Когда целесообразно использовать литье алюминия под давлением в отличие от других видов литья металлов?
Эта статья для тех, кто впервые толкнулся с необходимостью получить литые детали из металла. Суть в том, что одну и ту же деталь или партию деталей можно попытаться изготовить любым известным методом литья металлов. Разница будет лишь в том, что отливая деталь разными методами, мы будем получать разные отливки по качеству, стоимости, и затраченному времени на процесс литья. Вариаций достаточно, могут получиться качественные, но очень дорогие детали, могут быть и еще более дорогие и при этом совсем не удовлетворительные по качеству, могут быть и среднего качества по подходящей цене, а можно правильно подобрать вид литья и получить высококачественную деталь, затратив на нее минимальное количество денег и времени.
Таким образом, наша цель – это подобрать правильный вид литья и затем получить недорогую и качественную отливку. Как мы будем то делать? У меня есть такой план. Вначале необходимо разобраться какие вообще существуют виды литья. А затем определить критерии к детали, по которым мы сможем определить вид литья металлов, который больше всего подойдет для достижения нашей основной цели – получению качественной отливки за минимальное количество потраченных денег.
Итак, пойдем от простого к сложному и ознакомимся со всеми доступными нам вариантами в «меню» литейного производства.
- Первый вид литья металлов, который мы рассмотрим – это литье в песчано-глинистые формы.
Определяющим в этом процессе является то, что формы являются разовыми, т.е. каждую такую форму можно использовать только один раз, после которого она разрушается и для следующей отливки необходимо изготовить следующую форму. А это не такой уж и быстрый процесс и он достаточно трудоемкий. Песчано-глинистые формы делают уплотняя формовочные смеси (на основе кварцевого песка, глины и вспомогательных материалов) по модели изделия (обычно делается из дерева) в опоке. До уплотнения формовочной смеси на модель внутри опоки устанавливают литниковую систему (по которой затекает расплавленный сплав и отводятся газы) и стержни (которые используются для получения отверстий в отливке). Этот вид литья может быть достаточно хорошо автоматизирован или быть совсем неавтоматизированным, но суть остается той же — он применяется для получения единичных экземпляров литых деталей. Одна форма – одна деталь.
Достоинства этого вида литья: возможность получить детали разнообразной формы и массы.
Недостатки: невысокая точность размеров получаемых отливок, низкое качество поверхности, высокая трудоемкость процесса. - Литье в кокиль (гравитационное литье).
Суть процесса такая же, как и в предыдущем рассмотренном примере. Поэтому остановимся на отличиях. Литейная форма (кокиль) не одноразовая и разрушаемая, а многоразовая и неразрушаемая. Соответственно, как у вида литья у него меньшая трудоемкость процесса (кокиль не нужно изготавливать снова и снова после изготовления предыдущей отливки). Как правило, кокили изготавливаются из металла. Так как кокиль металлический, то он имеет большую прочность, теплоемкость, теплопроводность и у него практически отсутствует газопроницаемость. Из-за этого он имеет следующие преимущества по качеству отливок: большая точность размеров и меньшая шероховатость поверхностей.
Литье в кокиль используется для литья практически всех металлических сплавов: чугуна, стали и цветных металлов и их сплавов (алюминиевых, медных и магниевых). Из чугуна и стали получают отливки несложных и средних форм со средними или толстыми стенками.
В кокилях сложно или нецелесообразно получать отливки с развитой поверхностью, сложной формы, с резким перепадом толщины стенок, с острыми углами или длинными выступающими частями. В связи с тем, что затраты на изготовления кокиля и оснастки значительно превышают стоимость самой отливки, то этот вид литья не подходит для получения единичных отливок. Стоит запускать производство деталей с использованием литья в кокиль только, если минимальный размер партии превышает 50 единиц и более (в зависимости от их массы). - Литье по выплавляемым моделям.
Для лаконичности и лучшего понимания будем останавливаться на отличиях и подобиях уже рассмотренных видов литья. Основное отличие этого вида литья от предыдущих – это возможность получить любую, сколько угодно сложную форму и развитую наружную поверхность отливки. При этом отливка имеет высокую точность и низкую шероховатость. Этим видом литья можно получать литые детали от нескольких грамм (ювелирные украшения, например) до нескольких десятков килограмм.
Процесс литья описывается следующим образом. Вначале изготавливается очень точная модель изделия, с помощью которой изготавливают пресс-форму, чтобы потом с ее помощью изготавливать множество моделей из легкоплавкого материала. Каждая из таких легкоплавких моделей будет расходоваться для получения лишь одной литой детали из металла. Эти выплавляемые модели изготавливаются посредством запрессовывания парафина (или другого легкоплавкого материала: стеарина, воска и т.п. или солевого состава для крупных изделий) в пресс-форму. Выплавляемую модель окунают в суспензию пылевидного огнеупора в связующей жидкости. Этот слой сушат и затем наносят по аналогии от 5 до 10 последующих слоев, поочередно окуная в связующую суспензию и обсыпая огнеупорным составом разной фракции. После завершения сушки последнего слоя выплавляемую модель подогревают выше температуры плавления и таким образом вытапливают ее из формы. Полученную оболочку (литейную форму) прокаливают при высоких температурах, устанавливают в печь и заливают в нее расплавленный металл. После остывания и кристаллизации отливки механическим способом удаляют оболочку (разрушая ее удобным способом, разбивая, например).
Несмотря на неоспоримое достоинство – возможность получить сколь угодно сложную форму и развитую наружную поверхность, есть и недостатки этого вида литья. Это и большой расход металла и высокая удельная стоимость расходных материалов в стоимости самой литой детали. Поэтому он применяется в основном для серийного производства отливок высокой точности с минимумом последующей механической обработки или вообще без нее, когда критерий конечной стоимости отливки вторичен по отношению к критериям ее качества. - Литье по газифицируемым моделям.
На этом методе литья остановимся совсем вкратце. От предыдущего метода литья по выплавляемым моделям он отличается тем, что вместо парафина для изготовления модели используется пенополистирол, который перед заливкой металла не выплавляется из оболочковой формы, а находится непосредственно в песчаной смеси под вакуумированием. Под действием высокой температуры расплавленного металла, который заливают в такую форму с пенопластовой моделью, — модель испаряется, а металлический сплав заполняет тот объем, который занимала модель. Основные достоинства способа – это широкий диапазон массы отливок: от 100г до более чем 2000кг и их габаритных размеров: от 4см до 1 метра. - Литье в оболочковые формы (или процесс Кронинга)
Основная особенность этого вида литья в том, что он позволяет получать отливки по сложности формы, точности и качеству поверхности аналогичные полученным отливкам методом литья по выплавляемым моделям. Но при этом стоимость отливок полученных по Кронинг процессу ниже, чем у отливок при литье по выплавляемым моделям.
Суть процесса состоит в следующем. Форму для литья изготавливают насыпая смесь кварцевого песка и фенолформальдегидной смолы или пульвер-бакелита на металлическую модель, разогретую до температуры 300°C. Смесь «налипает» на модель, затем ее охлаждают несколько десятков секунд и удаляют излишки. Впоследствии смесь нагревают на модели до 350-600°C таким образом, упрочняя форму. Существует альтернативный вариант нанесения смеси на модель – ее вдувают в зазор между моделью и контурной плитой, которая находится снаружи модели. В этом варианте песок должен быть плакированный, т.е. каждая песчинка покрыта тонким слоем смолы. Сняв форму с модели (в виде 2-х полуформ) и скрепив их скобами или клеевым составом на основе пульвербакелита, получают оболочковую литейную форму готовую для заливки расплавленного сплава. Отливку получают заливая сплав в такую форму.
Этим видом литья можно изготавливать отливки весом от 200г до 30 кг. С толщиной стенки от 3 до 15мм. - Литье металлов под давлением (литье алюминия под давлением).
Этот вид литья металлов сложно описывать на примере отличий и подобий от какого-либо из рассмотренных выше примеров. Потому что он сильно отличается и по технологическому процессу и по качеству отливки и по ограничениям наружной и внутренней формы отливки.
Процесс организации литья под давлением конкретной детали выглядит так. Сначала необходимо изготовить литейную форму (для литья алюминия под давлением она обычно называется пресс-формой). Обычно ее заказывают у предприятий, специализирующихся на производстве пресс-форм. Проектирование и изготовление пресс-формы это сложный, ответственный, точный о дорогостоящий процесс. Ориентировочный срок проектирования пресс-формы составляет около 2-х недель. Еще 2-4 недели потребуется на то, чтобы ее изготовить. И еще 2-4 недели на ее приемку и доставку на литейное производство. Всего, как видите, на это потребуется от полутора до двух с половиной месяцев. Средней стоимости изготовления пресс-формы не существует. Расчет производится индивидуально под конкретную деталь (отливку) и конкретные требования к литью у заказчика. Стоимость обычно варьируется в пределах от 10 до 100 тысяч долларов США. Пресс-форма для литья под давлением изготавливается из высококачественных сталей твердостью 37–48 HRC. Форма состоит из нескольких подвижных и неподвижных частей, которые необходимы для того, чтобы в закрытом состоянии ее полость образовывала необходимую форму будущей металлической отливки, а в открытом состоянии отливка могла свободно извлекаться из пресс-формы.
После того как у вас будет пресс-форма, она устанавливается на литейную машину. Далее идет непосредственно процесс литья под давлением: расплавленный алюминиевый сплав (или другой сплав цветных металлов) заливается в камеру прессования и затем, под действием поршня, с огромным давлением (в сотни раз превосходящим давление на расплавленный металл при любом другом виде литья) выталкивается из камеры прессования (по сути – большого металлического шприца) в закрытую пресс-форму, где впоследствии кристаллизуется образовывая отливку. Затем пресс-форма раскрывается и алюминиевая отливка (или отливка из другого металлического сплава — будущая литая деталь) выталкивается из формы и извлекается для дальнейшего ее использования.Преимущества этого вида литья следующие:
очень высокая производительность от нескольких десятков до нескольких тысяч отливок в час;
низкая шероховатость поверхности (5-8 класс);
высокая размерная точность (3-5 класс);
необходимость в минимальной последующей механической обработке отливки или вообще отсутствие такой необходимости;
толщина стенок отливки может доходить до 0,6мм;
широкий диапазон веса отливок – от десятков грамм до 30-40 кг.Недостатки этого вида литья под давлением — это наличие большего количества ограничений по внутренней и наружной форме литой детали, чем у других методов, у которых развитая поверхность и сложность формы является основным преимуществом.
Для того, чтобы не запутаться во всех перечисленный видах литья ниже приведена таблица с перечнем критериев по которым можно предварительно определить, подходит ли вам литье алюминия под давлением или, если не подходит, определить другой, более подходящий под ваши условия, вид литья металлов.
Таблица: «Критерии для определения подходящего вида литья»
| Литье в песчано-глинистые формы | Литье в кокиль | Литье по вплавляемым моделям | Литье по газифицируемым моделм | Литье в оболочковые формы | Литье под давлением (литье алюминия под давлением) | |
| Сплавы | Любые | Любые | Любые | Любые | Любые | Цветных металлов |
| Класс размерной точности | 6-16 | 5-13 | 4-11 | 3-13 | 4-11 | 3-8 |
| Класс точности поверхности | 7-21 | 4-14 | 3-13 | 3-13 | 5-16 | 2-11 |
| Шероховатость (Ra), мкм | 8- >100 | 4-40 | 3.2-32 | 3.2-32 | 6.3-63 | 2-20 |
| Максимальная маса отливки, кг | 100000 | 500; 4000; 14000 (цветной сплав, сталь, чугун) | 150 | 2000 | 300 | 32 |
| Диапазон толщины стенок, мм | 3 и более | 3-100 | 0.5-6 | 0.5-6 | 3-15 | 0,6-6 |
| Минимальный оправланный размер партии, шт | 1 и более | 200 и более мелких
50 и более крупных отливок |
100 | 1000 | 200 | 10000 |
| Допустимая сложность формы | Высокая | Средняя | Высокая | Высокая | Сложная | Средняя |
| Инвестиции в оснастку, USD | От 100 | От 3000 | От 1000 | От 1000 | От 3000 | От 10000 |