1

Metody wytwarzania

Metody wytwarzania

odlewów

odlewów

2

Sposoby wypełniania form

Sposoby wypełniania form

odlewniczych

odlewniczych

Grawitacyjne wypełnianie

wnęki formy

odlewniczej jest prostym
i najczęściej stosowanym rozwiązaniem, ma ono jednak
wiele wad, które doprowadziły do opracowania innych
sposobów zalewania form.

Odlewanie ciśnieniowe

polega na

wprowadzaniu metalu do
wnęki formy pod wysokim ciśnieniem, o wartościach od
kilkudziesięciu do kilkuset MPa. Ciśnienie to wywierane
jest na ciekły metal przez tłok
w cylindrze, zwanym

komorą prasowania

, jak to

pokazano schematycznie na rys. 1.

3

Rys. 1. Zasada odlewania
ciśnieniowego

Główne zalety tego procesu polegają na dokładnym i
szybkim wypełnieniu wnęki formy, co prowadzi do
uzyskania dużej

gładkości i dokładności

wymiarowej

odlewów oraz wysokiej wydajności

procesu.

4

Odlewanie pod niskim ciśnieniem

różni się od

odlewania ciśnieniowego (zwanego czasem

odlewaniem pod

wysokim ciśnieniem

) nie tylko wartościami stosowanych

ciśnień, lecz także zasadniczo odmiennym sposobem
wypełniania formy, innymi zjawiskami z tym związanymi oraz
parametrami
i cechami otrzymywanych odlewów. Podstawowym celem
wywierania ciśnienia jest spokojne (z całkowicie

kontrolowaną prędkością

) zapełnianie wnęki formy od

dołu (w kierunku przeciwnym do siły ciążenia) metalem
pobieranym specjalnym przewodem spod powierzchni metalu
w zbiorniku. Wartości ciśnień niezbędnych do podniesienia
poziomu metalu, które zależą od gęstości odlewanego stopu
oraz różnicy wysokości między poziomem metalu w zbiorniku
formie, zwykle zawierają się w granicach

0,01+0,05 MPa

.

5

Rysunek 2. Zasada odlewania pod niskim ciśnieniem: a) z
zastosowaniem nadciśnienia wywieranego na lustro ciekłego metalu w
zbiorniku podgrzewczym,
b) z zastosowaniem próżni dołączanej do wnęki formy (odlewanie z
przeciwciśnieniem)

6

Odlewanie odśrodkowe

polega na użyciu

siły odśrodkowej do wypełnienia wnęki formy, a w
niektórych odmianach — także do kształtowania jednej
z powierzchni odlewu.

odlewanie odśrodkowe właściwe

— służące

do wykonywania odlewów w kształcie brył
obrotowych typu tulei (rys. 3.a i b). Powierzchnia

zewnętrzna

takiego odlewu jest odtwarzana przez

wirującą formę,

wewnętrzna

zaś jest walcową

powierzchnią swobodną kształtowaną przez siłę
odśrodkową. Tego typu formy mogą mieć pionową,
poziomą lub skośną oś obrotu. Same formy są
wykonywane z metalu, jednak często stosuje się
wyłożenie ich wnęki masą formierską

7

odlewanie półodśrodkowe

— służące do

wykonywania odlewów
w kształcie brył obrotowych, w których wewnętrzna
powierzchnia jest odtwarzana przez

rdzeń

, zwykle

piaskowy (rys. 3.c). Tego typu proces umożliwia
uzyskiwanie dowolnych kształtów wewnętrznych
odlewu.

•

   

odlewanie pod ciśnieniem

odśrodkowym

— w którym wlew główny jest

umieszczony w pionowej osi wirowania,
a ciśnienie pochodzące od siły odśrodkowej
pomaga
w wypełnieniu wnęk formy rozłożonych wokół
wlewu głównego (rys. 3.d). Forma może być
wykonana z dowolnego materiału, ale zazwyczaj
stosuje się formy jednorazowe.

8

Rysunek 3. Zasady odlewania odśrodkowego: a), b)
odlewanie odśrodkowe właściwe z poziomą i pionową
osią obrotu, c) odlewanie półodśrodkowe, d) odlewanie
pod ciśnieniem odśrodkowym

9

odlewanie ciągłe,

którego zasadę pokazano na

rys. 4. Proces polega na nieprzerwanym wlewaniu
ciekłego metalu do formy odlewniczej, inaczej zwanej

krystalizatorem

, przy jednoczesnym wyciąganiu z

niej, ze strony przeciwnej, odlewu. Uzyskuje się w ten
sposób odlew wielokrotnie przewyższający długością
formę, o stałym kształcie przekroju poprzecznego.
Odlewany profil może być pełny, typu

belki

, lub

wydrążony, typu

rury

.

Rysunek 4. Zasada odlewania
ciągłego (na przykładzie odlewania w
układzie poziomym); odlew o stałym
przekroju poprzecznym jest
sukcesywnie wyciągany z
krystalizatora,
z prędkością zależną od szybkości
krzepnięcia metalu w krystalizatorze

10

Procesy
zagęszczania masy

Zagęszczanie masy formierskiej

polega na tym, że

pod działaniem sił zewnętrznych spulchniona masa (o
gęstości nasypowej <l,0 g/cm

3

) ulega w skrzynce

(niekiedy w komorze maszyny w przypadku
formowania bezskrzynkowego) przemieszczeniu i
zmniejszeniu objętości związanemu z większym
zbliżeniem (upakowaniem) ziaren. Na skutek tego
następuje zwiększenie jej gęstości i polepszenie
własności wytrzymałościowych.

Głównym celem zagęszczania masy jest
uzyskanie:

•    a) dokładnego odwzorowania

kształtu

wnęki

formy, odpowiadającego kształtowi modelu,
•    b) odpowiedniej

odporności

wnęki formy na parcie

ciekłego metalu, przy zachowaniu możliwie dużej

przepuszczalności

masy.

11

Zagęszczanie masy przez
ubijanie

Zagęszczanie masy przez
prasowanie

Zagęszczanie masy przez
wstrząsanie

Zagęszczanie masy przez
wibrację

Zagęszczanie masy przez
narzucanie

Zagęszczanie masy przy użyciu
mieszarko-nasypywarki

12

Nadmuchiwanie
masy

Wstrzeliwanie
masy

Zagęszczanie masy metodą
impulsową

Zagęszczanie masy metodą
eksplozyjną

Formowanie zautomatyzowane

13

Zagęszczanie masy przez

ubijanie

jest

najstarszym, ręcznym, mało wydajnym i
bardzo

pracochłonnym

sposobem

zagęszczania

masy,

wymagającym

od

pracownika dużego wysiłku fizycznego. Do
ubijania masy są używane

ubijaki ręczne

lub

mechaniczne

(

pneumatyczne

).

Gęstość

zagęszczonej masy na ogół wynosi 1,4 do 1,6
g/cm

3

(twardość ok. 30-60 jednostek), przy

czym

większa

masa

odlewu

wymaga

stosowania większego zagęszczenia. Rozkład
gęstości wzdłuż wysokości formy jest w
przybliżeniu stały. Ten sposób jest stosowany
w produkcji

jednostkowej i małoseryjnej

,

z tendencją ograniczania jego za kresu.

Zagęszczanie masy przez
ubijanie

14

Zagęszczanie masy przez
prasowanie

prasowanie

niskimi

naciskami (do 0,4 MPa),

stosowane powszechnie w starszych typach
maszyn formierskich,

prasowanie

średnimi

naciskami (0,4-0,8

MPa), stosowane tylko w maszynach z
głowicami przeponowymi,

prasowanie

dużymi

(wysokimi) naciskami

(0,8-2,5 MPa), stosowane powszechnie we
współczesnych maszynach formierskich,

prasowanie

bardzo dużymi

naciskami

(powyżej 2,5MPa), jeszcze rzadko stosowane.

15

Rysunek 5. Zasada prasowania przy użyciu dużych nacisków
jednostkowych głowicą wielotłokową: a) położenie wyjściowe,
b) początek prasowania,
c) koniec prasowania; 1 - cylinder wyrównawczy ciśnienia, 2 -
wielotłokowa głowica prasująca, 3 - stopki tłoczków
prasujących, 4 - ramka nadstawna,
5 - skrzynka formierska, 6 - stół maszyny z płytą modelową
połączony
z naciskającym ku górze cylindrem hydraulicznym

16

Rysunek 6. Formierka wielotłokowa: 1 - dozownik masy, 2 -
stopka tłoczka prasującego, 3 - nadstawka, 4 - stół maszyny, 5
- siłowniki odsuwające dozownik, 6 - siłownik odsuwający
głowice prasującą, 7 - zbiornik masy

17

Zagęszczanie masy przez
wstrząsanie

Zagęszczanie

masy

przez

wstrząsanie

cechuje duża

niejednorodność

gęstości

pozornej masy, zmienna wraz z wysokością
formy.

Największe

zagęszczenie

masy

występuje

w pobliżu płyty modelowej

, co

jest korzystne ze względu na dokładne
odwzorowanie wnęki formy, najmniejsze zaś,
praktycznie zerowe w

górnych warstwach

masy w formie.
Po wstrząsaniu forma wymaga stosowania

dodatkowego

ubijania

ręcznego

lub

prasowania małymi lub dużymi naciskami.

18

Rysunek 7. Schemat działania wstrząsarki; 1 - stół
maszyny,
2 - tłok, 3 - otwór dopływowy, 4 - otwór wylotowy,
5 - cylinder;
s - skok stołu

19

Zagęszczanie masy przez
wibrację

Przy zagęszczaniu masy przez wibrację
przeważnie

stosuje

się

drgania

o

częstotliwości

60-100

Hz

i

amplitudzie 0,5-0,7 mm

. Sposób ten jest

stosowany do zagęszczania form średnich i
dużych,

wykonanych

z

mas

o

dużej

płynności,

czyli

samoutwardzalnych mas sypkich i ciekłych.
Czas zagęszczania wynosi na ogół

poniżej

10 s

. W przypadku zagęszczania przez

wibrację mas z bentonitem uzyskuje się
podobny rozkład gęstości masy w zależności
od wysokości formy, jak przy wstrząsaniu.
Zatem po wibracji lub równolegle z nią
należy zastosować prasowanie. Wibracja
połączona z prasowaniem nazywa się

wibroprasowaniem

.

20

Zagęszczanie masy przez
narzucanie

Narzucanie jest

zmechanizowaną

metodą

formowania,

która

łączy

procesy

wypełniania

skrzynki

formierskiej

i

zagęszczanie masy. Zasada tej metody
polega na rzucaniu małych

porcji

masy z

dużą prędkością (

ok. 30 m/s

) na model, a

potem

na

wcześniej

ukształtowaną

warstwę masy. Energia kinetyczna takiej
porcji zostaje w chwili jej wyhamowania
zamieniona

na

pracę

odkształcenia

trwałego, a więc zagęszczenia masy.
Uzyskuje się dość wysoki i jednorodny
stopień

zagęszczania

masy

w funkcji wysokości formy, nie wymagający
już dodatkowego zagęszczania.

21

Rysunek 8. Zagęszczanie masy przez narzucanie; 1 -
obudowa głowicy narzucarki, 2 - wirująca tarcza, 3 -
łopatka kształtująca i rzucająca porcje masy, 4 -
przenośnik taśmowy podający spulchnioną masę do
głowicy, 5 - model, 6 - skrzynka formierska, 7 - uchwyt
do ręcznego wodzenia głowicy

22

Zagęszczanie masy przy użyciu
mieszarko-nasypywarki

Mieszarko-nasypywarka

jest odmianą narzucarki

przeznaczonej do podawania do formy lub
rdzennicy

masy chemoutwardzalnej

o krótkim

okresie trwałości, tj. czasie,
w którym można użyć masy do formowania, a więc
przed jej

utwardzeniem się

.

Na początku miesza się piasek ze

spoiwem

, a

następnie dodaje się utwardzacz. Masę wsypuje
się do rdzennicy lub formy, gdzie następuje jej
utwardzanie. Utwardzanie trwa od

kilku minut

do kilku godzin

w zależności od wielkości

rdzenia, ilości spoiwa, utwardzacza. Często
rdzennice lub skrzynki umieszcza się na stole
wibracyjnym w celu zwiększenia zagęszczenia
masy.

23

Nadmuchiwanie
masy

Nadmuchiwanie masy stosuje się do wykonania
rdzeni głównie

rdzeni skorupowych

. Działanie

nadmuchiwarki polega na tym, że strumień
sprężonego powietrza jest doprowadzony do

komory nabojowej

ponad powierzchnię luźno

nasypanej i spulchnionej masy. Strumień ten
powoduje przemieszczanie się cząstek masy,
przepływając przez nią
w kierunku otworu dmuchowego. Tą drogą
dostaje się do rdzennicy razem z cząstkami masy,
nadając tym cząstkom określoną prędkość
wylotową.

24

Rysunek 9. Schemat nadmuchiwarki z górnym
doprowadzeniem powietrza
1 - komora nabojowa, 2 - rdzennica, 3 - strumień piaskowo-
powietrzny,
4 - zagęszczona masa; a - wlot sprężonego powietrza, b -
otwór dmuchowy, c - otwory odpowietrzające

25

Wstrzeliwanie masy

Proces

wstrzeliwania

masy jest realizowany

przy

zastosowaniu

maszyn

zwanych

strzelarkami

. Strzelarki są przeznaczone do

wytwarzania

rdzeni

oraz form z różnych mas.

Schemat strzelarki przedstawiono na rys. 10.
Głównym elementem konstrukcji strzelarki jest

komora nabojowa

. Przez szybkie otwarcie

zaworu doprowadza się sprężone powietrze nad
masę znajdującą się w komorze oraz wokół niej
(przez

szczelinowe

nacięcia),

na

całej

wysokości cylindra komory nabojowej. Wskutek
nagłego działania sprężonego powietrza masa
w komorze uzyskuje stan

fluidalny

(zbliżony do

cieczy) i zostaje wystrzelona przez otwór
strzałowy w głowicy do rdzennicy.

26

Rysunek 10. Schemat strzelarki: 1- komora nabojowa,
2 - cylinder komory, 3 - zawór strzałowy, 4 - głowica, 5
- zbiornik wyrównawczy sprężonego powietrza, 6 -
rdzennica lub forma

27

Zagęszczanie masy metodą
impulsową

Formowanie impulsowe polega na
zagęszczaniu masy

falą sprężonego powietrza

(0,4 - 0,6 MPa), wywołaną nagłym otwarciem
zaworu o dużym przekroju. Zawór ten, zwany
impulsowym, łączy dwie przestrzenie: głowicę
impulsową (o wyższym ciśnieniu) i skrzynkę
formierską z nadstawką (o mniejszym
ciśnieniu). Otwarcie

zaworu impulsowego

powinno spowodować nagły wzrost ciśnienia
nad powierzchnią masy w nadstawce.
Przykłady rozwiązań maszyn impulsowych
podano na rys. 11.

28

Rysunek 11. Schematy formierek impulsowych: a) z zaworem
płytowym,
b) z przeponą, c) rozkład ciśnienia p (zagęszczenia) w masie (I -
naroże

formy,

// - rejon przyścienny, /// - środek formy); 1 - głowica impulsowa, 2
- stała płyta zaworu, 3 - przesuwna płyta zaworu, 4 - siłownik, 5 -
nadstawka, 6 - skrzynka formierska (lub rdzennica), 7 - płyta
modelowa z modelem, 8 - perforowane ściany zaworu, 9 -
obrotowa przepustnica, 10 - przepona

29

Zagęszczanie masy metodą
eksplozyjną

Zagęszczanie eksplozyjne polega na działaniu

fali ciśnieniowej

, wytworzonej gwałtownym

spalaniem mieszanki gazów palnych (propan,
butan, gaz ziemny) z powietrzem. Powstająca
fala ciśnieniowa (0,4-0,5 MPa) zagęszcza masę
w sposób analogiczny jak w formierce
impulsowej. Schemat maszyny eksplozyjnej
podano na rys. 12. Zapłon mieszanki jest
dokonywany elektrycznie, prędkość zaś jej
spalania może być regulowana

.

30

Rysunek 12. Schemat eksplozyjnej maszyny
formierskiej:
1   - komora spalania (głowica impulsowa), 2   -
dmuchawa
z napędem, 3 - zapłon, 4 - nadstawka, 5 -
skrzynka formierska (ew. rdzennica), 6 - płyta
modelowa z modelem

31

Formowanie zautomatyzowane

Podstawowymi zadaniami automatyzacji formowania
jest uzyskanie

dużej wydajności

oraz dobrej i stabilnej

jakości

odlewów.

Rysunek 13. Automatyczna linia odlewnicza firmy Hybe
dla wymiarów skrzynek 800 x 600 x 250 mm

32

W automatycznej linii odlewniczej można
wyróżnić - poza automatem formierskim -
następujące odcinki:



wkładania rdzeni,



zalewania z automatem lejniczym, który

może się przesuwać wzdłuż odcinka
zalewania,



stygnięcia, o długości zapewniającej

całkowite zakrzepnięcie metalu we wnęce
formy,



wypychania pakietu masy do urządzenia

oddzielającego odlewy od masy formierskiej i
rdzeniowej.

Linia może być wyposażona w wiertarki do
wiercenia układów wlewowych, urządzenia
przestawiające obciążniki z form zakrzepłych
na przygotowane do zalewania, urządzenia
czyszczące, nanoszące pokrycia, roboty do
ustawiania rdzeni i inne.

33

Formowanie ze skrzynkami

usuwalnymi

i bezskrzynkowe

Rysunek 14. Zasada pracy automatu do formowania
bezskrzynkowego
z pionową płaszczyzną

;

podziału typu Disamatic

34

Rysunek 15. Zasada formowania bezskrzynkowego w
automacie firmy Haflinger z poziomym podziałem
formy: a) zagęszczanie przez prasowanie, b)
oddzielanie i wysuwanie płyty modelowej dwustronnej

35

Rysunek 16. Widok linii formowania bezskrzynkowego
typu Disamatic

36

Formowanie skorupowe

Rysunek 16. Schemat formowania skorupowego; 1 - zbiornik z
masą formierską, 2 — płyta modelowa, 3 - skorupa, 4 - piec do
utwardzania skorupy

37

Płyty modelowe lub rdzennice

są najczęściej wykonane z

żeliwa oraz ogrzane do temp.

ok. 250 °C

. Masa jest

sporządzona z piasku powleczonego

żywicą termoutwardzalną

lub mieszaniny piasku z sypką żywicą oraz utwardzaczem. Na
ogół żywice są dostarczane do odlewni w stanie zmielonym z
dodatkiem
3-5% utwardzacza, również w postaci zmielonej.

Pod wpływem temperatury płyty modelowej żywica

topi się

,

zwilża ziarna piasku, powodując przyleganie warstwy masy do
modelu

lub

rdzennicy;

powstaje

nieodwracalny

stan

utwardzonej masy. Nie nagrzana, powleczona żywicą masa
rdzeniowa jest używana powtórnie. Ostateczne utwardzanie
masy następuje przez wygrzanie w piecu

w temp. 300-400 °C,

w czasie 1-3 min.

Po tym zabiegu skorupa jest oddzielana od

płyty za pomocą zespołu

wypychaczy

.

38

Proces pełnej formy
(wypalanych modeli)

Proces wytwarzania odlewów metodą pełnej formy
rozpoczyna się od wykonania jednorazowego modelu ze
styropianu, który wkłada się do skrzynki, gdzie obsypuje
się go suchym piaskiem pozbawionym lepiszcza. Piasek
w celu zagęszczenia i osiągnięcia pożądanej sztywności
poddaje się wibracji, a następnie forma jest zalewana.
Podczas zalewania styropianowy model zostaje stopiony,
a następnie zgazowany, metal natomiast wypełnia wnękę
formy, odwzorowując kształt modelu. Schemat procesu
przedstawiono na rys. 17. Jednorazowe modele
otrzymuje się analogicznie jak inne elementy ze
styropianu (np. opakowania) przez kształtowanie w
specjalnych formach pęczniejącego pod wpływem
temperatury granulowanego polistyrenu.

39

Rysunek 17. Zasada procesu pełnej formy
(zgazowanych modeli)

40

Odlewanie

kokilowe

Kokile wykonuje się najczęściej z żeliwa jako konstrukcje
skrzynkowe, starając się przy projektowaniu zachować
równomierną grubość ścian, która najczęściej wynosi 2-5
grubości ścianki odlewu.

Rysunek 18. Przykład kokili ręcznej rozsuwanej; 1 - ruchoma
część

kokili,

2 - stała część kokili, 3 - rdzeń metalowy, 4 - kołek ustalający,

5 - zamknięcie, 6 - otwory mocujące nieruchomą połówkę
kokili do stołu kokilarskiego, 7 - mechanizm mimośrodowy
do wyciągania rdzenia górnego

41

Do operowania kokilami używa się na ogół
urządzeń lub maszyn zwanych

kokilarkami

lub maszynami kokilowymi. Kokilarki mogą
być projektowane indywidualnie do danej
kokili

czy

kilku

kokil

o podobnej konstrukcji albo projektowane
i wykonywane przez wyspecjalizowane firmy
i dostępne w handlu jako kokilarki
uniwersalne.

Kokila

wraz

z kokilarką indywidualną jest często
nazywana

kokilą zmechanizowaną.

42

Rysunek

19.

Przykład

kokilarki

ręcznej

z

zamontowaną kokilą do wykonywania niewielkich
odlewów;

1

-

ruchoma

połówka

kokili,

2 - stała połówka kokili, 3 - rdzeń, 4 - układ wlewowy,
5 - kołki ustalające, 6 - zamknięcie, 7 - prowadnica, 8 -
mechanizm zębatkowy, 9 - wypychacz, 10 - płyta
wypychaczy, 11 - dźwignia zębatki napędu płyty
wypychaczy, 12 - stół (podstawa)

43

Rysunek 20. Przykład kokilarki hydraulicznej;
1 - ruchome płyty do montażu połówek kokili, 2 -
prowadnice kolumnowe, 3 - korpus maszyny, 4 -
płyta pomocnicza, 5 - siłownik do wyciągania rdzeni
do dołu, 6 - mocowanie rdzenia dolnego,
7 - trawersa górna, 8 - siłownik do wyciągania
rdzeni

do

góry,

9 - mocowanie rdzenia górnego

44

Proces odlewania
ciśnieniowego

Odlewanie ciśnieniowe

rozwija się od połowy

XIX

w.

W

początkowym

okresie

tym

sposobem

odlewano

czcionki

drukarskie

.

Odlewanie

ciśnieniowe polega na wprowadzeniu ciekłego
stopu do formy pod wysokim ciśnieniem (

10-

200 MPa

) i z dużą prędkością, która we wlewie

doprowadzającym wynosi

20-80 m/s

. Forma jest

zawsze

zamontowana

w

maszynie

ciśnieniowej

,

która

wykonuje

wszystkie

czynności związane z zamykaniem i otwieraniem
formy, a w niektórych odmianach także jej
wypełnianiem. Forma jest zawsze dzielona
pionowo i składa się z dwóch połówek
zamocowanych do dwóch płyt maszyny, z
których jedna jest stała, a druga ruchoma.

45

Z uwagi na wysokie ciśnienie nie można
stosować rdzeni piaskowych. Krzepnięcie
odlewu następuje szybko, gdyż wysokie
ciśnienie wtrysku umożliwia stosowanie

niskiej temperatury zalewanego stopu

oraz

niskiej temperatury formy, bez obawy
niedokładnego wypełnienia wnęki formy.
Najwięcej odlewów ciśnieniowych wykonuje
się ze stopów Al (40 - 60%), a także cynku,
magnezu, ołowiu
i miedzi.

46



duża dokładność wymiarowo-kształtowa

odlewów,



drobnoziarnista struktura, szczególnie

wierzchniej, szybko krzepnącej warstewki,



brak wad powierzchniowych,



mała chropowatość,



duża wydajność procesu — kilkanaście

zapełnień formy na min., zalecane do
wytwarzania odlewów
w dużych seriach,



małe naddatki na obróbkę (0,3 + 0,5

mm/stronę), co powoduje skrócenie czasu
i zmniejszenie kosztu obróbki
skrawaniem.

Zalety odlewania

ciśnieniowego

47

Rysunek 21. Zasada działania maszyny
ciśnieniowej:
a) z gorącą komorą ciśnienia prasowania), b) z
zimną poziomą komorą ciśnienia, c) z zimną
pionową komorą ciśnienia