деталей 5—7-го классов, а в некоторых случаях — 3-го класса.
Сущность процесса литья по выплавляемым моделям состоит в следую-щем. Из легкоплавких модельных составов в специальных пресс-формах изготовляются модели деталей и литниковой системы. Их соединяют и получают «блок моделей», на который в несколько слоев наносят суспензио-жидкое облицовочное покрытие состоящее из огнеупорной основы и связующего раствора. Каждый слой суспензии обсыпают сухим песком и просушивают, вследствие чего на модели образуется оболочка формы. Далее следуют выплавление моделей, прокаливание формы и заливка ее металлом.
К пресс-формам предъявляются следующие основные требования..
1. Размеры и чистота поверхности полости пресс-формы должны обесречивать получение отливок с заданной точностью и чистотой поверхности. При этом точность размеров и чистота поверхности рабочей полости пресс-формы должны быть на 1—2 класса выше требуемой точности и чистоты поверхности отливки.
2. Пресс-формы должны иметь минимальное количество разъемов, причем должно быть обеспечено удобное, быстрое и надежное извлечение моделей. Извлечение модели из пресс-формы без повреждений и искажений достигается правильным выбором разъема, выполнением уклонов и применением выталкивающих устройств. Величину уклонов принимают не менее 0,5°. Выталкиватели делаются местными или сплошными. Местные выталкиватели могут оставлять следы на моделях, поэтому их надо ставить на обрабатываемых или на неответственных поверхностях, сплошные выталкиватели не оставляют следов на поверхности модели.
Для удаления воздуха из полости пресс-формы при заполнении ее модельным составом на разъемах делают тонкие риски (0,1 мм), а в глу-хих углублениях, где образуются воздушные мешки, следует предусматри-вать тонкие вентиляционные отверстия.
4. Размеры каналов для подвода модельного состава должны обеспечи-вать получение модели без пузырей, усадочных и других дефектов. Место подвода не должно портить поверхность модели и должно компенсировать объемную усадку. Если питатели отливки нельзя использовать как литники модели, Следует подводить модельную массу в наиболее толстое сежние модели и к обрабатываемой поверхности данной отливки.
5. Пресс-форма должна быть удобной в работе. Для удобства сборки И разборки на пресс-форме предусматриваются ручки, прилийы или углуб-ления для пальцев рук, а также зажимные приспособления для быстрого и надежного запирания пресс-формы.
6, Детали и узлы пресс-формы должны быть прочными, жесткими и износоустойчивыми.
Стальные пресс-формы выдерживают до 100 тыс. съёмов моделей и более. К стальным пресс-формам по износоустойчивости приближаются литые из цинково-алюминиево-медных сплавов. Пресс-формы из других легкоплавких сплавов допускают около 1 тыс. съёмов. Для увеличения срока службы пресс-формы часто армируют.
7. Конструкция пресс-формы должна быть технологичной в изготовле-нии. Сложные детали пресс-формы, изготовляемые механической обработкой, целесообразно расчленять на более простые элементы.
Изготовление гипсовых и литых металлических пресс-форм одинаково и осуществляется по мастер-модели в металлических обоймах.
Часто применяются и комбинированные пресс-формы. Часть их деталей изготовляется механической обработкой, а наиболее сложные детали — отливкой по мастер-модели методом гальванопластики и другими способами.
По способу подвода металла к отливке все литниково-питающие системы делятся, на четыре типа Правильно построенная литниковая система должна обеспечить:
1) хорошее заполнение формы;
2) получение отливок без усадочных раковин, рыхлот и пористости, без инородных включений и коробления
3) высокие механические свойства металла отливок.
Вес литниковой системы и ее габариты должны быть возможно мень-шими. Модель литниковой системы представляет собой несущую конструк-цию и должна быть прочной. Обычно металл подводится к толстым частям отливок. Питание всех массивных узлов отливки осуществляется только от стояка или коллектора через питатели, или одни узлы отливок питаются от специально установленных прибылей. Такое построение литниковой системы обеспечивает надежное питание и направленное затвердевание отливок. Размеры элементов литниковой системы определяются факторами, характеризующими скорость охлаждения отливок. Критерием скорости охлаждения отливки является ее приведенная толщина, т. е. отношение площади сечения тела отливки к его периметру. Приведенная толщина характеризует скорость охлаждения отливки только при малой интенсивности теплообмена.Размеры стояков и питателей определяются в зависимости от толщины массива отливки, веса отливки и длины питателя.
При выборе составов для изготовления моделей руководствуются Следующими требованиями:
1) температура плавления должна быть в пределах 60—100°, а температура начала размягчения — выше температуры рабочего помещения.
2) усадка при охлаждении и расширение при нагреве должны быть минимальными и стабильными;
)3 удельный вес должен быть невысоким (желательно меньше 1;
4) состав должен обладать хорошей жидкотекучестью;
5) время затвердевания состава в пресс-форме должно быть минимальным;
6) состав должен точно воспроизводить конфигурацию рабочей полости пресс-формы;
7) состав не должен прилипать к поверхности пресс-формы и взаимодействовать с материалом пресс-формы;
8) компоненты состава не должны растворяться в связующих облицовки;
9) в твердом состоянии состав должен иметь достаточную твердость и прочность;
10) состав должен обладать хорошей спаиваимостью,
11) состав должен быть пригодным для многократного использования;
12) состав должен хорошо смачиваться облицовочным составом;
13) зольность состава должна быть минимальной;
14) состав должен быть безвредным для здоровья работающих;
15) компоненты состава должны быть дешевыми;
16) приготовление составов должно быть несложным.
Применяемые модельные составы могут быть классифицированы:
а) в зависимости от основных компонентов и их соотношения,
б) в зависимости от температур плавления и размягчения, прочности и т д.;
в) по состоянию при введении в пресс-форму (жидкие составы, пастообразные, подогретые до размягчения)
;г) по способу удаления из литейных форм (выплавлением, растворением, выжиганием).
В последнее время предложены новые модельные составы парафин-полиэтиленовые, церезин-полиэтиленовые и парафин-церезин-полиэтиле-новые.
Легкоплавкие модельные составы (парафин, стеарин, церезин и др.) приготовляют в водяных, глицериновых или масляных банях с электрическим или газовым подогревом; применяют также бани-термо-статы.
Пастообразные модельные составы при малом масштабе производства приготовляют вручную, при более крупном — на специальных установках
Модельные составы с высокой температурой плавления (канифоль, полистирол и др.) изготовляют в специальных поворотных электропечах, оснащенных терморегуляторами.
Способы изготовления моделей разнообразны. Модельный состав вводят в полость формы следующими способами: свободной заливкой, запрессовкой в пастообразном состоянии; заливкой под давлением; запрес-совкой под высоким давлением подогретых до состоянии размягчения порошка или крупки модельных составов типа пластмасс.
Температуру расплавления перед заливкой нужно постоянно кон-тролировать (в зависимости от состава массы температура заливки должна быть в пределах 60—120°). Применение пустотелых моделей дает возмож-ность повысить точность отливок, сократить время изготовления моделей, снизить расход модельного состава и сократить потери последнего, уменьшить вес модельного блока, упростить и сократить, про-цесс выплавления моделей. Способ введения модельного состава в полость пресс-формы в пастообразном состоянии под давлением нашел в практике производства наибольшее распространение.
Запрессовка пастообразного модельного со-става осуществляется с помощью разнообразных устройств — от простейшего ручного шприца до сложных машин автоматов. Модельный состав запрессовы-вается из цилиндра-резервуара в полость формы под давлением поршня или сжатым воздухом, давящим непосредственно на расплавленный модельный со-став.
Модели из термопластических материалов типа полистирола изготовляются на специальных прессах, применяемых при штамповке различных изделий из пластмасс. Принцип работы машин состоит в том, что подогретый пластический материал, загружаемый в машину, обычно в порошкообразном виде, размягчается в обогревательном цилиндре и под высоким давлением поршня запрессовывается в полость пресс-формы через специальный литниковый ход. Для получения плотного изделия давление после заполнения полости пресс-формы повышается. По окончании выдержки для твердения (несколько секунд), половинки пресс-формы раздвигаются, и готовое изделие выталки-вается в лоток.
Сборка готовых моделей в блоки осуществляется различными способами.
а) модели деталей припаиваются к модели литниковой системы с по-мощью подогретого лезвия ножа, электропаяльником или расплавленным модельным составом;
б) модели соединяются в кондукторе с элементами литниковой системы механически или склеиванием.
Сборочные кондук-торы применяются для моделей из плохо спаивающихся модельных составов. Механическое соединение моделей деталей и литниковой системы приме-няется в тех случаях, когда модели делаются из материала, не поддающегося спаиванию (например, полистирол). Для этой цели используется специаль-ный металлический стояк с лепестковым зажимом. Сборка путем склеивания моделей применяется редко.
Литейные формы.
Процесс изготовления литейной формы складывается из подготовки материалов, формирования оболочки на поверхности модели, удаления модели из оболочки, заформовывания оболочки в наполнитель и прокали-вания формы.
Для образования литейной формы употребляются:
связующие материалы — этилсиликат, жидкое стекло, глиноземистый цемент,
материалы основы — пылевидный кварц, кварцевый песок, плавленый кварц, молотый шамот, пылевидный тальк, магнезит, циркон:
растворители и прочие материалы—этиловый спирт, ацетон, эфир-альдегидная фракция, гидрозит, соляная кислота, дистиллированная вода.
Связующие представляют собой раствор этилсиликата в органических растворителях (спирт, ацетон) и водные растворы жидкого стекла. Первый приготовляют гидролизом этилсиликата. Сущность гидролиза этилсили-ката состоит в переводе эфиров этилсиликата в неустойчивые кремниевые кислоты, которые переходят в коллоидное состояние. При гидролизе должен быть получен гель кремневой кислоты заданных состава и свойств.
Этилсиликат и вода не растворяются друг в друге при смешении, но этилеиликат и вода хорошо растворяются в спирте, ацетоне, эфироальдегидной фракции и других жидкостях. Поэтому гидролиз этилсиликата проводят в предварительно приготовленных водноспиртоэом или водно-ацетоновом растворе. Для ускорения реакции -применяют катализатор — соляную кислоту.
В зависимости от количественного соотношения взятых для гидролиза материалов, а также их состава можно получить различные по составу и свойствам коллоиды.
Жидкое стекло применяется для второго и третьего слоев облицовки, жидкое стекло растворяется до заданного удельного веса, после чего оно поступает на приготовление суспензии.Приготовление суспензии состоит в перемешивании связующего раствора с пылевидным материалом (предварительно промытым, просушеным, прокаленным и просеянным) до получения однородной массы.
Формирование оболочек на поверхностях моделей состоит в нанесении суспензии, обсыпке сухим песком и твердении слоя оболочки, при формировании оболочки на жидком стекле по способу П. С. Першина Тврдение происходит при смачивании оболочки после обсыпки песком 10-процентным водным раствором хлористого или азотнокислого аммония Происходит химическое твердение.
Нанесение суспензии на поверхности моделей осуществляется мето-дом погружения модели в суспензию. Другие методы нанесения (напылением, обливанием) не получили распространения.
Обсыпка песком в начале делалась вручную в непрерывно падающем потоке песка В настоящее время она повсемесно механизирована. Способ удаления модельного материала зависит от его свойств и от того удаляется ли он непосредственно из оболочки, до формовки или после формовки.
Выплавление модельного материала может быть осуществлено в шкафах горячим воздухом, перегретым водяным паром; в ваннах горячей водой, инфракрасными лучами; токами высокой частоты/
Наибольшее распространение получили способы выплавления моделей в жидкой и газообразной среде. Выжигание и растворение моделей широкого распространения не получили.
Формовка оболочек производится в опоках с дном для сухих наполнителей или без дна для влажных наполнителей опоки обычно делают сварными из листового материала толщиной 4—5 мм, преимущественно цилиндрической формы, а таке литьем в землю.
В качестве наполнителей применяют формовочный песок.
В том случае, когда модели из оболочек выплавляются после формовки, опоку переворачивают литниковой чашей вниз, необхо-димо удержать в опоке сухой наполнитель Для этой цели приготовляется Торцовый наполнитель, например из песка с 4—6% жидкого стекла.Процесс формовки сводится к засыпке наполнителя в опоку вокруг оболочки вручную или из бункера с небольшим уплотнением.
Формовка влажным наполнителем состоит в заливке наполнителя в промежуток между оболочкой и опокой. Уплотнение осуществляется на вибрационной машине. Процесс твердения происходит в первый час После формовки и продолжается до 2 суток.
По окончании формовки и удаления модели формы подвергают прокаливанию, благодаря чему достигается удаление из оболочки газотворных составляющих, а также лучшее запол-нение нагретой формы жидким металлом.
Прокаливание производится при температуре 850—900° в печах раз-ных конструкций (электрических, газовых и др.).
Плавка металла и заливка форм.
К качеству металла отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям, предъявляются те же требования, что и к отливкам, получаемым другими способами. Поэтому металл из любого плавильного агрегата может быть использован и для литья под давлением.
Заливка жидкого металла в формы имеет свои особенности.
Заливка осуществляется одним из следующих способов:
Свободная заливка;
Заливка с приложением давления воздуха или нейтрального газа на поверхность жидкого металла;
Вакуумная заливка с созданием разрежения в форме;
Центробежная заливка;
Комбинированная центробежно-вакуумная заливка.
В случае когда удаление форм производится после их заливки, освожденные от наполнительной смеси и выбитые из опок стояки с отливками, обрабатываются на околоточном станке где с отливок удаляются остатки керамики и прикипевшей наполнительной смеси.
Отливки удаляются со стояков металоорежущим инструментом (круг), остатки питателе фререзуются за подлицо (остаток пистателя на отливках может варьироваться до 5 мм и более, как правило составляет не более 2-х мм., в зависимости от принятого на предприятияя тех. процесса).
Окончательная обработка отливок производится в пескоструйной или дробеметной камере, голтовочном барабане и т.д. В зависимости от марки сплава отливок производится термическая обработка литья.