Литье в песок

Cope & drag (верхняя и нижняя половины песчаной формы) с сердечниками на месте на трапе

Два комплекта отливок (бронза и алюминий) из указанной выше песчаной формы.

Литье в песчаные формы , также известное как литье в песчаные формы , представляет собой процесс литья металла, в котором в качестве материала формы используется песок . Термин «литье в песчаные формы» может также относиться к объекту, полученному в процессе литья в песчаные формы. Отливки в песчаные формы производятся на специализированных заводах, называемых литейными . Более 60% всех металлических отливок производятся методом литья в песчаные формы. ^[1]

Формы из песка относительно дешевы и достаточно тугоплавкие даже для сталелитейного производства. В дополнение к песку, подходящий связующий агент (обычно глина) смешивается или встречается с песком. Смесь смачивают, обычно водой, но иногда и другими веществами, чтобы повысить прочность и пластичность глины и сделать заполнитель пригодным для формования. Песок обычно содержится в системе рам или формовочных ящиков, известной как колба . В полости пресс - формы и системы ворот создаются путем уплотнения песка вокруг моделей под названием узоры , вырезая непосредственно в песок, или с помощью 3D печати .

Основной процесс [ править ]

В этом процессе шесть шагов:

1. Поместите узор в песок, чтобы получилась форма.
2. Добавьте узор и песок в систему ворот.
3. Удалите узор.
4. Заполните полость формы расплавленным металлом.
5. Дайте металлу остыть.
6. Выломайте песчаную форму и снимите отливку.

Компоненты [ править ]

Выкройки [ править ]

На основе дизайна, предоставленного дизайнером, опытный изготовитель выкройки создает узор объекта, который будет изготовлен, используя дерево, металл или пластик, такой как пенополистирол. Песок можно шлифовать, подметать или растирать . Отливаемый металл будет сжиматься во время затвердевания, что может быть неоднородным из-за неравномерного охлаждения. Следовательно, узор должен быть немного больше, чем готовый продукт, разница известна как допуск на усадку . Для разных металлов используются разные масштабные правила, потому что каждый металл и сплав сжимаются на величину, отличную от всех остальных. На узорах также есть отпечатки сердцевины, которые создают регистры внутри форм, в которые помещаются песчаные стержни.. Такие сердечники, иногда армированные проволокой, используются для создания профилей с подрезками и полостей, которые не могут быть отформованы с помощью упора и сопротивления, таких как внутренние каналы клапанов или охлаждающие каналы в блоках цилиндров.

Пути для входа металла в полость кристаллизатора составляют систему литников и включают литник , различные питатели, которые поддерживают хорошую "подачу" металла, и входные клапаны , которые прикрепляют систему литников к литейной полости. Газ и пар , образующийся в процессе литья выхода через проницаемый песок или через стояки , ^{[примечание 1]} , которые добавляются либо в самом, рисунок или в виде отдельных частей.

Инструменты [ править ]

Помимо узоров, формовщик из песка может также использовать инструменты для создания отверстий.

Формовочная коробка и материалы [ править ]

Формовочная коробка из нескольких частей (известная как литейная опока, верхняя и нижняя половины которых известны, соответственно, как колпачок и перетаскивание) подготовлены для приема шаблона. Формовочные коробки состоят из сегментов, которые могут защелкиваться друг с другом и с торцевыми крышками. Для простого объекта - плоского с одной стороны - нижняя часть коробки, закрытая снизу, будет заполнена формовочным песком. Песок набивается посредством вибрационного процесса, называемого набиванием, и в этом случае периодически выравнивается по уровню. Затем поверхность песка может быть стабилизирована замасливателем. Выкройка кладется на песок и добавляется еще один сегмент формовочной коробки. Дополнительный песок утрамбовывается поверх и вокруг рисунка. Наконец, на коробку помещают крышку, которая поворачивается и освобождается от защелки, чтобы можно было разделить половинки формы и удалить узор с литником и отверстиями.Могут быть добавлены дополнительные размеры и исправлены любые дефекты, возникшие в результате удаления рисунка. Коробка снова закрывается. При этом образуется «зеленая» форма, которую необходимо высушить для приема горячего металла. Если форма недостаточно просушена, может произойти паровой взрыв, который может разбросать расплавленный металл. В некоторых случаях песок может быть смазан маслом, а не увлажнен, что делает возможным отливку, не дожидаясь высыхания песка. Песок также может быть связан с помощью химических связующих, таких как фурановые смолы или смолы, отвержденные амином.что делает возможным отливку, не дожидаясь высыхания песка. Песок также может быть связан с помощью химических связующих, таких как фурановые смолы или смолы, отвержденные амином.что делает возможным отливку, не дожидаясь высыхания песка. Песок также может быть связан с помощью химических связующих, таких как фурановые смолы или смолы, отвержденные амином.

При приготовлении песчаной формы можно использовать аддитивное производство , так что вместо того, чтобы формировать песчаную форму путем набивки песка вокруг шаблона, она печатается на 3D-принтере. Это может сократить время выполнения литья за счет исключения создания выкройки. ^[3] Помимо замены старых методов, добавка может также дополнять их в гибридных моделях, таких как создание множества сердечников с AM-печатью для полости, полученной по традиционному шаблону. ^[3]

Озноб [ править ]

Для того, чтобы контролировать структуру затвердевания металла, можно разместить металлические пластины, озноб , в пресс - форме. Связанное с этим быстрое локальное охлаждение будет формировать более мелкозернистую структуру и может образовывать несколько более твердый металл в этих местах. В отливках из черных металлов эффект аналогичен закалке металлов при кузнечной работе. Внутренний диаметр цилиндра двигателя усилен охлаждающим сердечником. Для других металлов можно использовать охлаждение, чтобы способствовать направленному затвердеванию отливки. Контролируя замерзание отливки, можно предотвратить внутренние пустоты или пористость внутри отливок.

Ядра [ править ]

Для создания полостей внутри отливки - например, для жидкостного охлаждения в блоках двигателя и головках цилиндров - для изготовления сердечников используются отрицательные формы . Обычно стержни изготавливаются методом формовки песком и вставляются в литейную коробку после удаления шаблона. По возможности разрабатываются конструкции, исключающие использование сердечников из-за дополнительного времени на установку, массы и, следовательно, большей стоимости.

После завершения формы при соответствующем содержании влаги ящик, содержащий песчаную форму, затем помещают для заполнения расплавленным металлом - обычно железом , сталью , бронзой , латунью , алюминием , магниевыми сплавами или различными сплавами металлического корпуса, которые часто включают свинец , олово и цинк. После наполнения жидким металлом ящик откладывают, пока металл не остынет и не станет прочным. Затем песок удаляют, обнажая грубую отливку, которая в случае железа или стали может все еще светиться красным. В случае металлов, которые значительно тяжелее литейного песка, таких как железо или свинец, литейная опока часто покрывается тяжелой пластиной, чтобы предотвратить проблему, известную как всплытие формы. Плавающая форма происходит, когда давление металла выталкивает песок над полостью формы, теряя форму, вызывая разрушение отливки.

После литья стержни разбивают прутьями или дробью и удаляют из отливки. Металл литника и стояков вырезается из черновой отливки. Для снятия напряжений при начальном охлаждении и повышения твердости могут применяться различные термические обработки - в случае стали или чугуна путем закалки в воде или масле. Отливку можно дополнительно упрочнить с помощью обработки поверхностным сжатием, такой как дробеструйное упрочнение , которая увеличивает сопротивление растрескиванию при растяжении и сглаживает шероховатую поверхность. А когда требуется высокая точность, выполняются различные операции обработки (например, фрезерование или растачивание) для чистовой обработки критических участков отливки. Примеры этого могут включать растачивание цилиндров и фрезерование деки на литом блоке двигателя.

Требования к дизайну [ править ]

Изготовляемая деталь и ее рисунок должны быть спроектированы с учетом каждой стадии процесса, поскольку должна быть возможность удалить рисунок, не нарушая формовочный песок, и иметь надлежащие места для приема и размещения стержней. Небольшой конус, известный как уклон , необходимо использовать на поверхностях, перпендикулярных линии разъема, чтобы можно было удалить узор из формы. Это требование также относится к сердечникам, поскольку они должны быть удалены из стержневого ящика, в котором они сформированы. Литниковый канал и стояки должны быть расположены так, чтобы обеспечить надлежащий поток металла и газов внутри кристаллизатора, чтобы избежать неполного литья. В случае смещения стержня или формы она может быть встроена в окончательную отливку, образуя песчаный карьер., что может сделать отливку непригодной для использования. Газовые карманы могут вызвать внутренние пустоты. Они могут быть видны сразу или могут быть обнаружены только после выполнения обширной механической обработки. Для критически важных приложений или там, где стоимость потраченных усилий является фактором, методы неразрушающего контроля могут быть применены до того, как будут выполнены дальнейшие работы.

Процессы [ править ]

В целом можно выделить два метода литья в песчаные формы; первый - с использованием зеленого песка, второй - методом воздушной затяжки.

Зеленый песок [ править ]

Эти отливки изготавливаются с использованием песчаных форм, сформированных из «влажного» песка, который содержит воду и органические связующие соединения, обычно называемые глиной. ^[4] Название «Зеленый песок» происходит от того факта, что песчаная форма не «застыла», она все еще находится в «зеленом» или неотвержденном состоянии, даже когда металл заливается в форму. Зеленый песок не зеленого цвета, а «зеленый» в том смысле, что он используется во влажном состоянии (сродни зеленому дереву). Вопреки тому, что следует из названия , «зеленый песок» не является типом песка сам по себе (то есть не зеленым песком в геологическом смысле), а скорее представляет собой смесь:

• кварцевый песок (SiO ₂ ), хромитовый песок (FeCr ₂ O ₄ ) или циркониевый песок (ZrSiO ₄ ), от 75 до 85%, иногда с долей оливина , ставролита или графита .
• бентонит ( глина ) от 5 до 11%
• вода, от 2 до 4%
• инертный осадок от 3 до 5%
• антрацит (от 0 до 1%)

Существует множество рецептов определения пропорции глины, но все они обеспечивают разный баланс между формуемостью, чистотой поверхности и способностью горячего расплавленного металла дегазировать . Уголь, как правило , называют в литейном производстве в качестве морского угля , который присутствует в соотношении менее чем на 5%, частично сгорает в присутствии расплавленного металла, что приводит к offgassing органических паров. При литье в зеленый песок для цветных металлов не используются добавки угля, поскольку образующийся CO не предотвращает окисление. В зеленом песке для алюминия обычно используется оливиновый песок (смесь минералов форстерита и фаялита , которая получается путем дробления дунитовой породы).

Выбор песка во многом зависит от температуры заливки металла. При температурах, при которых разливаются медь и железо, глина деактивируется под действием тепла, в результате чего монтмориллонит превращается в иллит., который представляет собой нерасширяющуюся глину. Большинство литейных заводов не имеют очень дорогого оборудования для удаления сгоревшей глины и замены новой глины, поэтому вместо этого те, которые разливают железо, обычно работают с кварцевым песком, который является недорогим по сравнению с другими песками. По мере того, как глина выгорает, добавляется заново перемешанный песок, а часть старого песка выбрасывается или используется для других целей. Кремнезем является наименее желательным из песков, поскольку метаморфические зерна кварцевого песка имеют тенденцию взорваться с образованием частиц субмикронного размера при тепловом ударе во время заливки форм. Эти частицы попадают в воздух рабочей зоны и могут вызвать силикоз.в рабочих. Чугунолитейные заводы прилагают значительные усилия для агрессивного пылеулавливания для улавливания этого мелкодисперсного кремнезема. Песок также имеет нестабильность размеров, связанную с преобразованием кварца из альфа-кварца в бета-кварц при 680 ° C (1250 ° F). Часто горючие добавки, такие как древесная мука, добавляют, чтобы создать пространство для расширения зерен без деформации формы. Поэтому используются оливин , хромит и т. Д., Поскольку они не имеют фазового перехода, который вызывает быстрое расширение зерен, а также обладают большей плотностью, которая быстрее охлаждает металл, создавая более мелкозернистую структуру в металле. Поскольку они не являются метаморфическими минералами , они не имеютполикристаллы, обнаруженные в диоксиде кремния , которые впоследствии не образуют опасных частиц субмикронного размера.

Метод "воздушной установки" [ править ]

В методе отверждения на воздухе используется сухой песок, связанный с материалами, отличными от глины, с использованием быстросохнущего клея . Последнее можно также назвать отливкой без выпечки . Когда они используются, их все вместе называют отливками из песка с воздушной фиксацией, чтобы отличить их от отливок из зеленого песка. Формовочный песок двух типов: природный (песчаный) и синтетический (озерный песок); последний обычно предпочтительнее из-за его более стабильного состава.

В обоих методах смесь песка набивается по узору , образуя полость формы. При необходимости в песок помещают временную пробку, касающуюся рисунка, чтобы впоследствии сформировать канал, в который можно заливать заливочную жидкость. Воздушные посаженные формы часто образуются с помощью литьевой опоки , имеющой верхней и нижней часть, называемого совладать и сопротивление. Песочная смесь утрамбовывается по мере того, как она добавляется по шаблону, а окончательный узел формы иногда вибрируют, чтобы уплотнить песок и заполнить любые нежелательные пустоты в форме. Затем шаблон удаляется вместе с заглушкой канала, оставляя полость формы. Затем литейная жидкость (обычно расплавленный металл) заливается в полость кристаллизатора. После того как металл затвердеет и остынет, отливку отделяют от песчаной формы. Смазка для пресс-формы обычно отсутствует, и форма обычно разрушается в процессе удаления. ^[5]

Точность отливки ограничивается типом песка и процессом формования. Отливки из крупного зеленого песка придают поверхности шероховатую текстуру, что позволяет легко их идентифицировать. Отливки из мелкого зеленого песка могут блестеть как отливки, но их размеры ограничены соотношением глубины и ширины карманов в узоре. Формы с воздушным отливом позволяют производить отливки с более гладкими поверхностями, чем крупный зеленый песок, но этот метод в первую очередь выбирают, когда необходимы глубокие узкие карманы в узоре из-за высокой стоимости пластика, используемого в процессе. Отливки, закрепленные на воздухе, обычно можно легко идентифицировать по обгоревшему цвету на поверхности. Отливки обычно подвергаются дробеструйной очистке, чтобы удалить этот выжженный цвет. Позже поверхности можно шлифовать и полировать, например, при изготовлении большого колокола.. После формования отливка покрывается остатками оксидов, силикатов и других соединений. Этот остаток можно удалить различными способами, например, шлифованием или дробеструйной очисткой.

Во время литья некоторые компоненты песчаной смеси теряются в процессе термического литья. Зеленый песок можно повторно использовать после корректировки его состава, чтобы восполнить потерю влаги и добавок. Сам узор можно повторно использовать неограниченное время для изготовления новых песчаных форм. Процесс формования в песчаные формы использовался на протяжении многих веков для изготовления отливок вручную. С 1950 года для производственных линий были разработаны частично автоматизированные процессы литья.

Формование с воздушным набором имеет много преимуществ. Этот процесс разработан для удовлетворения растущих потребностей инженеров-проектировщиков литья в литейной промышленности и лучше всего подходит для более крупных, тяжелых и сложных отливок. Этот процесс обеспечивает отличную отделку поверхности после литья для изделий, требующих высоких эстетических стандартов. ^[6]

Холодный ящик [ править ]

Использует органические и неорганические связующие, которые укрепляют форму за счет химического прилипания к песку. Этот тип формы получил свое название оттого, что не запекается в духовке, как другие типы песчаных форм. Этот тип формы более точен по размерам, чем формы для сырого песка, но более дорогой. Таким образом, он используется только в тех приложениях, где это необходимо.

Формы без выпечки [ править ]

Формы без обжига - это одноразовые песчаные формы, похожие на обычные песчаные формы, за исключением того, что они также содержат быстро схватывающуюся жидкую смолу и катализатор. Формовочный песок не утрамбовывается, а заливается в колбу и выдерживается до затвердевания смолы, что происходит при комнатной температуре. Этот тип формования также обеспечивает лучшее качество поверхности, чем другие типы песчаных форм. ^[7] Из-за того, что не используется тепло, это называется процессом холодной отверждения. Обычно используемые материалы для колб - дерево, металл и пластик. Обычные металлы, отливаемые в формы без обжига, - это латунь, железо ( черные ) и алюминиевые сплавы.

Вакуумное формование [ править ]

Вакуумное формование ( V-процесс ) представляет собой разновидность процесса литья в песчаные формы для большинства черных и цветных металлов ^[8], при котором несвязанный песок удерживается в колбе с помощью вакуума . Шаблон специально вентилируется, чтобы через него можно было создать вакуум. Смягченный при нагревании тонкий лист (от 0,003 до 0,008 дюйма (от 0,076 до 0,203 мм)) пластиковой пленки.накладывается на образец и создается вакуум (от 200 до 400 мм рт. ст. (от 27 до 53 кПа)). Специальная вакуумная формовочная колба помещается поверх пластикового шаблона и заполняется сыпучим песком. Песок вибрирует для уплотнения песка, и в выемке формируются литник и разливочная чаша. Другой лист пластика помещается поверх песка в колбе, и через специальную колбу создается вакуум; это затвердевает и укрепляет несвязанный песок. Затем на шаблоне создается вакуум, и колпачок удаляется. Тяга выполняется аналогично (без литника и сливной чаши). Любые стержни устанавливаются на место, и форма закрывается. Расплавленный металл разливается, пока верхняя и нижняя части корпуса все еще находятся в вакууме, потому что пластик испаряется, но вакуум сохраняет форму песка, пока металл затвердевает. Когда металл затвердеет,вакуум отключается, и песок свободно вытекает, освобождая отливку.^{[9] [10]}

V-образный процесс известен тем, что не требует вытяжки, поскольку пластиковая пленка обладает определенной смазывающей способностью и слегка расширяется, когда в колбе создается вакуум. Процесс имеет высокую точность размеров с допуском ± 0,010 дюйма для первого дюйма и ± 0,002 дюйма / дюйм после него. Возможно поперечное сечение от 0,090 дюйма (2,3 мм). Качество обработки поверхности очень хорошее, обычно от 150 до 125 rms.. Другие преимущества включают отсутствие дефектов, связанных с влажностью, отсутствие затрат на связующие, отличную проницаемость для песка и отсутствие токсичных паров от сжигания связующих. Наконец, узор не изнашивается, потому что песок его не касается. Основным недостатком является то, что этот процесс медленнее, чем традиционное литье в песчаные формы, поэтому он подходит только для малых и средних объемов производства; примерно от 10 до 15 000 штук в год. Тем не менее, это делает его идеальным для работы с прототипами, потому что рисунок можно легко изменить, поскольку он сделан из пластика. ^{[9] [10] [11]}

Быстрые процессы изготовления пресс-форм [ править ]

С быстрым развитием автомобилестроения и машиностроения области потребления литья требовали постоянного повышения производительности . Основные этапы процесса механического формования и литья аналогичны описанным в процессе ручного литья в песчаные формы. Однако техническое и умственное развитие было настолько быстрым и глубоким, что коренным образом изменился характер процесса литья в песчаные формы.

Механизированная формовка из песка [ править ]

Первые механизированные формовочные линии состояли из пескоразбивателей и / или ударно-отжимных устройств, которые уплотняли песок в резервуарах. Последующее перемещение форм было механическим с использованием кранов, подъемников и ремней. После установки керна ригели и бобышки были соединены с помощью направляющих штифтов и зажаты для большей точности. Формы вручную выталкивались на роликовый конвейер для литья и охлаждения.

Автоматические линии формовки песком под высоким давлением [ править ]

Повышение требований к качеству привело к необходимости повышения устойчивости формы за счет применения постоянно более высокого давления сжатия и современных методов уплотнения песка в опоках. В начале пятидесятых годов прошлого века формование под высоким давлением было разработано и применено в механических, а затем и в автоматических линиях опок. На первых линиях использовались тряски и вибрации для предварительного уплотнения песка в резервуарах и поршни, приводимые в действие сжатым воздухом, для уплотнения форм.

Горизонтальная формовка песочницы [ править ]

В первых автоматических линиях горизонтальных опок песок забрасывался или сбрасывался по образцу в колбе и отжимался гидравлическим давлением до 140 бар . Последующие манипуляции с пресс-формами, включая переворачивание, сборку, выталкивание на конвейер, выполнялись вручную или автоматически. В конце пятидесятых годов для уплотнения песка в колбах использовались поршни с гидравлическим приводом или многопоршневые системы. Этот метод позволял получать более стабильные и точные формы, чем это было возможно вручную или пневматически . В конце шестидесятых годов прошлого века пресс-форма уплотнялась быстрым давлением воздуха или газа.разработана капля на предварительно уплотненную песчаную форму (песчано-импульсная и газоударная). Общий принцип работы большинства систем горизонтальной линии опок показан на рисунке ниже.

Сегодня существует множество производителей автоматических линий для формования опок горизонтального типа. Основными недостатками этих систем являются высокий расход запасных частей из-за множества подвижных частей, необходимость хранения, транспортировки и обслуживания опок и производительность, ограниченная примерно 90–120 форм в час.

Вертикальное формование без опоки из песка [ править ]

В 1962 году компания Dansk Industri Syndikat A / S (DISA- DISAMATIC ) изобрела безопочный процесс формования с использованием вертикально разделяемых и разливаемых форм. Первая линия могла производить до 240 полных песчаных форм в час. Сегодня формовочные линии могут достигать скорости формования 550 песчаных форм в час, и для этого требуется всего один оператор. Максимальное несовпадение двух половин пресс-формы составляет 0,1 мм (0,0039 дюйма). Хотя очень быстрые, вертикально разделенные формы обычно не используются на литейных предприятиях из-за наличия специального инструмента, необходимого для работы на этих машинах. Сердечники необходимо устанавливать с помощью маски для сердечников, а не вручную, и они должны висеть в форме, а не устанавливаться на разделяемой поверхности.

Песочная формовка Matchplate [ править ]

Принцип ответной планки, означающей шаблонные пластины с двумя узорами на каждой стороне одной и той же пластины, был разработан и запатентован в 1910 году, что открывает перспективы для будущих улучшений формовки из песка. Однако сначала в начале шестидесятых годов американская компания Hunter Automated Machinery Corporation запустила свою первую автоматическую линию безопочного горизонтального формования с применением технологии спичечных пластин.

Метод, аналогичный вертикальному формованию DISA ( DISAMATIC ), - безопочный, но горизонтальный. Сегодня широко используется технология формования спичечных пластин. Его большим преимуществом является недорогая модельная оснастка, простота замены формовочной оснастки, а значит, пригодность для изготовления отливок короткими сериями, столь характерных для литейных цехов. Современная формовочная машина для формных пластин обеспечивает высокое качество формования, меньшее смещение отливки из-за несоответствия станка и формы (в некоторых случаях менее 0,15 мм (0,0059 дюйма)), стабильно стабильные формы для меньшего шлифования и улучшенного определения линии разъема. Кроме того, машины имеют закрытый корпус, что обеспечивает более чистую и тихую рабочую среду с уменьшением воздействия на оператора рисков для безопасности или проблем, связанных с обслуживанием.

Стандарты безопасности [ править ]

С автоматизированным производством пресс-форм появились дополнительные требования к безопасности на рабочем месте. В зависимости от геополитической юрисдикции, в которой будет использоваться оборудование, применяются разные добровольные технические стандарты .

Канада [ править ]

В Канаде нет добровольных технических стандартов для оборудования для изготовления песчаных форм. К этому типу техники относятся:

Защита машин, CSA Z432. Канадская ассоциация стандартов. 2016 г.

Кроме того, требования электробезопасности покрываются:

Промышленное электрическое оборудование, CSA C22.2 № 301. 2016.

Европейский Союз [ править ]

Основным стандартом для оборудования для производства песчаных форм в ЕС является: Требования безопасности для литейного оборудования и оборудования для изготовления стержней и связанного с ним оборудования, EN 710. Европейский комитет по стандартизации (CEN).

EN 710 необходимо использовать вместе с EN 60204-1 для обеспечения электробезопасности и EN ISO 13849-1 и EN ISO 13849-2 или EN 62061 для функциональной безопасности. Дополнительные стандарты типа C могут также потребоваться для конвейеров, робототехники или другого оборудования, которое может потребоваться для поддержки работы оборудования для изготовления форм.

Соединенные Штаты [ править ]

Для оборудования для производства песчаных форм не существует стандартов для конкретных машин. Семейство стандартов ANSI B11 включает некоторые общие стандарты станков, которые могут применяться к этому типу оборудования, в том числе:

Безопасность машин, ANSI B11.0. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2020. ^[12]
Требования к эффективности для мер по снижению риска: защита и другие средства снижения риска, ANSI B11.19. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2019.
Требования безопасности при интеграции машин в систему, ANSI B11.20. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2017.
Требования безопасности для передаточных машин, ANSI B11.24. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2002 (R2020).
Функциональная безопасность оборудования (электрические / гидравлические системы управления мощностью) Общие принципы проектирования систем управления безопасностью с использованием ISO 13849-1, ANSI B11.26. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2018.
Руководство по измерению уровня звука, ANSI B11.TR5. Американский национальный институт стандартов (ANSI). 2006 (R2017).

Материалы пресс-формы [ править ]

Для изготовления литейной формы из песка есть четыре основных компонента: базовый песок , связующее , добавки и разделительный состав .

Формовочные пески [ править ]

Формовочные пески , также известные как литейные пески , определяется восемь характеристиками: огнеупорность, химическая инертность, проницаемость, обработка поверхности, когезионная, выпрессовки, просадочность и доступность / стоимость. ^[13]

Огнеупорность - Это относится к способности песка, чтобы выдерживать температуру жидкого металла отливаемого без разрушения. Например, некоторые пески должны выдерживать только 650 ° C (1202 ° F) при литье алюминиевых сплавов, тогда как для стали требуется песок, выдерживающий 1500 ° C (2730 ° F). Песок с очень низкой огнеупорностью плавится и предохранителем к отливке. ^[13]

Химическая инертность - песок не должен вступать в реакцию с отливаемым металлом. Это особенно важно для металлов с высокой реакционной способностью, таких как магний и титан . ^[13]

Проницаемость - это способность песка отводить газы. Это важно, потому что во время процесса разливки выделяется много газов, таких как водород , азот , диоксид углерода и пар , которые должны покинуть форму, в противном случае в отливке возникнут дефекты литья , такие как газовые раковины и газовые дыры. Обратите внимание, что на каждый кубический сантиметр (куб. См) воды, добавляемой в форму, производится 16 000 куб. См пара. ^[13]

Обработка поверхности - размер и форма частиц песка определяют наилучшую достижимую чистоту поверхности, а более мелкие частицы обеспечивают лучшую отделку. Однако по мере того, как частицы становятся мельче (и улучшается чистота поверхности), проницаемость становится хуже. ^[13]

Связность (или связь ) - это способность песка сохранять заданную форму после удаления рисунка. ^[14]

Сыпучесть - способность песка стекать в сложные детали и узкие углы без специальных процессов или оборудования. ^[15]

Сворачиваемость - это способность песка легко отделяться от отливки после ее затвердевания. Пески с плохой разборчивостью будут прочно прилипать к отливке. При литье металлов, которые сильно сжимаются во время охлаждения или с большим диапазоном температур замерзания, песок с плохой сжимаемостью вызовет трещины и горячие разрывы в отливке. Для улучшения разборчивости можно использовать специальные добавки. ^[15]

Доступность / стоимость - наличие и стоимость песка очень важны, потому что на каждую тонну залитого металла требуется от трех до шести тонн песка. ^[15] Хотя песок можно просеивать и повторно использовать, частицы в конечном итоге становятся слишком мелкими и требуют периодической замены свежим песком. ^[16]

В больших отливках экономично использовать два разных песка, потому что большая часть песка не будет контактировать с отливкой, поэтому для него не требуются какие-либо особые свойства. Песок, который контактирует с отливкой, называется облицовочным песком и предназначен для литья под рукой. Этот песок будет нарастать вокруг рисунка до толщины от 30 до 100 мм (от 1,2 до 3,9 дюйма). Песок, который заполняет облицовочный песок, называется грунтовочным песком . Этот песок представляет собой простой кварцевый песок с небольшим количеством связующего и без специальных добавок. ^[17]

Типы базовых песков [ править ]

Базовый песок - это тип, используемый для изготовления формы или стержня без связующего. Поскольку у него нет связующего, он не будет склеиваться и не может использоваться в этом состоянии. ^[15]

Кремнеземистый песок [ править ]

Песок с кремнеземом (SiO ₂ ) - это песок на пляже, который также является наиболее часто используемым песком. Его получают либо путем дробления песчаника, либо из естественных мест, таких как пляжи и русла рек. Температура плавления чистого кремнезема составляет 1760 ° C (3200 ° F), однако используемые пески имеют более низкую температуру плавления из-за примесей. Для отливок с высокой температурой плавления, например для сталей, необходимо использовать кварцевый песок чистотой не менее 98%; однако для металлов с более низкой температурой плавления, таких как чугун и цветные металлы, можно использовать песок более низкой чистоты (от 94 до 98% чистоты). ^[15]

Кремнеземный песок является наиболее часто используемым песком из-за его большого количества и, следовательно, низкой стоимости (что является его самым большим преимуществом). Его недостатками являются высокое тепловое расширение , которое может вызвать дефекты литья с металлами с высокой температурой плавления, и низкая теплопроводность , что может привести к некачественной отливке. Его также нельзя использовать с некоторыми основными металлами, поскольку он химически взаимодействует с металлом, образуя поверхностные дефекты. Наконец, во время заливки выделяются частицы кремнезема, что создает риск силикоза у литейщиков. ^[18]

Оливиновый песок [ править ]

Оливин представляет собой смесь ортосиликатов железа и магния из минерала дунита . Его главное преимущество заключается в том, что он не содержит кремнезема, поэтому его можно использовать с основными металлами, такими как марганцевые стали. Другие преимущества включают низкое тепловое расширение, высокую теплопроводность и высокую температуру плавления. Наконец, его безопаснее использовать, чем кремнезем, поэтому он популярен в Европе. ^[18]

Хромитовый песок [ править ]

Хромитовый песок является твердым раствором из шпинелей . Его преимущества - низкий процент кремнезема, очень высокая температура плавления (1850 ° C (3360 ° F)) и очень высокая теплопроводность. Его недостаток - дороговизна, поэтому он используется только при литье из дорогих легированных сталей и для изготовления стержней. ^[18]

Цирконовый песок [ править ]

Цирконовый песок представляет собой соединение примерно двух третей оксида циркония (Zr ₂ O) и одной трети кремнезема. Он имеет самую высокую точку плавления среди всех базовых песков при 2600 ° C (4710 ° F), очень низкое тепловое расширение и высокую теплопроводность. Благодаря этим хорошим свойствам его обычно используют при литье легированных сталей и других дорогих сплавов. Он также используется в качестве промывки формы (покрытие, наносимое на полость формы) для улучшения качества поверхности. Однако это дорого и нелегко. ^[18]

Шамотный песок [ править ]

Шамотный производится путем прокаливания огнеупорной глины (Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) выше 1100 ° C (2,010 ° F). Его температура плавления составляет 1750 ° C (3180 ° F) и он имеет низкое тепловое расширение. Это второй по стоимости песок, но он все равно вдвое дороже кремнезема. Его недостаток - очень крупное зерно, что приводит к плохой отделке поверхности, и он ограничивается сухим формованием песком . Промывки пресс-формы используются для решения проблем с чистотой поверхности. Этот песок обычно используют при литье крупных стальных заготовок. ^{[18] [19]}

Другие материалы [ править ]

Современные методы производства отливок позволяют изготавливать тонкие и точные формы - из материала, внешне напоминающего папье-маше, например, который используется в картонных коробках для яиц, но который является огнеупорным по своей природе, - которые затем поддерживаются некоторыми средствами, такими как сухой песок, окруженный коробка, в процессе литья. Благодаря более высокой точности можно изготавливать более тонкие и, следовательно, более легкие отливки, поскольку нет необходимости в дополнительном металле, чтобы допускать изменения в формах. Эти методы литья в тонкие формы используются с 1960-х годов при производстве чугунных блоков цилиндров и головок цилиндров для автомобилей. ^{[ необходима цитата ]}

Связующие [ править ]

Связующие вещества добавляются к основному песку, чтобы связать частицы песка вместе (т.е. именно клей скрепляет форму).

Глина и вода [ править ]

Смесь глины и воды - наиболее часто используемое связующее. Обычно используются два типа глины: бентонит и каолинит , причем первый является наиболее распространенным. ^[20]

Нефть [ править ]

Масла, такие как льняное масло , другие растительные масла и морские масла , раньше использовались в качестве связующего, однако из-за их растущей стоимости они были в основном прекращены. Масло также требует тщательного запекания при температуре от 100 до 200 ° C (от 212 до 392 ° F) для отверждения (при перегреве масло становится хрупким, что приводит к потере формы). ^[21]

Смола [ править ]

Связующие смолы представляют собой натуральные или синтетические камеди с высокой температурой плавления . Обычно используются два типа смолы - карбамидоформальдегид (UF) и фенолформальдегид (PF). Смолы PF обладают более высокой термостойкостью, чем смолы UF, и дешевле. Существуют также смолы холодного отверждения, в которых для отверждения связующего используется катализатор, а не нагрев. Связующие на основе смол довольно популярны, поскольку смешивание с различными добавками позволяет добиться различных свойств. Другие преимущества включают хорошую складываемость, низкое газовыделение и оставляют хорошее качество поверхности отливки. ^[21]

MDI (метилендифенилдиизоцианат) также является обычно используемой связующей смолой в литейном процессе.

Силикат натрия [ править ]

Силикат натрия [Na ₂ SiO ₃ или (Na ₂ O) (SiO ₂ )] - это высокопрочное связующее, используемое с кварцевым формовочным песком. Для отверждения связующего используется углекислый газ, который вызывает следующую реакцию:

${\ displaystyle {\ ce {{Na2O (SiO2)} + CO2 <=> {Na2CO3} + {2SiO2} + тепло}}}$

Преимущество этого связующего в том, что его можно использовать при комнатной температуре и оно работает быстро. Недостатком является то, что его высокая прочность приводит к затруднениям при встряхивании и, возможно, к горячим разрывам отливки. ^[21]

Добавки [ править ]

Добавки добавляют к компонентам формования, чтобы улучшить: отделку поверхности, прочность в сухом состоянии, огнеупорность и «амортизирующие свойства».

В формовочный материал может быть добавлено до 5% восстановителей , таких как угольный порошок, пек , креозот и мазут , чтобы предотвратить смачивание (предотвращение прилипания жидкого металла к частицам песка, оставляя их на поверхности отливки), улучшить качество поверхности, уменьшить проплавление металла и пригревание . Эти добавки достигают этого за счет образования газов на поверхности полости формы, которые предотвращают прилипание жидкого металла к песку. Восстановители не используются при стальном литье, поскольку они могут науглероживать металл во время литья. ^[22]

До 3% «прокладочного материала», такого как древесная мука, опилки , измельченная шелуха , торф и солома , могут быть добавлены для уменьшения образования корок , горячего разрыва и дефектов литья горячих трещин при литье жаропрочных металлов. Эти материалы полезны, потому что выгорание при заливке металла создает крошечные пустоты в форме, позволяя частицам песка расширяться. Они также увеличивают складываемость и сокращают время выбивки. ^[22]

До 2% связующих для злаков , таких как декстрин , крахмал , сульфитный щелок и патока , можно использовать для увеличения прочности в сухом состоянии (прочности формы после отверждения) и улучшения качества поверхности. Зерновые связующие также улучшают складываемость и сокращают время взбалтывания, поскольку они сгорают при заливке металла. Недостатком вяжущих для злаков является их дороговизна. ^[22]

Вплоть до 2% оксида железа порошка может быть использовано для предотвращения плесени трещин и проникновения металла, по существу , улучшая огнеупорность. Кремнезем муки (мелкий диоксид кремния) и циркона муки также улучшают огнеупорность, особенно в черных отливок. Недостатком этих добавок является то, что они значительно снижают проницаемость. ^[22]

Разделительные соединения [ править ]

Чтобы получить узор из формы, перед отливкой на узор наносится разделительный состав для облегчения удаления. Они могут быть жидкими или мелкодисперсными (диаметр частиц от 75 до 150 микрометров (от 0,0030 до 0,0059 дюйма)). Обычные порошки включают тальк , графит и сухой кремнезем; распространенные жидкости включают минеральные масла и растворы кремния на водной основе. Последние чаще используются с металлическими и крупными деревянными узорами. ^[23]

История [ править ]

Глиняные формы использовались в древнем Китае со времен династии Шан (ок. 1600–1046 до н. Э.). Знаменитый Хомуву-дин (ок. 1300 г. до н.э.) был изготовлен с использованием глиняной лепки.

Ассирийский король Синаххериб (704-681 г. до н.э.) литого массивных изделия из бронзы до 30 тонн, и утверждает, что был первым использовал пресс - формы глины , а не метод «выплавляемый восковой»: ^[24]

В то время как в прежние времена короли, мои предки, создавали бронзовые статуи, имитирующие реальные формы, чтобы выставлять их в своих храмах, но своим методом работы они истощили всех мастеров из-за отсутствия навыков и непонимания необходимых им принципов. столько масла, воска и жира для работы, что они вызвали нехватку в их собственных странах - я, Сеннахирим, лидер всех князей, сведущий во всех видах работы, принял много советов и глубоко задумался над выполнением этой работы. Огромные колонны из бронзы, колоссальные шагающие львы, каких до меня не строил ни один предыдущий король, с техническими навыками, которые Нинушки довел во мне до совершенства, и по подсказке моего ума и желания своего сердца я изобрел технику для бронзу и сделал это искусно. Я создавал глиняные формы как будто божественным разумом ...двенадцать свирепых львов-колоссов вместе с двенадцатью могучими быками-колоссами, которые были совершенными отливками ... Я заливал их медью снова и снова; Я сделал отливки так искусно, как будто они весили всего полшекеля каждая

Метод литья под давлением был описан Ваннокчо Бирингуччо в его книге, опубликованной около 1540 года.

В 1924 году автомобильная компания Ford установила рекорд, выпустив 1 миллион автомобилей, потребляя при этом одну треть от общего объема производства отливок в США. По мере роста автомобильной промышленности возрастала потребность в повышении эффективности литья. Растущий спрос на отливки в растущей автомобильной и машиностроительной промышленности во время и после Первой мировой войны и Второй мировой войны стимулировал новые изобретения в области механизации, а затем и автоматизации процесса литья в песчаные формы.

Для ускорения производства отливок было не одно узкое место, а несколько. Улучшения были сделаны в скорости формования, формование приготовления песка, песок смешивания , основные производственные процессы, а также медленное металла плавления скорости в вагранках . В 1912 году метатель песка изобрела американская компания Beardsley & Piper. В 1912 году компания Simpson выпустила на рынок первый смеситель для песка с индивидуально установленными вращающимися плугами . В 1915 году начались первые эксперименты с бентонитом.глина вместо простой огнеупорной глины в качестве связующей добавки к формовочной смеси. Это значительно повысило прочность форм в сыром и сухом виде. В 1918 году был запущен первый полностью автоматизированный цех по производству ручных гранат для армии США . В 1930-х годах в США была установлена первая высокочастотная электрическая печь без сердечника. В 1943 году был изобретен ковкий чугун путем добавления магния в широко используемый серый чугун.. В 1940 г. для формовочных и стержневых песков применялась термическая рекультивация песков. В 1952 году был разработан «D-процесс» для изготовления корпусных форм из мелкого предварительно покрытого песка. В 1953 году был изобретен процесс обработки песчаных стержней в горячем ящике, при котором стержни подвергаются термическому отверждению. В 1954 году появилось новое связующее для сердцевины - жидкое стекло (силикат натрия), отвержденное CO 2 из окружающего воздуха.

В 2010-х годах аддитивное производство стало применяться для приготовления песчаных форм в промышленном производстве ; Вместо того, чтобы формировать песчаную форму путем упаковки песка вокруг шаблона, она печатается на 3D-принтере.

См. Также [ править ]

• Литье  - производственный процесс, при котором жидкость заливается в форму для застывания.
• Жилки (металлургия) , общий дефект отливки в песчаные формы
• Тестирование литейного песка
• Форма для рук
• Трамбовка для песка
• Juutila Foundry ( Финляндия ), основанная в 1881 г., специализируется на литье в песчаные формы.
• voxeljet ( Германия ), 3D печать ,

Ссылки [ править ]

Примечания [ править ]

Библиография [ править ]

• Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
• Тодд, Роберт Х .; Аллен, Делл К .; Алтинг, Лео (1994), Справочное руководство по производственным процессам , Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-3049-0.
• Рао, ТВ (2003), Литье металла: принципы и практика , New Age International, ISBN 978-81-224-0843-0.

Внешние ссылки [ править ]

• Формовка песка в печи Хоупвелла (методы 18-19 веков) - Служба национальных парков США (видео на YouTube)
• Различные типы процессов литья металлов