Классификация формовочных машин

Классификационный признак	Типы машин
Способ уплотнения смеси	Встряхивающие
Прессовые
Встряхивающе - прессовые
Вибропрессовые
Пескодувно-прессовые
Гравитационные
Пескометы
Импульсные
Извлечение модели из уплотнен­ной формы	С поворотным столом
С перекидным столом
Со штифтовым подъемом
С протяжной рамкой
Степень автоматизации	Неавтоматические
Полуавтоматические (включаемые при каждом новом цикле)
Автоматические (управляемые авто­матически без участия человека)

При уплотнении на встряхивающих формовочных машинах (рис. 2.4, а) модельная плита / с моделью 2, опокой 3 и наполнительной рамкой 4 устанавливаются на стол формовочной машины 5.

Рис. 2.4 Схемы уплотнения формовочных смесей различными мето­дами: а — встряхиванием; б — прессованием верхним; в — прессо­ванием нижним; г — прессованием многоплунжерной колодкой; д — пескодувно-прессовым; е — гравитационным; ж — пескометом; з — импульсным

Из бункера сверху в опоку насыпают смесь. Под поршень 6 подается воздух под давлением (5...6) ·10⁵ Па, поднимающий стол до тех пор, пока не откроется выпускное отверстие 7, через которое воздух из-под поршня уходит в атмосферу. Стол при этом резко опускается вниз, ударяясь о цилиндр 8. Смесь уплотняется за счет движения по инерции вниз. Так повторяется не­сколько десятков раз. Смесь хорошо уплотняется у модели» верхние же ее слои остаются недоуплотненными. Доуплотнение осуществляют вручную или допрессовкой на той же машине. В литейном производстве работают встряхивающие и встряхивающе-прессовые машины с наибольшими габаритными размерами в свету 2500 х 2000 х 800 мм, грузоподъемностью до 10 т производительностью 8 полуформ в час.

Прессование полуформ может быть верхним и нижним. При верхнем прессовании сначала уплотняются слои формовочной смеси, расположенные в верхней наполнительной рамке (рис. 2.4, б), независимо от того, поднимается ли опока к прессовой колодке (как это показано на рисунке), опускается ли прессовая колодка на формовочную смесь, расположенную в наполнительной рамке.

При нижнем прессовании (рис. 2.4, в) сначала уплотняются слои смеси, находящиеся на модельной плите и самой модели. Для достижения большей равномерности уплотнения формовочной смеси по высоте опоки прессовая колодка иногда делается профильной, по­вторяя профиль модели. Прессовые формовочные машины производят до 120 полуформ в час с наибольшими размера­ми опок в свету 760 X 680 X 110 мм.

Разновидностью верхнего прессования является уплотнение формовочной смеси так называемой многоплунжерной прессовой головкой (рис. 2.4, г), состоящей из нескольких десятков независимых друг от друга плунжеров /, работающих под давлением масла или воздуха. Такое прессование обеспечивает наибольшую равномерность уплотнения по всему объему опоки.

При пескодувно-прессовом уплотнении (рис. 2.4, д) весь процесс осуществляется в два этапа. Сначала в полость /, заключенную между вертикально расположенными модельными плитами 2 и 3, формовочная смесь 4 подается песко­дувным методом с помощью воздушного давления, предварительно уплотняясь.

Затем модельная плита .3 подается поршнем влево, прессуя смесь. По окончании прессования плита 2 сначала отходит влево, затем разворачивается вверх, занимая положение, показанное штрихпунктиром на рисунке. Ком смеси модельной плитой 3 подается влево до упора в предыдущий ком 5, плотно прилегая к ранее изготовлен­ным формам, после чего все формы передвигаются влево к заливочной установке. Весь процесс от уплотнения смеси до заливки металлом автоматизирован. Производительность автоматизированной формовочной линии составляет 360 форм в час и более (при наличии стержней — 300 форм в час). Существует также процесс вакуумно-прессового уплотнения форм.

При гравитационном уплотнении (рис. 2.4, е) смесь поднимается на определенную высоту в бункер 7, из которого через шибер 2 попадает в дозатор 3. Благодаря быстрому открыванию дна дозатора 4 смесь в виде компактного кома по шахте 5 свободно падает в опоку или стержневой ящик 6. Уплотнения только гравитационным способом недостаточно. Поэтому для доуплотнения применяют подпрессовку усилием (5...10)·10⁵ Па (гравитационно-прессовый способ) или вибрацию (гравитационно-вибрационный способ).

При единичном и мелкосерийном производстве крупных отливок для уплотнения форм используют пескометный способ (рис. 2.4, ж). Формовочная смесь ленточным транспорте­ром подается на быстро вращающийся ротор с ковшом. Последний, захватывая смесь, бросает ее в опоку, установленную на модельной плите (или в стержневой ящик), производя таким образом уплотнение. Пескометная головка может перемещаться в горизонтальной плоскости. Управление пескометом осуществляется оператором, наблюдающим одновременно за процессом наполнения опоки. Производительность пескометов колеблется от 6 до 50 м³/ч уплотненной формовочной смеси.

При изготовлении форм импульсным методом (рис. 2.4, з) на модельную плиту 1 с вентами 2 (тонкие отверстия, через которые проходит воздух, но не проходит смесь) устанавливаются опока 3 и наполнительная рамка 4, после чего они заполняются формовочной смесью. Над наполнительной рамкой устанавливается импульсная головка 5, и вся оснастка прижимается друг к другу (герметизируется). Из специальной магистрали 6 в ресивер 7 головки поступает сжатый воздух. При уплотнении запорный клапан 8 поднимается вверх, пропуская сжатый воздух через отверстие 9 в полость 10. Из полости 10 через отверстия 11 воздух устремляется в полость прессования 12, уплотняя смесь 13. Пройдя через смесь, воздух уходит в атмосферу через венты 2. При этом давление над смесью от максимального падает до атмосферного за доли секунды. Под действием сжатого воздуха смесь наполнительной рамки перемещается в опоку и уплотняется. Уплотнение производится однократным импульсом.

Разновидностью импульсного воздушного уплотнения является уплотнение взрывом. С этой целью вместо воздуха в импульсную головку, содержащую взрывное устройство, подается взрывчатая смесь, которая в нужный момент взрывается. Продукты взрыва направляются к формовочной смеси, уплотняя ее аналогично воздушному импульсу.

Операции при изготовлении стержней могут быть следующими. Сначала стержневой ящик частично заполняется смесью, слегка уплотняется, затем в него устанавливают металлическую арматуру—каркасы, необходимые для придания стержню манипуляторной прочности. После очистки излишков смеси для улучшения вентиляции стержень прокалывают душником. Если стержень подвергается сушке (связующие—формовочная глина, растительные масла или другие материалы), то его извлекают из стержневого ящика, устанавливают на сушильной плите и помещают в сушило, где производят сушку с целью его упрочнения. Иногда (хотя сравнительно редко) стержни устанавливаются в форму без сушки, сырыми. Если же связующее—жидкое стекло, то стержень подвергается продувке углекислым газом. При использовании ЖСС смесь в стержневом ящике выдерживается, пока прочность не достигнет необходимого значения. Сложные стержни изготавливают из двух или более частей, которые впоследствии склеивают между собой. Большую часть литейных стержней изготавливают различными машинными способами. Основные типы стержневых машин: встряхивающие с поворотным столом, потряхивающие с перекидным столом, вибропрессо­вые, мундштучные, пескодувные и пескострельные машины. Первые три типа не отличаются от машин для изготовления форм. При изготовлении стержней на этих машинах вместо модельных плит и опок устанавливают стержневые ящики.

В мундштучных машинах стержневой ящик заменен смен­ной гильзой-мундштуком, сечение которого определяет сече­ние стержня. Стержень любой длины получают выдавлива­нием через калиброванный мундштук машины уплотненной смеси. Уплотнение производится при возвратно-поступатель­ном движении поршня машины или шнеком.

Схемы пескодувных и пескострельных машин представ­лены на рис. 2.5.

К надувной плите снизу пневмопоршнем поднимается стержневой ящик.

Рис. 5. Схемы пескодувной (а) и пескострельной (б) машин для изготовления стержней.

В рабочий резервуар подается стержневая смесь. Рабочее давление воздуха составляет (5...6) ·10⁵ Па. В случае пескодувной машины (рис. 2.5, б), сжатый воздух / подается на верхнюю поверхность стержневой смеси 2, на­ходящейся в резервуаре 3. Смесь вместе с воздухом через вдувные отверстия 4 надувной плиты 5 машины попадает в полость стержневого ящика 6. Воздух через венты 7 ящика уходит в атмосферу цеха. В пескострельный резервуар (см. рис. 2.5, б) вмонтирована специальная гильза / со щелевыми отверстиями 2, 3, вертикальными в нижней части и горизон­тальными в верхней. Через эти отверстия воздух из реси­вера в момент выстрела с большой скоростью устремляется 6 резервуар со смесью, выталкивая ее в полость стержневого ящика 4. Стержни могут отверждаться сушкой в сушилах. или непосредственно в стержневых ящиках после уплотне­ния. В этом случае стержневые ящики могут быть холод­ными или нагреваться электрическим током или газом. В обоих случаях в качестве связующего используются синте­тические смолы. Однако при горячем отверждении основным активатором отверждения является тепло, при холодном — только катализаторы отверждения. Последние могут быть введены в смесь при ее приготовлении (так называемые ХТС — холоднотвердеющие смеси) или после уплотнения смеси в стержневом ящике путем продувки газообразными катализаторами.Формы сложных отливок могут содержать несколько де­сятков стержней. Для повышения производительности труда группы отдельных стержней предварительно собирают в узлы или блоки, которые затем устанавливают в форму при ее сборке. Блоки, как правило, собирают в специальных металлических приспособлениях, называемых кондукторами. Крепление отдельных стержней в блоках осуществляется склеиванием.

С целью получения более качественных отливок, контактирующие с металлом рабочие поверхности форм и стержней по­крывают огнеупорными красками кистью вручную, окунанием или с помощью пульверизатора. Краски повышают поверх­ностную прочность форм и стержней, уменьшая тем самым осыпаемость и предохраняя формы и стержни от размыва металлом во время заливки. Каждое огнеупорное покрытие содержит огнеупорный на­полнитель, связующее вещество, дисперсионную среду, специальные добавки. Огнеупорной основой, как правило, являются: пылевидный кварц, циркон обезжелезненный, графит литей­ный, магнезит и т. д. Связующими могут быть глина, жидкое стекло, лигносульфонаты технические, поливинилбутиральный лак и другие материалы. Дисперсионной средой или жидкостями для разведения являются вода, бензин, ацетон, спирты и т. п. К специальным добавкам относят стабилиза­торы, антисептики, поверхностно-активные вещества и др. Стержни и формы, окрашенные огнеупорным покрытием, со­держащим воду, сушат, а легкоиспаряющиеся жидкости— сушить не требуется.

В операцию сборки форм входят: очистка полуформ от мусора, установка стержней в нижнюю полуформу, соединение и надежное скрепление полуформ между собой для предотвращения подъема верхней полуформы во время заливки. Смещение полуформ друг относительно друга предупреждается системой штырей и втулок, позволяющих устанавливать полуформы с требуемой точностью. Крепле­ние опок между собой осуществляют установкой грузов, болтами или специальными скобами.

Диффузионная сварка

Диффузионная сварка

Отличительная особенность диффузионной сварки от других способов сварки давлением - относительно высокие температуры нагрева (0,5-0,7 Т_пл) и сравнительно низкие удельные сжимающие давления (0,5-0 МПа) при изотермической выдержке от нескольких минут до нескольких часов.

Формирование диффузионного соединения определяется такими физико-химическими процессами, протекающими при сварке, как взаимодействие нагретого металла с газами окружающей среды, очистка свариваемых поверхностей от оксидов, развитие высокотемпературной ползучести и рекристаллизации. В большинстве случаев это диффузионные, термически активируемые процессы.

Для уменьшения скорости окисления свариваемых заготовок и создания условий очистки контактных поверхностей от оксидов при сварке могут быть применены газы-восстановители, расплавы солей, флюсы, обмазки, но в большинстве случаев используют вакуум или инертные газы.

Очистка поверхностей металлов от оксидов может происходить в результате развития процессов сублимации и диссоциации оксидов, растворения оксидов за счет диффузии кислорода в металл (ионов металла в оксид), восстановления оксидов элементами-раскислителями, содержащимися в сплаве и диффундирующими при нагреве к границе раздела металл - оксид. Расчет и эксперимент показывают, что, например, на стали оксиды удаляются наиболее интенсивно путем их восстановления углеродом, а на титане - за счет растворения кислорода в металле.

Сближение свариваемых поверхностей происходит в первую очередь в результате пластической деформации микровыступов и приповерхностных слоев, обусловленной приложением внешних сжимающих напряжений и нагревом металла. В процессе деформации свариваемых поверхностей, свободных от оксидов, происходит их активация, и при развитии физического контакта между такими поверхностями реализуется их схватывание.

При диффузионной сварке одноименных металлов сварное соединение достигает равнопрочное основному материалу в том случае, когда структура зоны соединения не отличается от структуры основного материала. Для этого в зоне контакта должны образовываться общие для соединяемых материалов зерна. Это возможно за счет миграции границ зерен, осуществляемой либо путем первичной рекристаллизации, либо путем собирательной рекристаллизации.

С помощью диффузионной сварки в вакууме получают высококачественные соединения керамики с коваром, медью, титаном, жаропрочных и тугоплавких металлов и сплавов, электровакуумных стёкол, оптической керамики, сапфира, графита с металлами, композиционных и порошковых материалов.

Соединяемые заготовки могут быть весьма различны по своей форме и иметь компактные (рис. 3.66, а) или развитые (рис. 3.66, б, в) поверхности контактирования. Геометрические размеры свариваемых деталей находятся в пределах от нескольких микрометров (при изготовлении полупроводниковых приборов) до нескольких метров (при изготовлении слоистых конструкций).

Рис. 3.66. Некоторые типы конструкций, получаемых диффузионной сваркой

Схематически процесс диффузионной сварки можно представить следующим образом. Свариваемые заготовки собирают в приспособлении, позволяющем передавать давление в зону стыка, вакуумиру-ют и нагревают до температуры сварки. После этого прикладывают сжимающее давление на заданный период времени. В некоторых случаях после снятия давления изделие дополнительно выдерживают при температуре сварки для более полного протекания рекрис-таллизационных процессов, способствующих формированию доброкачественного соединения. По окончании сварочного цикла сборку охлаждают в вакууме, инертной среде или на воздухе в зависимости от типа оборудования.

В зависимости от напряжений, вызывающих деформацию металла в зоне контакта и определяющих процесс формирования диффузионного соединения, целесообразно условно различать сварку с высокоинтенсивным (Р ≥ 20 МПа) и низкоинтенсивным (Р ≤ 2 МПа) силовым воздействием. При сварке с высокоинтенсивным воздействием сварочное давление создают, как правило, прессом, снабжённым вакуумной камерой и нагревательным устройством (рис. 3.67). Но на таких установках можно сваривать детали ограниченных размеров (как правило, диаметром до 80 мм (см. рис. 3.66, а). При изготовлении крупногабаритных двухслойных конструкций (см рис. 3.66, б) применяют открытые прессы. При этом свариваемые детали перед помещением в пресс собирают в герметичные контейнеры, которые вакуумируют и нагревают до сварочной температуры (рис. 3.68).

Рис. 3.67. Принципиальная схема установки для диффузионной сварки (a) и общий вид многопозиционной установки СДВУ-4М (б): и 1 - вакуумная камера; 2 - система охлаждения камеры; 3 - вакуумная система; 4 - высокочастотный генератор; 5 - гидросистема пресса

Для исключения возможности потери устойчивости свариваемых элементов, передачи давления в зону сварки и создания условий локально направленной деформации свариваемого металла в зоне стыка диффузионную сварку осуществляют в приспособлениях с применением для заполнения «пустот» (межреберных пространств) технологических вкладышей и блоков (см. рис. 3.68), которые после сварки демонтируют или удаляют химическим травлением.

Рис. 3.68. Технологическая схема диффузионной сварки с высокоинтенсивным силовым воздействием:
а - требуемая конструкция; б - заготовки для сварки; в - технологические элементы-вкладыши; г - сборка; д - сварка в прессе; е - демонтаж; ж -готовая конструкция; 1 - технологические вкладыши; 2-технологический контейнер; 3 - пресс

При сварке с высокоинтенсивным силовым воздействием локальная деформация металла в зоне соединения, как правило, достигает нескольких десятков процентов, что обеспечивает стабильное получение доброкачественного соединения.

Для изготовления слоистых конструкций (см. рис. 3.66, в) перспективна диффузионная сварка с низкоинтенсивным силовым воздействием, при которой допустимые сжимающие усилия ограничены устойчивостью тонкостенных элементов. При этом способе диффузионной сварки не требуется сложного специального оборудования.

При изготовлении плоских (или с большим радиусом кривизны) конструкций сжимающее усилие наиболее просто может быть обеспечено за счет атмосферного давления воздуха Q на внешнюю поверхность технологической оснастки при понижении давления газа в зоне соединения (рис. 3.69).

Рис. 3.69. Технологическая схема диффузионной сварки с низкоинтенсивным силовым воздействием плоских конструкций:
а — требуемая конструкция; б - заготовки для сварки; в - сборка; г — сварка; д — готовая конструкция; 1 — несущая обшивка; 2 — готовый заполнитель; 3 — технологические листы; 4 — мембрана

Наличие технологических элементов (прокладок, мембрани др.), обладающих локальной жесткостью и помещенных с внешней стороны свариваемых элементов, исключает возможность потери устойчивости обшивок в виде прогибов неподкрепленных участков. Величина сварочного давления Р ограничивается предельным напряжением потери устойчивости заполнителя σ_п.з. (Р ≤ σ_п.з.).

При изготовлении конструкций сложного криволинейного профиля может быть использована технологическая схема (рис. 3.70), при которой давление нейтрального газа воспринимается непосредственно внешними элементами самой конструкции, например, несущими обшивками, оболочками. В процессе сварки обшивки на неподкрепленных участках под давлением газа деформируются (прогибаются). Это ухудшает условия для формирования соединения, уменьшает сечение сообщающихся каналов, ухудшает аэродинамическое состояние поверхности. В этом случае Р ограничивается напряжением, при котором имеет место чрезмерная остаточная деформация обшивок на неподкрепленных участках (Р ≤ σ_п.о.).

Рис. 3.70. Технологическая схема диффузионной сварки с низкоинтенсивным силовым воздействием конструкций сложной формы:
а - требуемая конструкция; б - заготовки для сварки; в - сварка; г - характер деформации элементов конструкции при сварке; 1 — внешняя оболочка; 2 - внутренняя оболочка

В ряде случаев можно исключить применение внешнего давления для сжатия свариваемых заготовок, используя явления термического напряжения, возникающего при нагреве материалов с различными коэффициентами линейного расширения. При сварке коак-сиально собранных заготовок коэффициент линейного расширения охватывающей детали должен быть меньше коэффициента линейного расширения охватываемой детали (см. рис. 3.66, а).

Качество соединения при диффузионной сварке в вакууме определяется комплексом технологических параметров, основные из которых - температура, давление, время выдержки. Диффузионные процессы, лежащие в основе формирования сварного соединения, являются термически активируемыми, поэтому повышение температуры сварки стимулирует их развитие. Для снижения сжимающего давления и уменьшения длительности сварки температуру нагрева свариваемых деталей целесообразно устанавливать по возможности более высокой; металлы при этом обладают меньшим сопротивлением пластической деформации. Вместе с тем необходимо учитывать возможность развития процессов структурного превращения, гетеродиффузии, образования эвтектик и других процессов, приводящих к изменению физико-механических свойств свариваемых металлов.

Удельное давление влияет на скорость образования диффузионного соединения и величину накопленной деформации свариваемых заготовок. В большинстве случаев чем выше удельное давление, тем меньше время сварки и больше деформация. Так, при сварке в прессе с использованием высоких удельных давлений (до нескольких десятков мегапаскалей) время образования соединения может измеряться секундами, а деформация металла в зоне соединения десятками процентов. При сварке с использованием низких удельных давлений (десятые доли мегапаскаля) время сварки может исчисляться часами, но деформация соединяемых заготовок при этом составляет доли процента. Таким образом, задачу выбора удельного давления следует решать с учетом типа конструкций, технологической схемы и геометрических размеров соединяемых заготовок, а время сварки выбирать с учетом температуры и удельного давления. При сварке разнородных материалов увеличение длительности сварки может сопровождаться снижением механических характеристик соединения из-за развития процессов гетеродиффузии, приводящих к формированию в зоне соединения хрупких интерметаллидных фаз.

Для осуществления диффузионной сварки в настоящее время создано свыше 70 типов сварочных диффузионно-вакуумных установок. Разработка и создание установок для диффузионной сварки в настоящее время ведется в направлении унифицирования систем (вакуумной, нагрева, давления, управления) и сварочных камер. Меняя камеру в этих установках, можно значительно расширить номенклатуру свариваемых узлов. Некоторые виды конструкций, изготовленных диффузионной сваркой, приведены на рис. 3.71.