Технологический процесс

Технологический процесс с использованием газифи­цируемых моделей можно свести к трем основным вариантам (рис. 10.2):

- получение моделей в пресс-формах из подвспенен- ных гранул полистирола, удаляемых газифицировани­ем (теплотой заливаемого металла);

- изготовление моделей из готовых пенополистиро­ловых плит механической обработкой и склеиванием, удаляемых газифицированием теплотой заливаемого металла;

-изготовление моделей в пресс-формах из пластифи­цированного полистирола на термопластавтоматах с последующим их выжиганием в термической печи или, реже, растворением.

Первые два варианта называют литьем по газифици­руемым моделям, третий - по выжигаемым моделям.

Литье по газифицируемым моделям, полученным вспениванием в пресс-формах. Гранулы полистирола предварительно вспенивают - "подвспенивают" в различных теплоносителях, чаще всего в ваннах с горячей (95... 100 °С) водой в течение 1...10 мин. Применяют также пар или токи высокой частоты. Вспененные гранулы сушат на воздухе. Максимальная активность гранул достигается при вылеживании на воздухе в течение 80 ч. Такие гранулы служат исходным сырьем для получения моделей в пресс-формах. Пресс-форму смазывают разделительным составом, заполняют подвспененными гранулами, накрывают крышкой и в таком замкнутом объеме вторично нагревают водой, паром или током высокой частоты. Подвспененные гранулы вновь увеличиваются в объеме. Силы, которые развиваются в процессе расширения, приводят к свариванию отдельных гранул в единую массу. Чем больше активность гранул, тем прочнее получается модель.

Аналогичным образом изго­товляют элементы литниковых систем, которые приклеивают к модели, операция называется сборкой модели. Стояк, как пра­вило, следует выполнять пустоте­лым из пенополистироловых колец или трубок, или использо­вать шамотные трубки. Собран­ную модель окрашивают. По­крытие должно иметь высокую газопроницаемость и не реагиро­вать с моделью.

Окрашенную модель форму­ют в опоке. Для формовки мож­но использовать практически все известные формовочные смеси, однако предпочтение отдают различным самотвердеющим смесям с высокой газопроницае­мостью. Возможно использова­ние чистых песков без связующе­го материала. После уплотнения смеси форму заливают металлом с определенной скоростью в зависимости от типа литниковой смеси и от вида заливаемого металла. После охлаждения от­ливку извлекают, очищают и проводят те финишные опера­ции, которые не отличаются от подобных операций в традици­онном процессе литья.

Литье по газифицируемым моделям, изготовленным из гото­вых пенополистироловых плит. Для нужд звуко- и теплоизоля­ции промышленностью выпус­каются плиты длиной до 1000 мм, шириной до 700 мм и толщиной до 100 мм с минимальной плотностью 20 кг/м³. Для литейного производства применяют марки пенополистироловых плит ПС-Б и ПС-БС.

Изготовление модели состоит из выполнения отдельных ее частей и последующей их склейки. Клей не должен растворять модель, обладать минимальной зольностью и быстро отверждаться. Предпочтительны клеи на основе цапонлака или карбамидоформальдегидных смол. Дальнейшие операции изготовления формы и отливки аналогичны операциям при изготовлении моделей, полученных в пресс-формах.

Литье по выжигаемым моделям. Модели изготов­ляют из бисерного полистирола в специальных термо­пластавтоматах (рис. 10.3). Гранулы полистирола загружают в приемный бункер 1. Из него мерными порциями гранулы поступают в рабочий цилиндр 2 для вспенивания (пластификации), а затем впрыскиваются в виде пенистой массы в пресс-форму 3 через литнико­вый канал и точечные или щелевые питатели со ско­ростью не менее 120 см/с. Впрыскиваемый за 0,2..0,5 с материал занимает около 20 % объема полости пресс-формы, вспениваясь, он заполняет ее полностью. Сформировавшиеся и отвержденные в результате охлаждение модели выталкиваются из пресс-формы и попадают в бункер 4.

Таким образом, процесс изготов­ления пенополистироловых моделей литьевым методом включает четыре стадии: пластификацию гранул полистирола, впрыск их в пресс-форму, вспенивание и охлаждение модели в пресс-форме.

В отличие от первых двух вариантов, где пенополистироловая модель содержит 98 % воздуха и только 2 % полистирола, в литье по выжигаемым моделям содер­жится значительно больше полистирола, удалить который газифицированием жидким заливаемым металлом невозможно. На такие модели наносят слои огнеупорных суспензий и прокаливают перед заливкой при 900... 1000 *С, т.е. выжигают в электрический или газовой печи. При прокаливании модель расширяется, поэтому оболочковая форма должна иметь повышенную прочность. Сгорание модели сопровождается сильным газовыделением.

Особенности процесса:

- изготовление моделей вспениванием бисерного полистирола в пресс-форме или из плит пенополистирола механической обработкой с последующим склеи­ванием;

- использование в качестве формовочного материала сухого огнеупорного песка без связующего материа­ла;

- заливка литейных форм с находящимися внутри пенополистироловыми моделями;

- использование пенополистироловых моделей, газифицируемых от теплоты заливаемого металла.

Преимущества процесса:

-повышение точности отливок, так как не требуется удаления моделей, отсутствуют литейные уклоны и плоскость разъема и в большинстве случаев - стержни;

-применение цельной модели упрощает изготовление формы, так как отсутствуют такие операции, как разъем формы, удаление модели и простановка стержней.

Недостатки процесса:

- однократное использование модели;

- низкая прочность и легкая деформируемость пенополистирола, что затрудняет применение метода для производства тонкостенных и слож­ных отливок;

- сложность изготовления пресс-форм для вспенивания ограничивает использование метода только крупносерийным и массовым произ­водством;

- сильное газовыделение, что требует интен­сивной вентиляции или специального вакуумирования форм;

- насыщение углеродом верхних частей стальных отливок.

Область применения процесса:

- производство единичных отливок типа штампов и инструментальной оснастки;

- ремонтное литье;

- многочисленные корпусные отливки из алюминие­вых сплавов;

- художественное литье;

- изготовление прибылей для отливок, производи­мых в песчано-глинистых формах.

10.3. МОДЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Материалом для изготовления моделей чаще всего служит пенополистирол (плотность 15...30 кг/м), основную часть которого (до 98 %) составляет воздух. Опыт производства отливок позволяет сформулиро­вать основные требования к пенополистиролу:

- при минимальной плотности должна быть доста­точная прочность для сохранения размеров и конфигу­рации моделей в процессе их изготовления, хранения и формовки;

- усадка на всех стадиях технологического процесса должна быть стабильной и минимальной;

-достаточная скорость газификации для того, чтобы расплавленный металл заполнил полость формы раньше начала кристаллизации;

-зольность должна быть минимальной во избежание засора;

- удаляемые газообразные продукты не должны быть токсичными, а их объем минимален.

Из всех пенопластов наиболее приемлемыми являют­ся пенопласты на основе стирола. Они обладают наименьшей газотворной способностью, имеют мини­мальный негазифицируемый остаток после разложения и отличаются высокой скоростью газификации.

Стирол - бесцветная жидкость с плотностью 905 кг/м³ и температурой кипения 145 ^вС. Полистирол получают полимеризацией чистого стирола. Наиболее распространен метод эмульсионной полимеризации при 70...90 °С. Гранулы полистирола получают суспен­зионной полимеризацией стирола в присутствии инициатора реакции - эмульгатора, порообразователя и стабилизатора при 70 °С и давлении 0,35 МПа в течение 18...20 ч. Они представляют собой шарики диаметром до 1 мм с внешней твердой полистироловой оболочкой, внутри которой находится жидкая фа­за -изопентан (порообразователь). При температуре 80...90 °С внешняя полистироловая оболочка переходит в пластичное состояние, а жидкая фаза-изопентан при 27,9 °С закипает и превращается в газ с увеличением объема. Создаваемое газом давление вызывает рост объема гранул полистирола в 10...40 раз. Бисеры полистирола имеют следующие параметры: содержание влаги не более 1,0 %; порообразователя не менее 0,25 %; гранулометрический состав не менее 55 % на сетке 1; 70 % на сетке 05; насыпная плотность не более 35 кг/м; прочность при изгибе не менее 0,11 МПа.

Процесс изготовления моделей в массовом производ­стве состоит из двух стадий: предварительное вспенива­ние в свободном состоянии исходных гранул и оконча­тельное вспенивание гранул в замкнутой полости пресс-формы.

Предварительное вспенивание гранул опреде­ляет конечную плотность будущей модели и качество ее поверхности. Вспенивающая способ­ность зависит в основном от размера исходных гранул, температуры и времени вспенивания. Кроме того, как показали исследова­ния, разные партии полистирола, выпускаемые одним и тем же предприятием, имеют различную вспенивающую способность, поэтому необходи­мо устанавливать параметры для каждой вновь поступающей партии лабораторными исследова­ниями. Из графика видно, что передержка гранул при температуре выше 95 °С приводит к их усадке и полной потере их активности. Повыше­ние температуры теплоносителя позволяет сократить время предварительного вспенивания гранул.

В условиях мелкосерийного производства предвари­тельное вспенивание производят в водяных ваннах. Для этого исходные гранулы полистирола загружают в ящики с сетчатым дном из расчета 0,4...0,6 кг на 1 м² сетки и опускают в воду при 95±5 °С. После выдержки ящики вынимают из воды и вспененные гранулы помещаются на стеллажи для просушивания и вылежи­вания на воздухе.

В крупносерийном производстве наиболее распрос­транены установки периодического и непрерывного действия. В качестве теплоносителя обычно используют перегретый пар. Внутри установок монтируют мешалки для предупреждения слипания гранул между собой. Исходные гранулы могут быть загружены в установки вручную, самотеком из дозирующего устройства или другими способами.

Бисер нагревают паром, подводимым снизу через сопла. Степень предварительного вспенивания опреде­ляется длительностью воздействия пара, температуру которого подбирают опытным путем. На рис. 10.5 приведена одна из установок непрерывного действия. Исходный бисер подается шнековым питателем. Вспе­ненные гранулы удаляются через отверстия в нижней части установки.

После предварительного вспенивания гранулы сушат и выдерживают на воздухе от 6 ч до 2 суток для вырав­нивания давления внутри гранул и активации их вспенивающей способности. После охлаждения вспе­ненных гранул пары изопентана конденсируются и внутри замкнутых ячеек пенополистирола образуется вакуум, который необходимо ликвидировать для обеспечения стабильных свойств гранул при последую­щем вспенивании в пресс-форме. Это происходит во время вылеживания гранул и диффузии воздуха через слой внешней оболочки полистирола. Для сокращения времени вылеживания можно использовать их выдержку при повышенном давлении 0,2...0,3 МПа.

Формирование моделей в пресс-формах. Окончательный процесс изготовления моделей заключается в наполнении полости пресс-формы подвспененными гранулами. В зависимости от вида и способа подвода теплоносителя различают четыре основных способа изготовления моделей: ванный, автоклавный, тепло¬вого удара и токами высокой частоты.

Ванный способ. Пресс-форма с гранулами помещается в воду, нагретую до кипения. Время спекания гранул зависит от материала пресс-формы и толщины стенок модели. При нагревании сконденсированный изопентан вновь испаряется и происходит вторичное вспенивание гранул, заключенных в закрытую полость пресс-формы. Гранулы увеличивают свой объем, соединяются и слипаются в единую пенополистироловую модель. После окончания нагрева пресс-форму охлаждают в проточной воде. Извлеченная модель выдерживается на воздухе 3...4 суток для стабилизации размеров. Пресс-форму изготовляют из теплопроводных материалов | медных или алюминиевых сплавов. Автоклавный способ. При этом способе перфориро­ванная пресс-форма, заполненная гранулами, помещает­ся в автоклав, куда подается острый пар под давлением,13...0,145 МПа при 105...115 °С. Перфорация в пресс- |орме в виде отверстий диаметром 0,5...1,5 мм или щелей шириной 0,2...0,5 мм служит для подачи пара внутрь пресс-формы, а также для удаления воздуха и конденсата во время расширения и спекания гранул. Автоклавный метод позволяет получать модели с минимальной плотностью (10...25 кг/м) и чистой поверхностью, что невозможно сделать при ванном вспенивании. Существенным недостатком автоклавно­го способа является длительность процесса, которая составляет 10...40 мин при толщине стенок от 5 до 100 мм.

Тепловой удар. Это один из новейших способов изготовления моделей. Перегретый водяной пар с температурой 105... 115 °С вводится непосредственно в пресс-форму, заполненную подвспененными гранула­ми пенополистирола (рис. 10.6). Пенополистирол приобретает высокопластичное состояние, а в результа­те образующегося внутри гранул избыточного дав­ления порообразователя происходит их вторичное вспенивание. Проходя между гранулами, пар нагревает их практически одновременно по всему объему, при этом пар расширяется и частично конденсируется. Образующийся конденсат отжимается расширяющимися гранулами и выводится через отверстия в стенках пресс- формы. По мере прохождения пара уменьшается проходное сечение между гранулами до полного его перекрытия и поступление пара в модель прекращается. Таким образом, процесс теплового удара заканчивается автоматически. Эффективность проникания пара в среднем составляет 100 мм, поэтому если толщина модели превышает эту величину, то в полость пресс- формы вводят перфорированные инъекторы, как показано на рис. 10.6.

Дата добавления: 2014-01-05