Доводка размеров рабочей полости формы
Размерные отклонения внешних контуров отливаемой детали зависят от следующих факторов:
1) от сокращения линейных размеров при усадке сплава;
2) от величины теплового расширения металлических матриц;
3) от точности .механической обработки матриц и отъемных частей;
4) от внутренних напряжений, вызывающих деформацию матриц (коробление);
5) от точности сборки матриц;
6) от толщины слоя теплоизоляционного покрытия;
7) от деформации отливок в процессе их термообработки.
В свою очередь, величина линейной усадки зависит от вида сплава, от материала и качества изготовления песчаных стержней, определяющих степень их податливости, от конструктивных особенностей отливаемой детали и, наконец, от теплофизических параметров технологического процесса. При проектировании оснастки трудно определить действительные величины этих слагаемых, поэтому рабочие поверхности матриц, формирующие точные, обусловленные допуском очертания отливки, следует выполнять с технологическим припуском, допускающим их последующую размерную доводку.
Принято считать, что величина линейной усадки при отливке из алюминиевых сплавов деталей средних габаритов, т. е. до 500 мм, составляет 1%. При отливке более крупных деталей часто принимают линейную усадку разных значений, в частности, по высоте и ширине считают 1%, а по длине, если она превышает 600—700 мм, 0,7—0,8%.
Практически, при отливке из алюминиевых сплавов тонкостенных деталей цилиндрической формы диаметром до 250 мм с применением сырых стержней, линейная усадка по диаметру была равна 1,3%, а по высоте при размере до 700 мм — 1,2%. Увеличение усадки по диаметру можно объяснить быстро протекающим процессом кристаллизации и, с другой стороны, высокой податливостью применяемых сырых стержней, приготовленных из формовочной смеси. При отливке этих же деталей с оболочковыми стержнями, содержащими 5% пульвербакелита, линейная усадка по диаметру составляла 1%, что объясняется большим сопротивлением оболочковых стержней. Величина теплового расширения металлических матриц при нагреве их до 300° составляла 0,4% от линейного размера, что при диаметре рабочей полости 220 мм составляет 0,9 мм. При определении размера внутренней полости металлической формы можно пользоваться следующей формулой:
где D — размер внутренней полости формы в холодном состоянии;
d — размер отливки по чертежу;
lус— величина линейной усадки в мм;
lрасш— величина теплового расширения в мм;
S — припуск на доводку размера, обычно принимаемый 0,5 мм на сторону.
Опытные отливки в процессе доводки полости формы следует подвергать контрольным промерам в нескольких противоположных точках, например по диаметру и между не обрабатываемыми поверхностями верхнего и нижнего фланцев. Результаты промеров целесообразно наносить на график, одна из форм которого показана на фиг. 126. Три горизонтальные линии графика имеют следующее назначение: линия А — соответствует номинальному размеру по чертежу, линия Б — определяет верхнее предельное отклонение размера в соответствии с заданным допуском, линия В — то же для нижнего предельного отклонения размера.
Расстояние между линиями определяется выбранным масштабом: например 0,1 мм =5 мм. Результаты промера позволяют наглядно установить, вписываются или не вписываются фактические размеры в заданное поле допуска и на какую величину и где следует увеличить размер полости формы. Также следует учитывать и толщину слоя теплоизоляционного покрытия, равную в среднем 0,2 мм на сторону. Равномерность толщины стенок отливки и отсутствие разностенности по всей ее длине или высоте всецело зависят от точности фиксирующих устройств.
В случае применения оболочковых стержней следует учитывать величину теплового расширения стержневого ящика и вносить соответствующую поправку в расчет размеров знаков-фиксаторов.
Доводка тепловых зазоров
При неравномерном тепловом расширении отдельных деталей металлических матриц возможно коробление их, отражающееся на размерной точности отливаемых деталей. B виде примера можно привести случай из практики, когда отсутствие теплового зазора вызвало поломку сопрягаемых деталей.
На фиг. 127 показан элемент матрицы, состоящий из корпуса 1, электронагревателя 2, формообразующих колец 3 и прижимных планок 4. При сборке их не были предусмотрены тепловые зазоры между торцами полуколец и прижимными планками.
В результате при нагреве кольцевого набора до 300° произошло расширение колец, но так как степень свободы их была ограничена жесткими упорами корпуса в точках а, б, и в, то вся нагрузка при удлинении колец была направлена на прижимные планки 4. Давление торцов колец на прижимные планки было настолько большим, что винты, крепящие планки к корпусу, были вытянуты и изогнуты одновременно с контрольными шпильками. При этом планки приняли положение, указанное пунктиром, а в стыке корпусов образовался зазор до 2 мм. После того как между торцами колец и планками был выполнен зазор S, равный 0,5—0,6 мм, недостаток был устранен.
В одной из первых конструкций шарнирное соединение матриц было выполнено в виде жесткой системы, как это показано на фиг. 128.
При этом опорная колонна 1, запрессованная в плиту, проходила через проушины матриц на скользящей посадке, матрицы центрировались на цилиндрическом выступе 2 плиты 3. В результате разной степени нагрева, когда матрицы нагревались до 250—300°, а плита до 100—150°, происходило заклинивание матриц на центрирующем выступе плиты и колонне в направлении, показанном стрелками А. Раскрывание и закрывание матриц в этом случае производилось с большим трудом и только с применением значительных усилий.
Усовершенствованная конструкция шарнирного соединения показана на фиг. 129. Шарнирное сочленение матриц выполнено с применением промежуточной втулки 4, проходящей через проушины на скользящей посадке. Втулка в оборке с матрица-ми надевается на колонну 1 с зазором S, равным 0,75 мм на сторону. При этом варианте матрицы имеют возможность свободно изменять свой межосевой размер по отношению к плите без какого-либо заклинивания и заедания.
Разница в расширении компенсируется зазором между колонной и втулкой.
Вторым существенным преимуществом этого варианта является легкая взаимозаменяемость подвижных матриц и плиты. В первом случае снять тяжелые матрицы с колонны было очень трудно, так как малейший перекос подвешенных на кране матриц вызывал их заклинивание на колонне.
Во втором случае демонтаж матриц не вызывал ни малейшего затруднения. Следует сказать также о конструкции центрирующего выступа на плите.
В первом случае о« был выполнен как одно целое с плитой (см. фиг. 128). В результате различного расширения центрирующего выступа и охватывающего его пояска подвижных матоиц наблюдался зазор около 0,4 мм на диаметр. Учитывая, что песчаный стержень, образующий внутреннюю поверхность в отливке, центрировался на плите, возникла разностенность в отливке до 0,8 мм. При номинальной толщине стенки, равной 3 мм, практически получаемая стенка с одной стороны имела размер 2,6 мм, а с противоположной — 3,4 мм.
Для устранения этого очень существенного недостатка центрирующий выступ был выполнен в виде отдельного вкладыша (см. фиг. 129) с кольцевым зазором S, равным 0,25 мм, между вкладышем и гнездом для него в плите. Центрирующий выступ одновременно оформляет и литниковую систему и, естественно, что при контакте с металлом он нагревался примерно до той же температуры, что и подвижные матрицы.
Этим мероприятием была ликвидирована разностенность в отливке и обеспечена легкая замена центрирующего вкладыша. При установке в корпус матрицы комплекта формообразующих колец следует предусматривать тепловой зазор S (фиг. 130) между верхним кольцом и корпусом. Величина зазора равняется 0,15% от высоты кольцевого набора. Отсутствие зазора вызывает значительные напряжения в корпусе, что может быть причиной трещин.
Наличие зазора облегчает также и демонтаж колец для их очистки и замены на другой комплект. Только тогда, когда все взаимосопрягаемые элементы металлической матрицы и песчаных стержней в нагретом состоянии будут свободно перемещаться один в другом, а фиксирующие части стержней не будут иметь люфта, можно приступить к освоению технологических приемов получения отливки. Время, затраченное на предварительную доводку, с избытком окупается при последующей работе.
Доводка чистоты поверхности отливок
Чистота поверхности отливаемых деталей зависит, в первую очередь, от скорости заполнения полости формы, во вторую очередь, от чистоты механической обработки матриц и, в третью очередь, от состояния поверхности теплоизоляционного покрытия. Скорость заполнения формы и зависимое от нее конечное статическое давление в сплаве влияют на четкость формообразования отливки, повторяющей все переходы формы.
Как уже говорилось, слой теплоизоляционного покрытия не должен быть очень гладким, так как при этом резко снижается его капиллярность, в свою очередь, способствующая возникновению газовых дефектов. Пережженный асбест, применяемый для изготовления покрытия, следует протирать через сито № 100, в крайнем случае через сито № 70.
Нанесение покрытия выполняется в несколько приемов. Первый равномерный и тонкий слой покрытия подсушивается и затем обметается волосяной сметкой. Дальше наносится второй слой, излишек его также счищается сметкой. Через три-четыре приема толщина слоя покрытия будет иметь толщину 0,2—0,25 мм. Нанесенное таким образом покрытие обладает высокой прочностью, достаточно гладкой поверхностью и хорошей капиллярностью.
Чистота внутренней поверхности в отливке зависит от качества песчаных стержней. Стержни с несоответствующим составом формовочной смеси и с малым содержанием влаги в поверхностном слое не способствуют чистой поверхности, так как и стержни с неравномерной плотностью набивки.
Наилучшие результаты по чистоте внутренней поверхности в отливке позволяют получить оболочковые стержни, поверхность которых дополнительно натирается прокаленным тальком, заполняющим незначительные углубления и шероховатости.
Натирка стержней может быть заменена пульверизационной обдувкой сухим тальком в специальной камере.
Доводка питающей системы
Каждая отливка, какой бы конструкции она ни была, имеет, в зависимости от ее положения в форме, верхнюю, среднюю и нижнюю зоны. Верхняя зона отливки примыкает к полости промывника, имеющего достаточный запас жидкого металла, необходимого для питания кристаллизирующихся слоев в массивных сечениях. Для питания усадки достаточно очень незначительного количества жидкого металла, но при этом важно, чтобы температура этого небольшого количества металла была выше, чем в питаемом сечении.
Для уменьшения теплоотдачи от металла, заполняющего полость промывника, часть поверхности матрицы, образующей эту полость, изолируют толстым (до 0,5 мм) слоем асбестового покрытия более густой консистенции. Также существенно, чтобы площадь основания промывника не была меньше площади питаемого сечения. Оптимальным считается, когда эти сечения равны между собой.
В отличие от литья в землю и в кокиль объем промывника делается меньше, чем обычно применяемые прибыли. Высота промывника может относиться к высоте отливаемой детали, как 1:5. Для питания усадочных образований в кристаллизирующихся слоях, расположенных в средней зоне отливки, приходится осуществлять отводные прибыли, холодильники и другие общетехнологичеокие мероприятия. Возможность осуществления этих мероприятий следует предусматривать еще при проектировании технологической оснастки. Бывают случаи, когда недостаточно опытный конструктор, не уделив своевременно должного внимания вопросам литания кристаллизирующихся слоев, тщетно пытается найти решение, но конструкция оснастки уже не позволяет этого. Не были своевременно учтены фиксаторы для холодильников, приливы для размещения в них отводных прибылей, конструкция стержневого ящика не позволяет завести в него холодильник и равномерно обжать его формовочнойсмесью. В этом случае приходится вносить изменения в чертежи и дорабатывать оснастку.
В отличие от обычного литья в песчаные формы и в кокиль нижний фланец отливки, даже имеющий значительные утолщения, надежно обеспечивается жидким металлом, поступающим под избыточным давлением из кольцевого коллектора, до полного затвердевания массивных сечений. При этом необходимо, чтобы участок коллектора, над которым расположено массивное сечение, например бобышки, приливы и лр., имел соответствующее расширение, сообщающее массивный участок с полостью коллектора.
Следует обратить внимание на особенности применения холодильников в оболочковых стержнях. Здесь возникают специфические трудности. Дело в том, что теплосодержание в очень тонкой стенке отливки незначительно и соприкасающийся с ней холодильник нагреется значительно меньше чем при обычных толстостенных отливках, особенно имеющих массивные утолщения.
В то же время необходимо, чтобы прилегающая к холодильнику поверхность оболочкового стержня выгорела настолько, сколько это нужно для перемещения холодильника под действием сжимающих усилий, возникающих три сокращении размеров отливки.
Достаточного опыта в этом направлении не имеется. Возможное конструктивное решение показано на фиг. 131.
Холодильник А, образующий массивное утолщение и вставляемый в гнездо оболочкового стержня Б, имеет соприкосновение со стержнем только в точках В. Между остальной поверхностью холодильника и гнездом для него в стержне выполняется зазор 5 от 1 до 2 мм. При этом участок В, соприкасающийся с жидким сплавом, выгорит быстрее, и холодильник получит возможность беспрепятственного смещения в направлении усадки.
Доводка вентиляционной системы
Необходимость в доводке вентиляционной системы обычно выявляется на первых же отливках. При внимательном осмотре можно обнаружить газовые дефекты, встречающиеся на одних и тех же местах поверхности отливаемых деталей. Такими местами обычно являются бобышки в зоне нижнего фланца, горизонтально расположенные поверхности и ребра, утолщенные участки, формируемые с помощью холодильников, углубленные выступающие поверхности и т. л. Газовые дефекты в виде открытых и закрытых раковин или недоливов, а также в виде концентрированной газовой пористости, образуются в результате захвата воздуха металлическим потоком, быстро протекающим по сечениям формы. При недостаточной газопроницаемости формовочной смеси и недостаточным количестве воздухоотводных каналов в металлических матрицах газы и воздух не имеют возможности удалиться из полости формы и остаются в ней, вызывая дефекты на отливках. Склонность к поверхностным газовым дефектам при литье под низким давлением обычно больше, чем при литье в кокиль, где металл с значительно меньшей скоростью поступает в полость формы, вытесняя из нее воздух, для которого имеется свободный выход через широкие открытые прибыли. В процессе освоения литья под низким давлением пришлось встретиться с газовыми дефектами в виде наружных раковин и окисленных следов, встречающихся на внешней поверхности отливаемой детали. Причиной их послужил воздух, захватываемый металлом в литниковом коллекторе, который в первых конструкциях оформлялся металлическими матрицами.
Захваченный воздушный пузырь при нагреве увеличивался в объеме, проникал в поток металла и перемещался вместе с ним в полость формы, оставляя на своем пути окисленный след. Доводка вентиляционной системы в этом случае ограничивалась устройством вентиляционных пробок обычного типа, устанавливаемых в местах возможного захвата и скопления воздуха.