1
Metody wytwarzania
Metody wytwarzania
odlewów
odlewów
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