Свойства отливок при вакуумной формовке

Процесс вакуумной формовки отличается не только специфичностью формы, но и своими технологическими возможностями, прежде всего по размерной точности и шероховатости поверхности отливок.

Хотя вакуумной формовке посвящена довольно многочисленная литература, однако одно из главных преимуществ этого способа, а именно обеспечение высокой размерной точности и, следовательно, уменьшение массы отливок, изучено слабо и лишь немногочисленные исследования подтверждены расчетами.

Исследования показали, что вакуумная формовка обеспечивает более высокую точность отливок, чем формовка по-сырому и по СО₂-процессу, У снимке, необходимое для извлечения из формы модели без формовочных уклонов, при вакуумном способе в 10 раз меньше, чем при формовке по-сырому (аналогичное усилие по формовке по СО₂ процессу требует в 20 раз больших усилий, чем при формовке по-сырому). Это можно объяснить сравнительно небольшими силами трения между полимерной пленкой и поверхностью модели при вытяжке. Вакуумный способ позволяет извлекать из формы без ее повреждения даже модели с обратным уклоном. При повышении вакуума и, следовательно, увеличении степени уплотнения формы усилие протяжки модели возрастает. В практике вакуумной формовки при протяжке моделей обходятся без использования вибрации; это позволяет уменьшить размерные отклонения полости формы, возникающие при расталкивании модели в традиционных способах формовки.

Проведены опыты по сравнительной оценке размерной точности чугунных шайб диаметром 295 мм и высотой 35 мм при их отливке вакуумным способом и в сырых формах, полученных прессованием под высоким давлением. По результатам сравнительных замеров десяти образцов установлено, что средний диаметр шайб, отлитых в сырые формы, составляет 297, 16 мм, а шайб, полученных вакуумным способом, 295, 14 мм. Среднеквадратичные отклонения размеров отливок типа станины массой 150 кг, изготовленных вакуумной формовкой, составили 0, 19 — 0, 76 мм, а формовкой по-сырому — в пределах 0, 41 — 1, 21 мм.

Результаты подобных опытов показали, что при изготовлении отливок в вакуумированных формах колебание стенок формы меньше, чем в обычных сырых песчано-глинистых формах; это способствует повышению размерной точности получаемых отливок. К причинам, повышающим точность отливок, полученных в вакуумиропанных формах, следует отнести также отсутствие сушки, испарения или сгорания связующего.

Расширение кварцевого песка практически компенсируется пустотами между зернами песка. При выбивке из опок отливки не испытывают сильного механического воздействия, как при других способах литья.

Для достижения высокой точности отливок не следует пренебрегать явлением усадки материала формы под действием разрежения; усадка ведет к увеличению размеров рабочей полости. При испытании модели в виде куба с длиной грани 150 мм усадка достигала 2, 7 мм. Если перед вакуумированием опоку подвергать вибрации в течение 6 с, то усадка уменьшается до 0, 4 мм.

На основании проведенных опытов установлено, что на образование газовых раковин значительное влияние оказывает температура металла, заучиваемого в литейные формы, поэтому разливать расплав по формам, изготовленным под вакуумом, следует при более высокой температуре, чем при разливке металла по формам, полученным другими способами. При снижении температуры расплава опасность образования газовых раковин в отливках, особенно в их толстых частях, возрастает.

Характерным дефектом, присущим вакуумной формовке, является склонность к образованию механического пригара. Из-за перепада давлений между полостью формы и ее порами и большей возможностью -проникновения в них жидкого металла склонность отливок к образованию механического пригара при вакуумной формовке больше, чем при обычных способах, поэтому требуется покрытие рабочей полости формы противопригарными составами даже при изготовлении отливок, которые в обычных формах не требуют этого. Образования пригара можно избежать добавкой в песок пылевидных фракций, уплотнением песка (вибрацией) при засыпке в опоку, применением графитовой краски со смоляным связующим. Важное условие предотвращения механического пригара — поддержание вакуума в форме на минимальном уровне.

Основные технико-экономические преимущества вакуумной формовки следующие.

1. Сокращение капитальных затрат и эксплуатационных расходов благодаря значительному уменьшению и упрощению смесеприготовительного отделения. Практически отпадает смесеприготовление в обычном понимании этого слова, так как подготовка формовочного материала сводится лишь к просеиванию, охлаждению и пылеулавливанию, а регенерация использованного песка — к восполнению потерь пылевидных фракций. Это резко сокращает капитальные затраты, производственные и эксплуатационные расходы, связанные с использованием смесеприготовительного оборудования. Значительный экономический эффект обеспечивается также за счет отсутствия в формовочном материале связующего. Данные по стоимости литья приведены в табл. 14.

2. Уменьшение расхода формовочных материалов. Так как после выбивки отливок песок практически без потерь возвращается в процесс, для данного способа экономически оправдано применение сравнительно дорогого песка (цирконового, хромитового или оливинового).

3. Исключение тяжелого ручного труда при изготовлении форм и выбивке отливок. Производительность труда при формовке повышается в 2—5 раз. Так, цикл изготовления вакуумной формовкой двух полуформ размерами 1200Х 1400Х 250 мм на установке завода " Тоскава" составляет 10 мин. Цикл изготовления этих же форм вручную составлял 40 — 60 мин, на пескомете — 35 — 40 мин. Наиболее существенное снижение трудозатрат достигается на операции выбивки отливок, выполняемой простым отключением формы от вакуумной системы. Проблемой, еще не получившей удовлетворительного решения, является удаление пленки при выбивке опок. Эту операцию, как правило, пока выполняют вручную.

4. Снижение брака литья. По имеющимся данным брак литейных цехов при использовании вакуумной формовки уменьшается в среднем в 2 раза.

5. Повышение размерной точности и уменьшение шероховатости поверхности отливок исключением или уменьшением литейных уклонов, уменьшением припусков на обработку. По данным фирм " Синто Когио" и " Мицубиси", снижение затрат на обрубку и очистку отливок составляет в среднем 30 %.

6. Уменьшение массы отливок сокращением припусков на механическую обработку и возможность изготовления тонкостенного литья (в связи с более низкой охлаждающей способностью форм), повышением жидкотекучести металла и размерной точности отливок. Это обстоятельство позволило, например, уменьшить толщину стенки бытовой ванны с 8 до 4 мм, а массу отливки —со 110 до 70 кг.

7. Значительное увеличение срока службы модельного и опочного комплекта благодаря отсутствию прямого контакта формовочного материала с поверхностью модели и исключению высоких нагрузок для его уплотнения и выбивки. При этом модели можно изготовлять из относительно дешевых материалов.

8. Использование неквалифицированной рабочей силы при изготовлении форм любой сложности, так как все основные операции, определяющие качество литья, механизированы.

9. Улучшение санитарно-гигиенических условий труда, так как в формовочном материале нет связующих и добавок, обладающих газотворной способностью. Вакуумирование формы в процессе заливки и охлаждения металла позволяет исключить выделение газов в окружающее пространство;

10. Исключение операции отжига (для некоторых отливок), облегчение операции протяжки моделей, практическое отсутствие утечек песка во время манипуляций с формой, высокая однородность твердости формы как в горизонтальных, так и в вертикальных плоскостях.

11. Снижение уровня шума в производственных помещениях (отсутствие встряхивающих механизмов).

12. Сокращение расхода сжатого воздуха и общих энергозатрат.

13. Возможность увеличения выпуска литья на тех же производственных площадях.

Стоимость небольших опок площадью поверхности около 0, 28 м² для вакуумного процесса примерно в 3 раза больше, чем стоимость обычных опок. Однако с увеличением размеров опок это различие уменьшается (опоки площадью 0, 93 м² лишь на 20 % дороже обычных) и вакуумный процесс становится более выгодным; оптимальные размеры опок для этого процесса 1200Х 1000 мм и более.

Данные табл. 15 [7] дают представление о вакуумных формовочных установках, работающих в Японии и ФРГ.

В целом производительность установок колеблется в таком диапазоне, что если принять во внимание определенные экономические факторы, этот метод может успешно конкурировать с другими способами формовки. Опыт подтверждает, что вакуумная технология скорее может составить конкуренцию литью в оболочковые формы из химически твердеющих смесей, а не крупносерийному литью в сырые песчаные формы среднего и мелкого размера.

Однако практически все единогласны в одном: при равной производительности вакуумное литье дешевле.

Указанным преимуществам способа вакуумной формовки противостоят: необходимость поддержания вакуума в течение всего технологического цикла изготовления отливки и связанное с этим определенное усложнение модельно-опочного комплекта, а также трудности изготовления сложных отливок.