Оборудование для литья под давлением

Что такое литье под давлением

При литье под давлением металлический сплав в жидком или твердожидком состоянии подается в камеру прессования специальной машины, откуда под давлением 20. . .250 МПа, создаваемым перемещающимся в этой камере поршнем, со скоростью от 1 до 60 м/с через тонкий (0,1. . . 0,3 мм) щелевой питатель заполняет полость подогретой и смазанной пресс- формы и затвердевает в ней При раскрытии пресс-формы отливка выталкивается.

Литьем под давлением можно получать сложные (например, корпус карбюратора автомобиля, блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания) тонкостенные (до 1 мм) отливки с мелкими (диаметром до 1 мм) длинными отверстиями, с готовой резьбой, надписями, рельефом, накаткой, с шероховатостью поверхности не хуже Ra = 2,5, с точностью размеров до 9-го квалитета, с припусками на обработку резанием 0,3. . . 0,5 мм из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов в течение 0,08. . . 0,7 мин.

Впервые литье под давлением было применено Г. Бруссом в 7 г. при изготовлении литер для набора форм высокой печати в полиграфии. В 8 г. был получен первый патент на поршневую машину для заливки металла под давлением. В машиностроении литье под давлением начали применять с 1849 г. для производства мелких деталей из оловянно-свинцовых сплавов. Машина конструкции В. Стуржиса, используемая для этих целей, имела ручной поршневой привод, с помощью которого в камере прессования, расположенной внутри тигля с расплавленным металлом, создавалось давление 100. . .150 Па. В 60-х гг. XIX в. литье под давлением стали применять для изготовления отливок из сплавов на цинковой основе. Для повышения производительности ручной привод в поршневых машинах заменили пневматическим В конце XIX в были сделаны попытки использовать при литье под давлением алюминиевые, а затем и медные сплавы.

В 1924 г. специалисты фирм Ekkert (Германия) и Polak (Чехословакия) сконструировали и изготовили машины с холодной вертикальной камерой прессования.

В СССР промышленное освоение литья под давлением началось в 1920-е гг. В 1923 г. А. Ф. Дурниенко в Москве, а в 1925 г. инженер Б.Ю. Юнгмейстер в Ленинграде организовали первые производства отливок под давлением. В 8 г. в СССР были выпущены серии машин ОВП с холодной камерой, расположенной непосредственно в пресс-форме. В 9 г. на заводе «Красная Пресня» изготовили машину модели ЛД-7 с вертикальной камерой прессования.

1. Виды оборудования для литья под высоким давлением

Машины для литья под давлением бывают с горячей (поршневые и компрессорные) или с холодной (поршневые) камерой прессования. Поршневые машины могут иметь вертикальную или горизонтальную камеру прессования. Получили распространение три схемы и, соответственно, три типа машин литья под давлением:

• с холодной горизонтальной камерой прессования;
• с холодной вертикальной камерой прессования;
• с горячей вертикальной камерой прессования.

Рис. 1. Схема литья под давлением на машинах с холодной горизонтальной камерой: а — заливка металла в камеру прессования; б — заполнение металлом пресс- формы; в — разъединение половин пресс-формы; г — выталкивание отливки

В машинах с холодной горизонтальной камерой (рис. 1) пресс-форма состоит из неподвижной 6 и подвижной 4 полуформ. Первая прикреплена к неподвижной плите 7 машины, а вторая — к подвижной плите 1. Пресс-формы могут иметь каналы 5 для водяного охлаждения. Стержни 3 (металлические) для образования полостей и отверстий в отливках находятся, как правило, в подвижной полуформе. Для извлечения отливки из формы предусмотрены выталкиватели 2, которые жестко закреплены в плите выталкивателей.

Запорный механизм машины надежно прижимает подвижную полуформу к неподвижной, после чего в цилиндр 8, называемый камерой прессования, через отверстие 13 заливают порцию сплава и включают механизм прессования. Плунжер 9 перекрывает заливочное отверстие и создает давление в камере Сплав через литниковую щель заполняет полость пресс-формы и затвердевает.

Как только отливка затвердеет, подвижную часть пресс-формы вместе с отливкой отводят Вместе с подвижной частью формы движется плунжер 9, который из камеры прессования выталкивает пресс-остаток 10. Плита толкателей перемещается вместе с пресс- формой до упора 11. Упор останавливает плиту толкателей, а пресс- форма продолжает перемещаться. Выталкиватели «снимают» отливку 12 со стержня 3, и она падает на транспортер или в контейнер. Пресс-форму обдувают сжатым воздухом, смазывают рабочую поверхность, закрывают, и процесс повторяется.

На станине 1 машины с холодной горизонтальной камерой прессования моделей 711А06. . . 71119 (рис. 2) по направляющим 3 под действием самотормозящей рычажной системы 4, приводимой в действие гидравлическим цилиндром 2, перемещается подвижная плита 6 с гидровыталкивателем 5. На этой плите устанавливается подвижная часть пресс-формы 7. Неподвижная часть пресс-формы 8 устанавливается на неподвижной плите 9 с камерой прессования 10, куда заливается порция сплава, загоняемая в пресс-форму пресс- поршнем цилиндра 11.

Рис. 2. Схема машины литья под давлением с горизонтальной холодной камерой прессования

Механизм запирания пресс-формы должен обеспечивать ее надежное удержание в замкнутом состоянии Усилие запирания машин с холодной горизонтальной камерой прессования 1000. . .35 000 кН. Часто механизм запирания построен на основе мощных рычажных самотормозящих систем.

На рис. 3 показана машина модели 711А08 с холодной горизонтальной камерой прессования с усилием запирания пресс-формы 2500 кН. Она имеет ход подвижной плиты 450 мм и массу заливаемой порции алюминиевого сплава 4,7 кг Наибольшая скорость холостого хода прессующего плунжера не менее 5 м/с.

Рис. 3. Машина литья под давлением модели 711А08

В конструкции машины предусмотрена возможность подключения автоматического манипулятора для заливки металла, манипуляторов для смазки пресс-формы и снятия отливок, устройств для контроля извлечения отливок и смазки пресс-плунжера, а также управления стержнями, установленными на подвижной и неподвижной полуформах, по заданной программе. Система управления выполняется на релейной элементной базе или на базе программируемого контроллера.

При использовании схемы с холодной вертикальной камерой (рис. 4) в смазанную вертикальную камеру прессования 5 заливают дозу сплава 4. При движении вниз плунжер 3 давит на сплав и вместе с ним перемещает вниз пяту 2, в результате чего открывается отверстие 1, соединяющее камеру прессования с полостью пресс-формы. Расплавленный металл под давлением заполняет полость После заполнения пресс-формы плунжер поднимается вверх, а специальный механизм поднимает пяту 2 Пята отрезает литник и поднимает пресс-остаток.

Литьевая машина CLV 100.01 с вертикальной холодной камерой прессования фирмы VIHORLAT (Словакия) с усилием запирания формы 1000 кН показана на рис. 5. При съеме отливки она развивает усилие выталкивателя от 5,5 до 70,75 кН при ходе гидровыталкивателя 80 мм. Сила впрыскивания расплавленного металла от 54 до 178 кН. Ход впрыскивающего поршня 270 мм.

В питающую камеру диаметром 80 мм можно влить до 1,3 кг алюминия. Время одного холостого цикла 6,5 с.

Машины с вертикальной холодной камерой прессования отличаются от рассмотренных ранее меньшими габаритными размерами, но имеют более длинный цикл и примерно на 20 % меньшую производительность.

Рис. 4. Схема литья под давлением на машинах с холодной вертикальной камерой: 1 — электрошкаф; 2 — пульт управления; 3 — подвижная плита; 4 — неподвижная плита; 5 — силовой цилиндр пресс-плунжера

Рис. 5. Литьевая машина с вертикальной холодной камерой

Рис. 6. Схема литья под давлением в машинах с горячей вертикальной камерой

Машины с горячей вертикальной камерой прессования (рис. 6) имеют печь 8 с чугунным тиглем 2, в котором сплав 3 поддерживают в жидком состоянии электрическим нагревателем 7. Камера прессования 6 составляет одно целое с тиглем. Когда пресс-плунжер 4 поднят, через отверстие 5 камера заполняется сплавом. При движении вниз пресс-плунжер перекрывает отверстие 5 в камере прессования и сплав под давлением заполняет пресс-форму 1.

Блок-схема машины с горячей вертикальной камерой прессования представлена на рис. 7. На станине 1 по направляющим 3 под действием самотормозящей рычажной системы 4, приводимой в действие гидравлическим цилиндром 2, перемещается подвижная плита 6 с гидровыталкивателем 5 На этой плите устанавливается подвижная часть пресс-формы 7. На неподвижной плите 9 устанавливается неподвижная часть пресс-формы 8 с каналом литниковой системы для подачи расплавленного металла Камера прессования 13 отверстием 14 соединена с ванной расплавленного в тигле металла.

Рис. 7. Схема машины литья под давлением с горячей вертикальной камерой прессования

При опускании с помощью цилиндра 11 пресспоршня 12 порция сплава по каналу 10 загоняется в закрытую пресс-форму 7—8. После остывания металла пресс-форма раскрывается, отливка направляется на дальнейшую обработку, а пресс- форма очищается, смазывается, закрывается. Цикл заливки повторяется.

Машина с вертикальной горячей камерой прессования для литья под давлением IPZ 300 фирмы Italpresse (Италия) показана на рис. 8. Как и изображенная на схеме, она включает печь 1 для плавки металла в тигле 2, пресс-плунжер 3, цилиндр высокого давления 4 для управления пресс-плунжером, неподвижную плиту 5 и остальные необходимые для работы узлы.

Машина 713А05М в автоматическом режиме производит обдувку, смазку и запирание пресс-формы, впрыск металла, выдержку времени кристаллизации отливки, раскрытие пресс-формы, выталкивание отливки. Масса заливаемой порции цинкового сплава 1,8 кг. Время холостого цикла не более 3 с. Она не требует использования специальных заливочно-дозирующих агрегатов.

2. Машины литья под низким давлением

Машины, в которых металл движется под действием сжатого воздуха, называют компрессорными, или машинами литья под низким давлением (рис. 9). Принцип их работы заключается в том, что сжатый воздух давит на поверхность металла в тигле, из которого он поступает по металлопроводу в пресс-форму.

Компрессорные машины для литья под давлением с неподвижным металлопроводом имеют большую поверхность расплавленного металла, на которую давит сжатый воздух. Это приводит к окислению расплава и не позволяет поднять давление выше 60 Па (рис. 9, а, б).

Рис. 8. Машина с вертикальной горячей камерой прессования для литья под давлением IPZ 300

Рис. 9. Схемы компрессорных машин литья под низким давлением

Рис. 10. Устройство машины для литья под низким давлением модели ND14.10

В отличие от них, в машинах с подвижным металлопроводом воздух давит на небольшую поверхность металла, что дает возможность повысить давление до 400 Па и резко уменьшить поверхность окисления жидкого металла (рис. 9, в).

Конструкция машины для литья под низким давлением модели ND14.10 фирмы Roperwerk (рис. 10) имеет устройство смыкания и размыкания полуформ с четырьмя направляющими колоннами для перемещения верхней подвижной плиты 1, верхнюю подвижную плиту для установки верхней полуформы 2, поворотный съемник отливок 4, цилиндры фиксации нижней полуформы 5, стол машины для установки нижней полуформы 6, основание машины 7, печь для плавки металла 8, систему подъема печи для точной стыковки металлопровода печи и формы 9. Рабочая зона закрывается защитным кожухом 3. Данная машина выполнена по схеме компрессорной машины.

Такие машины предназначены для изготовления алюминиевых заготовок с повышенными прочностными характеристиками в автоматическом режиме. Система управления выполнена на программируемом контроллере. Цикл работы машины литья под низким давлением включает:

• запирание кокиля;
• заполнение формы;
• охлаждение формы;
• размыкание половин формы и подачу поворотного съемника отливок;
• выталкивание отливки из кокиля

Машина имеет устройства терморегулирования печи и поддержания в ней необходимого давления Для точного дозирования металла в процессе литья используется многоэтапная система впрыска, которая зависит от конструкции отливки. Машины литья под низким давлением, работающие по схеме, показанной на рис. 9, а, из-за существенно сниженной газовой ликвации в отливке получили большое распространение.

3. Узел прессования машин литья под давлением

Главным механизмом машины литья под давлением является узел прессования. Большая часть машин снабжена механизмами прессования с мультипликацией давления рабочей жидкости в период после прессования, называемый подпрессовкой. В таких машинах для перемещения пресс-поршня и поршня мультипликатора используется один и тот же аккумулятор (рис. 11). При его конструировании стараются достичь высокой скорости прессования и минимального времени подпрессовки.

Рис. 11. Механизм прессования фирмы Jdra (Италия)

Механизм состоит из цилиндра прессования 4, пресс-поршня 3, мультипликатора 10, поршня мультипликатора 11, аккумулятора 7, обратного клапана 9, путевых переключателей 1 и 2, клапанов 6 и 8, аккумулятора мультипликатора 5 и стержня 12. Мультипликатор крепится вертикально к цилиндру прессования, а поршневой аккумулятор 7 установлен непосредственно на цилиндре прессования 4. Он обеспечивает вторую и третью фазы прессования, а первая фаза осуществляется путем подачи жидкости насосом (стрелка А) . Ручным регулятором клапана 6 настраивается скорость прессования, а регулятором клапана 8 — время подпрессовки. Стержень 12 позволяет контролировать ход поршня мультипликатора и момент начала его движения.

Механизмы с одним аккумулятором имеют более простое конструктивное исполнение, но зависят от технологических параметров литья. Низкие скорости приводят к увеличению времени подпрессовки, что уменьшает технологические возможности механизма Механизмы с двумя аккумуляторами более сложны по конструкции, но в них время подпрессовки не зависит от скорости прессования.

В механизмах прессования с мультипликатором инерционность поршня приводит к увеличению времени подпрессовки и повышенным пикам давления при переходном процессе, поэтому были разработаны и изготовлены механизмы прессования без мультипликатора В них для выполнения подпрессовки используются аккумуляторы высокого давления. Примером такого механизма может служить механизм прессования фирмы Fries (ФРГ) (рис. 12).

На первой фазе жидкость из аккумулятора 5 через клапан 7 по каналу 8 подается в поршневую полость цилиндра прессования 1, сообщая пресс-поршню 11 медленное перемещение. Скорость пресс- поршня на этой фазе регулируется клапаном 7. Эта фаза продолжается до тех пор, пока задний торец пресс-поршня 11 не откроет канал 9 После этого начинается вторая фаза прессования, которая продолжается до заполнения камеры металлом. По команде от конечного выключателя открывается клапан 6 и пресс-поршень начинает ускоренно перемещаться. Для регулирования скорости прессования на третьей фазе служит регулятор клапана 6

Конечный выключатель, который настраивается в зависимости от пути пресс-поршня 11, включает четвертую фазу — подпрессовку В это время открывается клапан 2 и жидкость из аккумулятора высокого давления 3 поступает в поршневую полость цилиндра прессования.

Рис. 12. Механизм прессования без мультипликатора

Закрываются обратные клапаны 10 и 4, и жидкость под высоким давлением из аккумулятора 3 передается в поршневую полость цилиндра 1, осуществляя подпрессовку. Давление мультипликации регулируется изменением давления в аккумуляторе 3, для настройки времени подпрессовки служит регулятор клапана 2.

Механизму присущи все те недостатки, которые имеют механизмы с включением подпрессовочного устройства по пути движения пресс-поршня.

Машины литья под давлением чаще всего работают в полуавтоматическом режиме Дополнительно механизируют и автоматизируют следующие операции:

• смазывание форм камеры прессования и машины;
• подогрев или охлаждение полуформ;
• извлечение отливки и транспортирование ее от машины к обрезному прессу;
• подача порции жидкого сплава в камеру прессования (пневматический, магнитодинамический или механический манипулятор);
• пополнение тигля жидким металлом (для машин с горячей камерой прессования);
• установка арматуры в форме.

Эти мероприятия должны повысить темп работы машины и уменьшить процент брака. Отдельные комплекты для автоматизации процессов литья под давлением изготовляет ОАО «Кузлит- маш» (г. Пинск) . Автоматизация может достигнуть такого уровня, что машина станет автоматизированным комплексом.

Основным средством автоматизации процессов литья под давлением является применение дозаторов расплавленного металла, которые могут быть нескольких видов:

• пневматические;
• механические поворотные;
• механические на монорельсе

4. Дозаторы машин литья под давлением

Дозаторы пневматические для алюминиевых сплавов моделей 46141, 4699, 46153 (УП «Институт БелНИИлит») работают по принципу, аналогичному тому, что используется в машинах литья под низким давлением, когда сжатый воздух давит на поверхность расплавленного металла и вытесняет его в лоток подачи в камеру прессования литейной машины (рис 13) Данные машины могут дозировать металл массой от 4 до 70 кг за время от 5 до 30 с, допуская при этом погрешность не более 3 %. Данный дозатор включает плавильную печь, насосы создания давления и автоматическое дозирующее устройство.

Рис. 13. Пневматический дозатор модели 46141 для расплавленного алюминия производства УП «Институт БелНИИлит»

Рис. 14. Дозатор металла модели САМ фирмы Gauss для машин для литья под давлением Italpresse: а — общий вид; б — схема работы; 1 — продольные направляющие; 2 — вертикальные направляющие; 3 — ковш; 4 — привод дозатора; 5 — машина литья под давлением; 6 — камера прессования; 7 — тигель с расплавленным металлом

На рис. 14 показаны общий вид и схема работы механического подвесного на монорельсе дозатора модели САМ фирмы Gauss, устанавливаемого на машины для литья под давлением фирмы Italpresse.

Во время работы ковш погружается в расплав и металл переносится к отверстию камеры прессования машины литья под давлением, куда и опрокидывается. Подобные дозаторы можно использовать и для автоматизации машин центробежного литья.