Литье алюминия под низким давлением

Литье под низким давлением

Установки для литья под низким давлением обычно состоят из механизмов сборки и разборки форм, отделения отливок от формы и стержней (по существу это элементы кокильной машины), агрегата заливки (печи-металло-раздатчика), гидравлической, пневматической и электрической систем управления. Многочисленные конструкции разработанных универсальных и специализированных установок различаются: размерами рабочей зоны для размещения формы, числом подвижных элементов для сборки и разборки формы, типами печей-металлораздатчиков, компоновочной схемой, реализующей варианты обслуживания отдельных агрегатов установки, степенью автоматизации вспомогательных операций.

Ha рисунке 5.3 показана одна из установок литья под низким давлением для получения отливок из алюминиевых сплавов в металлических формах с горизонтальной плоскостью разъема. Металлораздатчик установки 7 – герметизированная электропечь сопротивления ванного типа с заливочной горловиной, закрывающейся футерованной крышкой 6 на поролоновой прокладке. На раме печи 8 расположена плита 5 с металлопроводом 4 из жаростойкого материала. К нижней стороне этой плиты на болтах подвешен свод печи с нагревателями, а на верхней плоскости закреплена нижняя неподвижная половина формы 9. Верхняя половина формы 10 крепится в пазах подвижной траверсы 3. На неподвижной траверсе 12 размещен гидроцилиндр, предназначенный для перемещения верхней половины формы. Регулируемые по высоте штанги 2 служат для выталкивания отливки плитой толкателей 11 из верхней половины формы. Отливка 14 удаляется из рабочего пространства установки вспомогательным устройством, состоящим из приемного лотка 15, перемещаемого рычажным механизмом 13. При раскрытой форме лоток 15 находится под отливкой, при закрытой – отходит в сторону, сбрасывая отливку на склиз 16. Металлопровод 4 погружают в расплав таким образом, чтобы его конец не доходил до дна тигля на 40 – 60 мм. Полость в отливке может быть выполнена металлическим, оболочковым или песчаным стержнем.

Рисунок 5.3 – Установка литья под низким давлением для получения отливок из алюминиевых сплавов; 1 – гидроцилиндр; 2 – штанги для движения плиты толкателей; 3 – подвижная траверса; 4 – металлопровод; 5 – плита; 6 – крышка заливочного окна; 7 – металлораздатчик; 8 – рама печи; 9 – нижняя половина формы; 10 – верхняя половина формы; 11 – плита толкателей; 12 – неподвижная траверса; 13 – рычажный механизм; 14 – отливка; 15 – приемный лоток; 16 – склиз

Воздух или инертный газ под давлением до 0,05 МПа через систему регулирования поступает по трубопроводу внутрь камеры установки и давит на зеркало расплава. Вследствие разности давления в камере установки и атмосферного давления расплав поступает в форму снизу через металлопровод со скоростью, регулируемой давлением в камере установки. После окончания заполнения формы давление в системе можно увеличивать до конца затвердевания отливки, после чего автоматически открывается клапан, соединяющий камеру установки с атмосферой. Давление воздуха в камере снижается до атмосферного и незатвердевший расплав из металлопровода сливается в тигель. После охлаждения отливки до заданной температуры форма раскрывается, отливка выталкивается и цикл повторяется.

Литье под низким давлением применяется и самостоятельно, и как дополнение к другим способам литья в качестве эффективного метода автоматического заполнения формы жидким металлом. В последнем случае удобство способа связано с отсутствием необходимости герметизации формы. Его используют для получения отливок в песчаные, металлические и графитовые формы. Самостоятельно способ литья под низким давлением используют чаще для литья в кокили или в кокили с песчаными оболочковыми стержнями, так как процесс сборки кокиля легче автоматизировать.

Способ литья под низким давлением характеризуется следующими основными преимуществами, определяющими области его распространения и конструктивные особенности установок:

  1. Управление гидродинамическими параметрами течения металла позволяет заполнить форму с минимальными потерями теплоты, что особенно важно для сложных тонкостенных крупногабаритных отливок. Заполняемость форм возрастает в 1,3 – 1,5 раза.
  2. При подводе металла в наиболее массивные части отливок питание их в процессе кристаллизации осуществляется через металлопровод, что позволяет упростить конструкцию литниково-питающей системы, сократить расход жидкого металла на нее, так как часто отсутствует необходимость устанавливать прибыли.
  3. Избыточное давление в сплаве после заполнения формы улучшает условия питания кристаллизующихся его слоев, как в тонких, так и в массивных сечениях отливки, увеличивает скорость затвердевания металла благодаря интенсификации теплообмена его с формой. Это способствует повышению плотности, измельчению структуры металла отливок. В результате чего прочность металла увеличивается на 15 – 25%, а пластичность в 1,5 – 2 раза.
  4. Подача металла в форму снизу обеспечивает ее плавное заполнение, уменьшение развития эффектов разбрызгивания и перемешивания металла, способствующих его окислению и захвату воздуха.
  5. Уменьшается возможность окисления металла в печи и исключается вероятность попадания в форму шлака и флюса с зеркала расплава, так как металл поступает в форму из глубинных слоев ванны печи.
  6. Полностью решена проблема автоматизации процесса заливки литейной формы жидким металлом.
  7. Низкие в сравнении с литьем под давлением скорости течения металла при заполнении формы позволяют использовать как металлические, так и разовые элемента формы из других менее прочных материалов, что накладывает меньше ограничений на конструктивное оформление отливок.
  8. Повышенная скорость затвердевания и охлаждения отливок сокращает в 1,5 раза время выдержки отливки в металлической форме по сравнению с литьем в кокиль, что увеличивает производительность установок.

Наряду с указанными выше преимуществами способ литья под низким давлением имеет недостатки, в числе которых: невысокая стойкость части металоопровода, постоянно погруженной в расплав (это затрудняет использование способа для таких сплавов с высокой температурой плавления, как чугун и сталь); сложность регулирования скорости потока расплава в форме, вызванная скоротечностью операции и динамическими процессами, происходящими в установке при заполнении ее камеры воздухом; возможность изменения свойств сплава при длительной выдержке его в печи установки.

Преимущества и недостатки способа определяют рациональную область его применения. Основную долю продукции литья под низким давлением составляют отливки из алюминиевых сплавов. Реже этим способом изготовляют отливки из медных сплавов, стали и чугуна, в том числе высокопрочного с толщиной стенки до 3 мм (в песчаную форму). Минимальная толщина стенок отливок из алюминиевых сплавов, полученных этим способом, равна 1,5 мм, средняя толщина для крупных отливок – 3 – 6 мм. Для медных сплавов минимальная толщина стенок отливок – 3 мм. Характерную номенклатуру отливок, полученных литьем под низким давлением, составляют:

  • отливки, к которым предъявляются повышенные требования по плотности, герметичности и прочности (рабочие колеса и другие детали гидравлических устройств, корпусные детали лодочных моторов, диски автомобильных колес, другие силовые детали);
  • протяженные тонкостенные отливки, для которых при гравитацион-ной заливке трудно обеспечить заполнение формы (оболочковые и корпусные отливки, роторы электродвигателей, выпускные коллекторы и др.),
  • разностенные отливки с одним или несколькими тепловыми узлами, питание которых может быть обеспечено одним или несколькими металлопроводами (блоки и крышки цилиндров, картер маховика и др.).

В крупносерийном и массовом производстве часть отливок производят на специализированных установках для изготовления одной или однотипных деталей. При этом динамические характеристики системы изменяются незначительно, и процесс литья становится более устойчивым.

Особенности формирования отливки при литье под низким давлением

Заполнение форм расплавом при этом способе литья может осуществляться со скоростями потока, которые можно регулировать. Для получения качественных отливок предпочтительно заполнять форму сплошным потоком при скоростях, обеспечивающих последовательное заполнение формы, исключающее захват воздуха расплавом, образование в отливках газовых раковин, попадание в них оксидных плен и неметаллических включений. Однако неизбежное при этом уменьшение скорости потока, необходимое для сохранения его сплошности, сопряжено с возможностью преждевременного охлаждения и затвердевания расплава, т.е. с процессами, недопустимыми в период до полного заполнения формы. Поэтому, как и в других литейных процессах, при литье под низшим давлением важно согласование гидравлических и тепловых режимов заполнения формы расплавом.

Литье алюминия под низким давлением

  • Услуги
    • Технологическое проектирование
    • Проектирование оборудования
    • Разработка нестандартного оборудования
    • Конструкторские работы
    • Автоматизация и механизация производства
    • Лазерная обработка
    • Калибровка средств измерений
    • Услуги производственного центра
    • Электромонтажные работы
  • Продукция
    • Оборудование для нефтегазовой отрасли
    • Оборудование для трубопрокатной промышленности
    • Машины литья под низким давлением (ЛНД)
    • Сельскохозяйственное оборудование
    • Элеватор ковшовый обезвоживающий-аналог ЭО6С
    • Установка гидроиспытаний труб
    • Сборочно-сварочные стенды
    • Закалочный комплекс
    • Линия обработки алюминиевых бурильных труб
    • Линия мойки
  • Гидроэнергетика
  • Заказчики
  • Партнеры
  • О нас
    • Об институте
    • Руководство
    • Вакансии
    • Сертификаты
    • Статьи
  • Новости
  • Контакты

    Машины литья под низким давлением (ЛНД)

    Машины литья под низким давлением

    К концу 1980-х годов в институте была разработана технология и оборудование литья под низким давлением из алюминиевых сплавов, обеспечивающие стабильное качество отливок при минимальных затратах. За прошедшие годы были разработаны и внедрены технологии изготовления более 100 единиц сложных и особо сложных отливок массой от 0,5 до 200 кг на 14 заводах России. Установки были поставлены во Вьетнам и Иран.

    Институт был и остается единственным в России разработчиком и производителем такого оборудования.

    Созданные машины отличаются универсальностью и способностью к переналадке.

    “УРАЛНИТИ” проводит весь цикл подготовки производства заготовок методом ЛНД:

    • отработка технологичности конструкции детали;
    • разработка проекта оснастки и ее изготовление;
    • отработка технологии;
    • изготовление партии деталей;
    • запуск изготовления заготовок на производстве заказчика

    Технология и оборудование для литья под низким давлением

    Литье под низким давлением — один из наиболее прогрессивных способов литья, позволяющий получать высококачественные литые заготовки.

    Сущность метода заключается в том, что на жидкий металл, находящийся в герметическом тигле, подается избыточное давление (1,0 атм), под воздействием которого металл по металлопроводу поднимается вверх и заполняет полость литейной формы.

    ООО «УРАЛНИТИ» разработана технология изготовления наиболее сложных и ответственных отливок различного габарита (картера и детали трансмиссии гусеничных машин, колеса гидротрансформаторов, мотоблоки, картера и корпуса для транспортных машин, крыльчатки, направляющие, поршни, головки цилиндров и т.д.) и создана гамма высокопроизводительных и быстродействующих машин (более 10 типов) литья под низким давлением (ЛНД), позволяющих изготавливать из алюминиевых сплавов мелкие, средние, крупные и особо крупные отливки развесом от 0.5 до 200 кг.

    Созданные машины позволяют полностью механизировать процесс получения литой заготовки, начиная от закрытия металлической формы и заполнения ее металлом, заканчивая извлечением отливки и укладки ее в тару.

    Разработанные и изготовленные институтом машины ЛНД успешно работают на многих заводах Российской Федерации, на которых изготавливаются вышеуказанные детали (ОАО «Курганмашзавод», ГУП ПО «Уралвагонзавод» и т. д.).

    Применение технологии изготовления отливок литьем под низким давлением на разработанных институтом машинах позволяет:

    • поднять коэффициент использования металла до 0,8-0,85; выход годного — 90%; снизить брак по пористости и повысить механические свойства отливок в сравнении с кокильным на 10…15%;
    • получать тонкостенные и толстостенные отливки различной протяженности благодаря возможности регулирования в широких пределах (от 10 мм/сек до 400 мм/сек) скорость заполнения формы металлом;
    • полностью механизировать процесс получения отливок любой сложности и габаритов, что обеспечивается наличием вертикального и горизонтального разъемов на машине мелкого и среднего литья, двух вертикальных и одного горизонтального — на машинах крупного литья, вертикального и горизонтального разъемов и выкатного стола (последний выкатывает поддон вне зоны кокильного станка, давая возможность любым грузоподъемным устройством удалять отливку из кокиля, и позволяет, при наличии песчаных стержней, их удобно устанавливать в поддон) на машинах особо крупного литья.
    • наличие на машинах ЛНД резервных золотников обеспечивает механизированное извлечение металлических стержней технологическими гидроцилиндрами.
    • качественно производить рафинирование и модифицирование металла, удобно счищать шлак, что обеспечивается наличием на машинах выкатных тигельных и набивных электропечей.

    Машины ЛНД легко встраиваются в действующие литейные цехи из-за их малых габаритов и простоты изготовления. Машины надежны в эксплуатации.

    Установка для литья алюминиевых сплавов под низким давлением

    Создано 15 типоразмеров высокопроизводительных машин литья под низким давлением, которые позволяют изготавливать широкую номенклатуру заготовок сложного профиля из алюминиевых сплавов с массой от 0,5 кг. до 200 кг.

    • Коэффициент использования металла — 0,8;
    • Выход годного литья от 85 до 95 %;

    Установки внедрены на ОАО «Курганмашзавод», ОАО НПК «УВЗ», ФГУП «Верхнетуринский машиностроительный завод». Также установка работает в ООО «УРАЛНИТИ».
    2008-2012 гг. – 5 наименований корпусов сделано для ОАО «Уральский приборостроительный завод» .

    Машина стержневая МС1

    Машина литья под низким давлением модели 214

    Машина модели МС1 является универсальной, предназначенной для работы в литейных цехах с мелкосерийным, серийным и массовым производствами, предназначена для изготовления стержней «палочка» методом экструзии диаметром от 20 до 40 мм. Машина состоит из системы сменных выталкивателей и формообразующих втулок, редуктора, электродвигателя, бункера, приемного регулируемого столика. По желанию заказчика комплектуется необходимым количеством драйеров.

    Машина модели 214 является универсальной, предназначенной для работы в литейных цехах с мелкосерийным, серийным и массовым производствами по изготовлению алюминиевых отливок размером от 0.5 до 30 кг.

    Машина литья под низким давлением модели 322

    Машина литья под низким давлением модели 280

    Машина модели 322 является универсальной, предназначенной для работы в литейных цехах с мелкосерийным, серийным и массовым производствами по изготовлению алюминиевых отливок размером от 10,0 до 80,0 кг. Машина состоит из кокильного станка с вертикальным и горизонтальными разъемами; пульта управления, позволяющего в полуавтоматическом цикле управлять всем процессом; специальной выкатной электропечи; гидростанции и пневмогидроаппаратуры.

    Машина модели 280 является универсальной, предназначенной для работы в литейных цехах с мелкосерийным, серийным и массовым производствами по изготовлению алюминиевых отливок размером от 0,5 до 30,0 кг. Машина состоит из кокильного станка с вертикальным и горизонтальными разъемами; пульта управления, позволяющего в полуавтоматическом цикле управлять всем процессом; специальной выкатной электропечи; гидростанции и пневмогидроаппаратуры.

    Литье при низком давлении: технологический процесс, преимущества, недостатки

    Пн, 21 Декабрь 2009 | Тема: Технологии

    Литье при низком давлении (Low-Pressure Injection Molding) — это один из вариантов оптимизации традиционной технологии литья под давлением. Она включает в себя целую серию усовершенствований, которые позволяют поддерживать давление впрыска (а следовательно, усилие смыкания формы) на предельно низких значениях. К основным преимуществам литья низкого давления следует отнести снижение требований к величине усилия смыкания формы, более дешевые литьевые формы и снижение усилия при литьевом прессовании. Оно также способствует уменьшению себестоимости изделий, если используется литье с декорированием в форме.

    Описание технологического процесса

    Положительный результат в процессе литья при низком давлении достигается за счет правильного управления частотой вращения шнека и противодавлением пластикации для управления температурным профилем расплава в дозе впрыска, а также за счет точной регулировки скорости впрыска и давления. Это позволяет поддерживать их на достаточно низком уровне и управлять скоростью перемещения фронта расплава при заполнении. При этом используются впускные литники обычного размера, а также пленочные литники и/или запирающиеся сопла ГКС, которые открываются последовательно, в зависимости от объема дозы впрыска, за счет этого уменьшается длина пути течения расплава, а это, в свою очередь, устраняет опасность возникновения линий спая. Стадия подпитки становится ненужной при условии впрыска точно рассчитанной дозы расплава без вытекания.

    С помощью современной электроники и гидравлики, которыми управляет компьютер, технологический процесс может поддерживать плотный постоянный фронт расплава при небольшом давлении.

    Управление температурным профилем дозы впрыска

    Почти все тепло, необходимое для заполнения формы, поступает от пластикации, что является следствием небольшой скорости впрыска и нормального размера впускного литника. Это отличается от обычного литья под давлением, в котором существенная доля тепловой энергии генерируется за счет сил вязкого трения. Управление температурным профилем дозы впрыска осуществляется за счет изменения частоты вращения шнека и противодавления на конце шнека во время стадии пластикации. Следует заметить, что эффективное соотношение длина/диаметр (L/D) шнека уменьшается (при длине хода от 1 до 5 диаметров), когда шнек отходит назад для подготовки дозы впрыска. Для того чтобы скомпенсировать изменяющуюся длину пластикации шнека, улучшить смешение и увеличить сдвиговые напряжения, используется электрогидравлическое устройство увеличения противодавления на конце шнека. Частота вращения шнека также имеет временной профиль (рис. 1).

    Рис.1 Типичные кривые изменения для частоты вращения шнека (об/мин), обратного давления, скорости впрыска и давления впрыска в процессе литья при низком давлении

    Управление давлением и скоростью впрыска

    Профиль изменения давления впрыска устанавливается таким образом, чтобы управлять впрыском в процессе заполнения формы. Как показано на рис. 1, начальная скорость впрыска невелика, чтобы гарантировать равномерную скорость течения в литьевой форме. После поступления расплава в формующую полость скорость устанавливается таким образом, чтобы фронт расплава перемещался с одинаковой скоростью во время всей стадии впрыска. Профиль изменения давления в общем случае выглядит в виде перевернутой буквы U (рис. 2). Это понижает быстрый рост давления, который обычно наблюдается в традиционном литье под давлением.

    Материал затвердевает практически мгновенно, как только соприкасается с холодной стенкой литьевой формы. Скорость фронта расплава определяет усилие, которое создается потоком, а также степень ориентации молекул и волокон в зонах вблизи поверхности изделия. Изменение ориентации внутри изделия из-за изменения скорости фронта расплава в процессе заполнения формы приводит к различной усадке и деформации изделия. Поэтому желательно поддерживать скорость перемещения фронта расплава постоянной, чтобы создавать одинаковую ориентацию молекул и волокон во всем изделии.

    Рис.2 Передняя часть бампера, изготовленная методом управления многоточечным объемным впрыском

    Точное управление дозой впрыска без стадии уплотнения

    Литье при низком давлении не создает высокого давления на стадиях уплотнения и выдержки, как это происходит в традиционном литье под давлением. Поэтому установка точного объема дозы впрыска очень важна. Так как впускной литник не застывает после полного завершения процесса заполнения формующей полости, то возможна некоторая компенсация термической усадки и нет необходимости для уплотнения и выдержки под высоким давлением. Очевидно, что раковины и утяжины будут возникать в зонах наибольшей толщины изделия, на выступах и в других подобных местах, пока не завершена компенсация объемной усадки полимера. Есть данные, что литье при низком давлении в общем случае позволяет использовать расплавленный материал при более низкой температуре. Это обещает относительно одинаковые времена цикла, даже если заполнение полости происходит медленнее.

    Многопозиционная литьевая машина Требования к технологическому процессу литья при низком давлении позволяют использовать менее дорогое оборудование с меньшим усилием смыкания. Поскольку величина усилия смыкания здесь для литья большинства изделий в 3-4 раза меньше, чем в традиционной технологии, то вместо стальных форм можно использовать алюминиевые. Кроме того, устройства и программные средства управления дают возможность с помощью одного узла впрыска обслуживать несколько позиций с литьевыми формами, которые предназначаются для выпуска разных по размеру, форме, весу и конфигурации изделий.

    Управление многоточечным объемным впрыском Управление многоточечным объемным впрыском ( Multi-Point Volumetric Injection Control™ ) оптимизирует заполнение литьевых форм в выбранных критических точках для литья крупногабаритных изделий и при использовании материалов с высокой вязкостью за счет последовательного открывания и закрывания запирающихся сопел ГКС. Время открывания и закрывания определяется по измерению объема впрыска вместо стандартной схемы переключения по времени в других каскадных впрысках (или последовательному управлению соплами ГКС). Преимуществом определения времени переключения по объему впрыска заключается в том, что процесс переключения горячих каналов всегда связан с текущей стадией заполнения вне зависимости от изменений скорости, необходимой для данного технологического процесса. В качестве примера на рис. 2 показано заполнение литьевой формы при изготовлении передней части бампера.

    Сначала полимер впрыскивается через центральный впускной литник (коллектор ГКС). После того как поток полимера доходит до двух следующих впускных литников (сопел), происходит их открывание, центральный впускной литник на короткое время закрывается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока формующая полость не будет заполнена полностью. Очевидно, что использование многовпусковой литниковой системы будет уменьшать длину пути течения расплава, таким образом снижая требования к давлению впрыска. Кроме того, последовательное открывание и закрывание впускных литников устраняет опасность возникновения линий спая. Если необходимо, то скорость впрыска расплава может быть отрегулирована последовательно для каждого из мест впуска. В тех случаях, когда необходимо давление уплотнения, все впускные литники могут быть открыты вновь в конце стадии впрыска.

    Литье на подложку

    Этот процесс включает в себя предварительную установку слоев ткани, пленки или других материалов внутрь формы перед литьем для формирования слоистой структуры. Включение ткани или пленки создает дополнительный изолирующий слой; это вынуждает впрыскивать расплав при меньшей скорости, чтобы избежать повреждения или смещения подложки.

    Литье на подложку считается одним из наиболее удачных вариантов литья при низком давлении, поскольку оно исключает необходимость использования многослойных тканей и специального клея. Исследование показало, что процесс литья на подложку, который состоит из одного цикла, приводит к уменьшению веса изделия (до 12%) и к экономии по себестоимости (64%) по сравнению с обычным методом приклеивания ткани.

    Технология литья при низком давлении имеет следующие преимущества:

    • снижение требований к усилию смыкания литьевой формы, что позволяет использовать более дешевые формы;

    • достижение меньших внутренних напряжений в готовом изделии и улучшение его потребительских свойств;

    • возможность совмещения с другими литьевыми технологиями (например, с литьем на подложку);

    • возможность производства изделий большого размера при экономии сырья от 5 до 8%;

    • возможность снижения температуры расплава и сокращения общего времени цикла;

    • возможность уменьшения давления во впускных литниках и формующей полости формы;

    • возможность сокращения затрат на дополнительную обработку изделий и на весь процесс производства.

    Поскольку применение литья при низком давлении в различных технологиях при водит к снижению давления впрыска, то этот процесс не предвещает неблагоприятных эффектов.

    Для литья при низком давлении успешно используется большая гамма материалов, а именно: термопластичные и термореактивные материалы, сополимеры и смеси материалов с наполнителем, вторичное сырье и даже каучуки. На практике чаще всего используется ПП из-за его низкой стоимости и хороших физических и механических характеристик. Существует большое количество тканей и пленок, которые могут быть использованы в литье с наслоением. Для материалов с волоконными наполнителями обычный размер впускного литника снижает вероятность повреждения волокон.

    Типичные варианты применения

    Кроме уже упомянутых изделий технология литья при низком давлении используется для изготовления разнообразных автомобильных компонентов — от приборных досок, консолей, панелей интерьера, накладок порогов дверей и козырьков до колпаков фар, обшивки потолка салона, бамперов и драпировки. К другим областям применения относятся контейнеры для перевозки строительных материалов, грузовые поддоны, корпуса бытовой техники, оборудование для ванных комнат и строительные панели. К крупным изделиям относятся кабины грузовых автомобилей и корпуса лодок.

    Технологии [154] Изделия [78]
    Оборудование [42] Сырье [112]
    Обзоры рынков [181] Интервью [96]
    Репортаж [25] Все статьи

    Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник

    Редакция оплачивает на договорной основе
    технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
    и другую отраслевую информацию и права не ее размещение

    Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!

    По вопросам публикации и оплаты статей обращайтесь в редакцию:
    Тел: +7 (499) 490-77-79
    Прислать сообщение

    Литье алюминия под низким давлением

    Низкое давление: 2 бар

    Литье под низким давлением является хорошо известным литейным процессом. В частности, большинство алюминиевых колесных дисков изготавливают именно методом литья под низким давлением. В отличие от литья под высоким давлением этот способ применяет давления всего лишь около 2 бар.

    Рисунок 1 – Схема технологии литья алюминия под низким давлением

    Наполнение литейной формы ускоряют с помощью путем подачи в раздаточную печь сжатого воздуха. Расплав подают снизу вверх по прибыльной трубе, которая погружена в глубину расплава. Это обеспечивает плавное наполнение литейной формы и чистоту расплава. После того, как литейная форма заполнилась, с противоположной стороны от прибыльной части начинается затвердевание металла. Регулированием давления воздуха в раздаточной печи обеспечивают полное заполнение литейной формы. Цикл литья довольно длинный из-за того, что отливка течение всего времени затвердевания связана через прибыльную трубу с большим объемом расплава в печи.

    Литье автомобильных деталей под низким давлением

    Литьем под низким давлением отливают, например, большие V-образные блоки цилиндров автомобильных двигателей из заэвтектических алюминиевых сплавов, а также головки цилиндров двигателей мотоциклов.

    Рисунок 2 – Алюминиевая головка цилиндра,
    отлитая методом литья под низким давлением

    Рисунок 3 – Алюминиевый колесный диск фирмы BBС,
    изготовленный методом литья под низким давлением

    Рисунок 4 – Алюминиевый V-образный блок цилиндров,
    отлитый методом литья под низким давлением

    Машина для литья под низким давлением

    Литейная форма обычно имеет каналы, через которые пропускают воду или сжатый воздух. Это дает возможность управлять температурными условиями охлаждения в ходе затвердевания металла.

    Направленное затвердевание и повышенное давление обеспечивают малые объемы прибыльной части отливки, а, значит, меньше металла идет в переплав отходов. При обычном, гравитационном литье в кокиль выход годного может составлять лишь 50 %, а при литье под низким давлением он составляет около 90 %. Этот эффект показан на рисунках 5 и 6: при литье под давлением прибыльная часть намного меньше, чем при литье в кокиль.

    Рисунок 5 – Алюминиевый колесный диск,
    изготовленный литьем под низким давлением.
    В центре ступицы видна небольшая прибыль.

    Рисунок 6 – Алюминиевый колесный диск,
    изготовленный литьем в кокиль.
    В центре ступицы и на ободе видны большие прибыльные части.

    Машина литья под низким давлением включает:

    • герметичную раздаточную печь,
    • оборудование для подачи и контроля сжатого воздуха,
    • гидравлический манипулятор для установки и снятия литейных форм.

    Обычно машина для литья под низким давлением работает с одной литейной формой.

    Рисунок 7 – Машина для литья алюминиевых сплавов
    под низким давлением с раздаточной печью

    Литье алюминия под низким давлением

    Сущность литья под низким давлением (ЛНД) как разновидности литья под регулируемым давлением заключается в том, что заполнение полости формы расплавом и затвердевание отливки происходит под действием избыточного давления воздуха или инертного газа. При этом для подъема расплава и заполнения формы требуемое избыточное давление менее 0.1 МПа, чем и объясняется использование термина «низкое давление»:


    При ЛНД отливку изготавливают в кокиле, песчаной или комбинированной форме (кокиль и пес­чаные стержни), а также в керамической или оболочковой форме.

    Технология ЛНД позволяет провести заполнение формы для протяженных тонкостенных отливок, в широких пределах регулировать скорость заполнения формы расплавом, изменять продолжительность заполнения отдельных участков формы отливок сложной конфигурации с переменной толщиной стенки с целью управления процессом теплообмена между расплавом и формой, добиваясь рациональной последовательности затвердевания отдельных частей отливки.

    Основными преимуществами процесса ЛНД являются: автоматизация трудоемкой операции заливки формы; возможность регулирования скорости потока расплава в полости формы изменением давления в камере установки; улучшение питания отливки; снижение расхода металла на литниковую систему.

    Основные недостатки: невысокая стойкость части металлопровода, погруженной в расплав, что затрудняет использование способа литья для сплавов с высокой температурой плавления; сложность системы регулирования скорости потока расплава в форме, вызванная динамическими процессами, происходящими в установке при заполнении ее камеры воздухом, нестабильностью утечек воздуха через уплотнения, понижением уровня расплава в установке по мере изготовления отливок; возможность ухудшения качества сплава при длительной выдержке в тигле установки; сложность эксплуатации и наладки установок.

    Преимущества и недостатки способа определяют рациональную область его применения и перспективы использования. Литье под низким давлением наиболее широко применяют для изготовления сложных фасонных и особенно тонкостенных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов в автомобилестроении, авиа- и космической промышленности, простых отливок из медных сплавов и сталей в серийном и массовом производстве.

    Примеры отливок, изготавливаемых ЛНД

    Одним из лидеров в области производства отливок методом ЛНД в нашей стране является предприятие ОАО «ВМП «АВИТЕК» г. Киров — старейшее авиационное предприятие России, которое выпускает зенитные управляемые ракеты, уникальные катапультные кресла для боевых самолетов, грузоподъемные механизмы и системы для авиации, а также большой спектр товаров народного потребления и гражданской продукции. Предприятие работает по замкнутому производственному циклу, начиная с литейного и кузнечно-прессового производства и заканчивая сборкой готовых изделий и их испытанием. Сегодня гордостью предприятия является Литейно-технологический центр по изготовлению высококачественных отливок оборонного, авиационного и гражданского назначения для предприятий, входящих в состав Концерна ПВО «Алмаз-Антей» и сторонних организаций. Литейно-технологический центр оснащен самым современным программным обеспечением и оборудованием для изготовления литейных форм и заливки металла, причем весь процесс разработки технологии литья и ее реализации «в металле» завязан в единую цепочку сквозного проектирования:

    Сквозная цепочка проектирования литейной технологии, внедренная на предприятии

    В центре данной цепочки стоит система автоматизированного моделирования литейных процессов (САМ ЛП) LVMFlow CV, предназначенная для проведения анализа литейной технологии и ее корректировки в кратчайшие сроки. САМ ЛП LVMFlow CV основана на методе контролируемого объема (МКО) и позволяет:

    • проследить заполнение формы металлом
    • рассчитать температурные поля отливки и формы
    • произвести расчет поля жидкой фазы
    • рассчитать поле скоростей
    • рассчитать конвективные потоки
    • рассчитать поле давлений
    • оценить возможные дефекты в отливке
    • рассчитать напряжения и деформацию отливки
    • оценить работу фильтров
    • учесть многократное использование формы
    • разработать технологию ЛПД
    • рассчитать размеры прибылей и литниковой системы
    • учесть поведение газа в полости формы при заполнении
    • прогнозировать захват воздуха в процессе заливки
    • подобрать размеры изо- и экзотермических оболочек для прибылей

    Сложность и специфичность процесса ЛНД приводят к тому, что уже на этапе разработки литейной технологии инженер-литейщик сталкивается со следующими трудностями:

    • выбор оптимальной литниково-питающей системы (ЛПС)
    • выбор температуры заливки
    • выбор оптимальной скорости течения расплава
    • предотвращение колебания скоростей потока в процессе заливки
    • подбор статического давления и времени выдержки при нем по окончании заливки формы
    • предотвращение механического пригара
    • конструирование вентиляционной системы

    При разработке литейной технологии классическим методом «проб и ошибок» решение технологических трудностей, описанных выше, существенно замедляет процесс освоения нового изделия и в силу специфичности способа ЛНД несет с собой большие материальные затраты. В связи с этим на предприятии была поставлена задача ускорения процесса разработки литейной технологии и выбран способ ее решения – компьютерное моделирование. Предприятием протестировано несколько программ компьютерного моделирования литейных процессов. Самым удобным инструментом для решения этой задачи является САМ ЛП LVMFlow CV, в которой специально для этого была реализована опция литья под низким давлением, позволяющая ускорить разработку оптимальной ЛПС, выбрать скорость заливки и статическое давление, подобрать температуру заливки, сконструировать вентиляционную систему формы и др.

    Сущность внедренной на производстве цепочки проектирования технологии и изготовления отливок, представленной на рис. 3, состоит в следующем.

    При поступлении нового заказа на литье исходным заданием является двумерный чертеж литой детали. Разработка литейной технологии начинается традиционным способом – исходя из опыта и знаний в области литейного производства, инженер-технолог разрабатывает ЛПС непосредственно на чертеже отливки, подбирает рекомендуемые технологические параметры литья и т.д. Затем, используя систему твердотельного моделирования SolidWorks, воспроизводит разработанную ЛПС в виде 3D-модели:

    3D-модель отливки, изготавливаемой методом литья под низким давлением

    Имея 3D-модель отливки с ЛПС и технологические данные, необходимые для ее изготовления методом ЛНД, в САМ ЛП LVMFlow CV производится компьютерное моделирование заливки формы, затвердевания и охлаждения отливки. При этом LVMFlow CV учитывает большое количество технологических особенностей ЛНД, таких как:

    • конфигурация и емкость тигля
    • размеры металлопровода
    • параметры «разгона» (поведение расплава в металлопроводе до начала заливки)
    • конфигурация диаграммы «давление-время»
    • статическое давление и время выдержки при нем после окончания заливки
    3D-модель отливки с ЛПС и расчетная сетка
    поле «Температура»
    поле «Жидкая фаза»
    поле «Скорости»
    поле «Усадка»

    на пульте управления установкой ЛНД

    По завершении данного этапа по результатам компьютерного моделирования делается вывод об эффективности разработанной технологии: если в отливке обнаружены литейные дефекты (раковины, пористость, трещины и т.д.), то необходимо произвести доработку технологии; если же в теле отливки дефекты отсутствуют, то инженер-конструктор-технолог переходит к следующему этапу: проектированию литейной формы.

    Этап проектирования литейной формы

    Используя проработанную в LVMFlow CV 3D-модель отливки с ЛПС, в конструкторской программе SolidWorks происходит разработка и конструирование литейной формы. Результатом данного этапа является трехмерная модель формы, которая передается на 3D-принтер.

    Общий вид принтера для трехмерной печати

    На 3D-принтере методом послойной трехмерной печати происходит изготовление составных частей формы (стержней), которые впоследствии собираются в стержневые пакеты.

    Готовый стержень, полученный на установке селективного отверждения

    После этого собранная форма подается на установку литья под низким давлением в песчаные формы фирмы KURTZ (производство Германия), где происходит заливка формы.

    установка литья под низким давлением фирмы KURTZ извлечение отливки из формы

    В итоге, отказ от метода «проб и ошибок» и переход к сквозной цепочки проектирования литейной технологии, акцентированной на математическом моделировании литейного процесса в LVMFlow CV, позволил получать на выходе бездефектные отливки с высокой вероятностью, что повысило качество выпускаемого литья. При этом достигается высокий экономический эффект, т.к. заливка пробных вариантов технологии на этапе ее разработки заменяется компьютерным моделированием. Высокая скорость расчета в LVMFlow CV позволила существенно сократить сроки освоения новых изделий.

    Литье под низким давлением

    Изготовление металлических предметов путем литья известно человечеству несколько тысячелетий. Все это время расплав стекал в форму под действием земного притяжения.

    В середине ХХ века был изобретен и запатентован новый метод литья, суть которого состоит в подаче расплава в форму и его остывания под низким избыточным давлением воздуха. Метод применяется для изготовления деталей из цветных металлов, их сплавов и пластмасс.

    Виды литья под давлением

    Литье металлов под низким давлением

    Литье под низким давлением завоевало заслуженную популярность в цветной металлургии. Большая часть деталей малых, средних и больших серий для многих отраслей промышленности получают этим способом.

    Установка для литья под низким давлением

    Традиционное литье цветных металлов и их сплавов сохраняет свои позиции при изготовлении украшений, скульптур и микросерийных изделий.

    Литье пластмасс под давлением

    Литье из пластмасс возникло практически сразу после внедрения метода литья из металлов и стало широко использоваться. 95 % всех деталей, получаемых из пластиков, изготавливаются способом литья. Разработано и широко применяется несколько способов литья из пластмасс:

    • Инжекционный. Наиболее употребляемый способ, характеризуется высоким давлением и скоростью впрыскивания материала в форму. Применяется для изделий сложной геометрии, с тонкими или толстыми стенками.
    • Интрузивный. Избыточное давление невысоко, первоначальный объем впрыскиваемого материала меньше объема формы. Материал продолжает расширяться в форме и заполняет ее. Применяется для отливок несложной формы и с низкой детализацией поверхности.
    • Инжекционно-прессовый. Используется для изделий с большой поверхностью. Давление на расплав, кроме усилия подачи, производится также и за счет смыкания частей формы.

    Литье под высоким давлением

    Метод применяется как в черной, так и в цветной металлургии и позволяет получать наиболее точные и однородные отливки. Метал под высоким напором поступает в форму со скоростью до 120 м/с. и мгновенно заполняет форму.

    Литье под высоким давлением

    Деталям, полученным литьем под давлением металлов, практически не требуется финишная механическая обработка. Таким методом можно отливать детали практически любой конфигурации, с тонкими стенками, с готовыми отверстиями и даже с готовой резьбой.

    Инжекционный метод от обычного литья под давлением тем, что металл попадает в матрицу в виде порошка, смешанного со связующим веществом. Формы делают из высокопрочных сталей. Высокая текучесть смеси позволяет заполнить мельчайшие детали рельефа форм самой сложной конфигурации, включающих внутренние полости.

    Инжекционное литье металлов

    Первичные или так называемые «зеленые» отливки подвергают температурному воздействию, вызывая спекание металлического порошка и удаляя связующие вещества. В результате получают конечные, или «коричневые» отливки. Достоинством этого метода является высокая точность поверхности, делающая ненужной дополнительную механическую обработку или сводящую ее к минимуму. Другим преимуществом является высочайшая физико-химическая однородность отливки, что обуславливает ее высокую прочность и низкий износ.

    Технология литья под низким давлением

    Установка для литья низкого давления это сложный и глубоко автоматизированный производственный комплекс, с самым низким количеством ручных операций.

    Комплекс находится в герметичной камере и включает в себя:

    • тигель для расплавления шихты;
    • опускаемый в тигель металлопровод;
    • форму с каналами подачи расплава и системой газоотведения;
    • трубопроводы для наддува воздуха или инертного газа;
    • автоматика регулирования температуры и давления.

    Избыточное низкое давление заставляет жидкий металл подниматься вверх по опущенному в расплав металлопроводу и заполнять собой все полости формы. По окончании заливки остатки металла стекают обратно в тигель и не расходуются впустую на заполнение литниковой системы. После остывания отливки до заданной температуры газы через системы фильтрации выпускают в атмосферу. Нахождение вредных для здоровья людей веществ внутри герметичного объема и их фильтрация улучшают условия труда и общую экологичность производства.

    Главными параметрами комплекса, определяющими производительность и производственные возможности, являются:

    • рабочий объем герметичной камеры;
    • площадь внутреннего сечения металлопровода;
    • максимальное давление;

    Особенности литья под давлением состоят в том, что по мере расходования расплава уровень его в тигле становится низким, соответственно увеличивается объем камеры и в ней снижается давление. Другой важной особенностью является возможность последовательного затвердевания отливки. Чтобы выдержать заданную скорость подачи расплава, необходима четкая работа систем автоматического поддержания ключевых параметров.

    Смазки для литья под давлением, кроме создания разделительного слоя и препятствования образованию задиров, должны также способствовать высокому качеству поверхности, обеспечивать низкое количество случаев облоя и нагара и увеличивать ресурс пресс-формы.

    Недостатки литья под низким давлением

    К сожалению, кроме достоинств, методу низкого давления свойственен и ряд недостатков:

    Характеристики литья под низким давлением

    • Низкий ресурс металлопровода, контактирующего с жидким металлом. Это мешает применять метод для тугоплавких металлов и их сплавов.
    • Сложность управления скоростью потока.
    • Снижение уровня расплава в установке по ходу заливки его в формы.
    • Достижение низких физико-химических свойств сплава из-за долгого пребывания в тигле. Это может привести к дефектам литья под давлением.
    • Общая сложность наладки и использования системы.

    Участок литья под низким давлением

    Недостатки метода с лихвой окупаются его преимуществами:

    • Автоматизация заливки металла.
    • Низкая трудоемкости заливки, особенно важна автоматизация работ во вредных условиях труда.
    • Возможность управлять скоростью истечения расплава, оперируя наддувом воздуха или нейтрального газа. Это позволяет повысить заполняемость форм для отливки тонкостенных изделий.
    • Повышение качества отливок за счет повышения однородности изделия.
    • Экономия использования металла от 30% до 3 раз. Достигается за счет возврата жидкого расплава в тигель.

    Исходя из финансовых исследований, в среднем по отрасли инвестиции в переход на метод литья под низким давлением возвращаются за полгода — год.

    Формы для литья под давлением

    Популярны среди производителей металлические формы, или кокили. Их делают из жаропрочного чугуна или стали, металлопровод — из титанового сплава. Кокили для небольших деталей изготовляют методом отливки или, если нужна большая точность — путем фрезерования. Особое внимание необходимо уделять точности совпадения частей кокилей, поскольку им придется выдерживать повышенное давление. Литье в кокили применяют для производства серийных отливок. Стальные и чугунные формы выдерживают до 300 рабочих циклов. Весьма важно периодически проверять состояние кокилей, чтобы свести к минимуму риск брака или даже повреждения оборудования вследствие разрушения формы.

    Форма для литья под давлением

    Применяют также и одноразовые формы на основе песчано-глиняных смесей, керамические и гипсовые. Для литья деталей сложной конфигурации, в том числе с внутренними полостями, применяют традиционные стержневые системы. Стержни должны быть высокопрочными, чтобы успешно противостоять деформациям при наполнении формы расплавом. Формовочные смеси должны обязательно иметь низкую сопротивляемость прохождению газов, чтобы обеспечить своевременное их отведение и добиться низкого уровня дефектов литья.

    Электрическое оборудование для литья под давлением преимущества и недостатки

    К электрооборудованию для литья под низким давлением, прежде всего, относятся плавильные печи, предназначенные для нагрева тигля. Они монтируются на стальных рамах и снабжены нагревательными спиралями из высокоомных сплавов, заключенными в керамические трубки. Печь также оборудована датчиками температуры и системой регулирования нагрева.

    Машина для литья под давлением

    Основным преимуществом электрической печи перед газовыми или мазутными печами являются

    • простота конструкции;
    • легкость регулировки;
    • простота подключения к системам автоматике;
    • низкая пожароопасность.

    В качестве недостатка можно отметить высокую по сравнению с топливными печами стоимость ресурса в расчете на ту же массу расплавляемого металла. Разница становится заметной при больших партиях и соответственно при большой суммарной массе отливок.

    Система нагнетания воздуха (или инертного газа) обычно делается электрической.

    Общая тенденция в производстве оборудования

    Применение литья металлов под давлением

    Преимущества метода обуславливают его широкое применение на предприятиях самого разного профиля.

    Большое число хорошо зарекомендовавших себя на рынке производителей предлагают литейные комплексы под ключ и предоставляют услуги по монтажу, наладке и обслуживанию оборудования, а также по обучению персонала.

    Аэрокосмическая область применения литья под давлением

    Литье под низким давлением применяют в следующих отраслях:

    • Аэрокосмическая. Детали самолетов и космической техники.
    • Автостроительная. Блоки цилиндров, корпуса и детали карбюраторов, масляных и топливных насосов, гидравлики, кондиционеров и т.п.
    • Производство бытовой техники. Рамы и корпуса, детали и агрегаты.
    • Приборостроение. Корпуса и шасси.
    • Отопительные приборы.
    • Производство компьютерной техники и смартфонов.

    Сфера применения метода постоянно расширяется по мере совершенствования технологии и технического перевооружения действующих предприятий.

    Новые предприятия цветной металлургии во многих странах мира оснащаются преимущественно комплексами литья под низким давлением.