Литые штампы для горячего объёмного деформирования

Куниловский В.В.

Машиностроение, 1987 г.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ШТАМПОВ

В настоящее время при получении литого штамповочного инструмента используется литье в формы песчаные и керамические, изготовляемые из термореактивных и холоднотвердеющих смесей, а также полученные по выплавляемым моделям, описание которых дано в работах [6, 14, 35, 43, 45, 50, 51].

Выбор того или иного технологического процесса изготовления отливок штампов определяется главным образом стремлением к получению заготовок с минимальными припусками под последующую механическую обработку, габаритными размерами инструмента и экономичностью процесса получения форм.

Так, при применении для формирования фигуры штампа стержней из песчано-глинистых смесей ввиду образования большого пригара на отливках, требовались большие припуски на механическую обработку [43] и поэтому этот метод не получил распространения.

Более прогрессивным для технологического процесса получения отливок штампов является использование при литье в песчаные формы облицовочного формовочного слоя, состоящего из 90—92 % электрокорунда или плавленого кварца и 8—10 % жидкого стекла. В качестве наполнительного состава в этом случае можно применять смесь, состоящую из 95 % кварцевого песка и 5 % жидкого стекла. Такая технология изготовления форм позволяет улучшить качество литой поверхности фигуры штампа.

При таком способе изготовления после извлечения модели форму продувают углекислым газом и сушат при температуре 220—240 °С не менее 2 ч и затем заливают жидким металлом.

В настоящее время за рубежом и у нас в стране получил широкое распространение способ литья в керамические формы по постоянным моделям (метод Шоу).

Сущность процесса изготовления керамических форм заключается в заполнении модельной оснастки жидкой формовочной смесью, состоящей из огнеупорного материала, связующего компонента и коагулятора, с последующим прокаливанием формы.

В качестве огнеупорного материала при изготовлении керамических форм используют плавленый кварц, электрокорунд и другие материалы, а в качестве связующего применяется этилсиликат; коагуляторами являются растворы щелочей, триэтаноламина и др.

Перемешивая огнеупорный материал и связующий компонент, получают суспензию, которая выливается на модель. В результате химической реакции связующего с коагулятором раствор затвердевает. После извлечения модели форму поджигают для удаления растворителя и производят прокалку при температуре 850—900 °С.

С целью уменьшения расхода дорогостоящей керамической смеси используют комбинированные формы, в которых гравюра оформляется керамическим стержнем, а остальная часть отливки — песчаной формой или кокилем.

С целью экономии смеси также применяются двухслойные формы с облицованным керамическим слоем, а опорный слой формы выполняют из кварцевого песка С жидким стеклом.

Точность размеров отливок, получаемых в керамических формах, находится в пределах 16 квалитета (ГОСТ 25346—82). При строгом выполнении технологических параметров изготовления отливок в керамических формах (температуры формы и заливки металла, стабильности исходных материалов, точности дозирования составляющих) и при использовании огнеупорных материалов с малым объемным расширением точность отливок повышается.

Модельная оснастка для получения керамических форм и стержней должна обеспечивать получение их с требуемой точностью размеров и шероховатостью поверхности.

Для получения отливок штампов при серийном производстве необходимо использовать механически обработанную металлическую оснастку, изготовленную по 12 квалитету (ГОСТ 25347—82), которая позволяет получать формы со стабильными размерами и хорошим качеством поверхности.

При проектировании модельной оснастки необходимо учитывать изменение линейных размеров керамических форм и усадку металла, а при ее изготовлении необходимо предусмотреть возможность доводки модельной оснастки после изготовления и обмера отливок.

При изготовлении отливок штампов (с целью снижения их себестоимости) целесообразно использовать комбинированные песчано-керамические формы, т. е. оформление в песчаной форме фигуры штампа керамическим стрежнем. По такой технологии изготовлены отливки штампа типа шестерня (см рис. 5.5). В этом случае модель выполнялась из алюминиевого сплава, а по модели с использованием металлической обечайки был сделан гипсовый стержневой ящик. Обычно гипсовые стержневые ящики применяются для получения небольшого количества стержней. При этом главным их достоинством является то, что гипсовая масса при затвердевании незначительно изменяет объем и дает хороший отпечаток. По гипсовому стержневому ящику изготовляется керамический стержень заливкой в него суспензии. Для уменьшения прилипания керамической массы к гипсовому стержневому ящику его покрывают разделительной смазкой, в качестве которой используют технический вазелин, керосин и др.

Суспензия состоит из связующего гидролизованного раствора этилсили-ката-32, этилсиликата-40, огнеупорного наполнителя и гелеобразователя.

В качестве огнеупорного материала используют пылевидный кварц, цирконовый песок и электрокорунд.

Суспензию приготовляют механическим перемешиванием составляющих до получения однородной массы. Гелеобразователь вводят в суспензию непосредственно перед ее заливкой в модельную оснастку. Суспензию выливают в оснастку и выдерживают в ней до затвердевания.

В. Н. Иванов и Г. М. Зарецкая [20] применяли следующий состав керамической массы, показавшей хорошие результаты:

1) гидролизованный раствор этилсиликата-32— 1 л.

2) огнеупорный наполнитель, состоящий из пылевидного кварца КП-1 — 2 кг, кварцевого песка 1К016— 1,5 кг, плавленого кварца размерами зерна 1,5—5 мм — 2,5 кг;

3) триэтаноламин — 30—65 мл.

После удаления стержней из модельной оснастки производится сжигание растворителя и стержни прокаливаются при температуре 900 °С.

По окончании сборки формы осуществляется заливка ее металлом. При этом охлаждение форм после заливки желательно проводить в атмосфере аргона или азота для защиты гравюры штампов от окисления и обезуглероживания.

В мелкосерийном производстве для защиты гравюры штампов целесообразно использовать способ, предложенный в работе [20] и заключающийся в том, что на поверхность металла в прибыль или литниковую чашу насыпается древесный уголь, пропитанный машинным маслом или парафином. Возможно также использование для этих целей парафина или модельного состава для выплавляемых моделей. После этого форму с остывающей отливкой накрывают металлическим колпаком и охлаждают до температуры, приблизительно равной 150—200 °С, а затем ее извлекают для выбивки.

При серийном производстве отливок с использованием для оформления гравюры керамических стержней необходимо применять металлическую модельную оснастку.

В НИИАвтопроме разработан способ литья штампов в формы, изготовленные из термореактивной смеси [30]. В этом случае используется термореактивная смесь с массовым содержанием компонентов в процентах следующего состава:

Цирконовый песок Ц-1............      100

Пульвербакелит ПК-104...........2,5—3,2

Керосин.................      0,3

Модельная оснастка изготовляется из стали, допускается использование алюминия. Термореактивная смесь приготавливается в смесителе или бегунах.

При изготовлении литейных полуформ металлическая модельная оснастка нагревается до 180—220 °С и опрыскивается из пульверизатора разделительным составом СК.Т-Р (раствор синтетического термостойкого каучука в уайт-спирите). Стойкость разделительного покрытия 10—15 съемов.

Термореактивная формовочная смесь насыпается на горячую оснастку и уплотняется вибрацией на формовочном столе. После чего оснастка со смесью помещается на 5—10 мин в печь при температуре рабочего пространства 450—500 °С для отверждения смеси.

После отверждения смеси производится удаление модели и сборка формы. Проверка качества изготовления литейных форм осуществляется визуально.

Металл для заливки расплавляется в индукционных печах. После заливки и охлаждения отливки производится их выбивка.

По окончании выбивки крупные куски форм подвергаются дроблению и последующей термической регенерации.

При использовании этого процесса время изготовления формы сокращается в 10 раз по сравнению с изготовлением керамических форм. Шероховатость поверхности отливок находится в пределах R_z= 20-80 мкм, и точность при номинальном размере 400 мм составляет 0,1—0,2 мм. Припуск под слесарную зачистку фигуры штампа составляет от 0,1 до 0,3 мм. На боковых поверхностях припуск на обработку принимается равным.

В 1974—1980 гг. авторами проводились работы по использованию холоднотвердеющих смесей для изготовления стержней, оформляющих гравюру штампа в литейной форме. Остальные части формы выполнялись из песчаной смеси [14]. Фотографии отливок штампов, полученных по такой технологии, приведены дальше на рис. 5.4, а результаты промышленных испытаний в табл. 5.7.

Холоднотвердеющие смеси состоят из огнеупорных составляющих (кварцевого песка, цирконового песка, дистен-силиманита и др.), связующих компонентов (фенолформальдегидных и карбомидных смол) и катализаторов (бензосульфокислоты и др.).

Песчаные формы изготовлялись из смеси, в состав которой входили следующие, составляющие в процентах:

Формы окрашивались противопригарной краской, в состав которой входили приведенные ниже компоненты в объемных долях процента:

2—8 мм.

Плотность краски должна составлять 1,75—1,90 г/см³. Формы после окраски просушивались при температуре 200—250 °С в течение 3 ч. Для оформления фигуры штампов были опробованы формовочные смеси на основе кварцевого песка марки 1К016Г и цирконового песка КЦ-1.

Для изготовления холоднотвердеющих смесей возможно использование кварцевых песков 1К02А, 1К02Б, 1 КО 16А по ГОСТ 2138—74. Влагосодержание кварцевого песка должно быть не более 0,3 %, температура не более 25 °С. Содержание глинистой составляющей допустимо до 2 % в соответствии с ГОСТ 2138—74. С увеличением глинистой составляющей снижается прочность смеси и повышается осыпаемость стержней. Наилучшие результаты получаются при использовании отмытых песков с содержанием глинистой составляющей не более 0,5 %, поставляемых Люберецким горнообогатительным комбинатом формовочных материалов и Верхне-Днепровским горно-обогатительным комбинатом.

В качестве связующего компонента холоднотвердеющей смеси применялась резольная фенолформальдегидная смола ОФ-1. Смола ОФ-1 должна удовлетворять следующим требованиям: внешний вид — однородная жидкость от янтарно-желтого до темного цвета; условная вязкость — не более 150 с по вискозиметру ВЗ-4; сухой остаток — 60—80 %.

Показателем кондиционности смолы является величина прочности на сжатие или на разрыв через 1 ч твердения образцов при температуре воздуха 20—22 °С. Прочность на сжатие должна быть не менее 1,2 МПа, прочность на разрыв — не менее 0,3 МПа.

Отверждение холоднотвердеющей смеси происходит при добавке в смесь катализатора — водного раствора бензосульфокислоты (БСК) 65—80 %-ной концентрации. Состав применяемой холоднотвердеющей смеси для изготовления стержней в объемных долях процента:

Смеси приготовлялись в лопастном смесителе периодического действия с горизонтальным смешивающим валом. Последовательность операций при приготовлении формовочной смеси была следующая:

1) загрузка в смеситель кварцевого песка и начало перемешивания;

2) введение водного раствора катализатора и перемешивание с кварцевым песком в течение 1—2 мин; ,

3) введение в смесь связующего компонента и перемешивание в течение 1—2 мин.

Свойства, приготовленной таким образом смеси приведены в табл. 4.1.

Готовая смесь выгружается из смесителя в стержневые ящики и уплотняется на вибростоле. При этом живучесть холоднотвердеющей смеси на смоле ОФ-1 составляет приблизительно 7 мин.

Можно применять стержневые ящики деревянные, пластмассовые или металлические. Последние необходимо использовать при серийном производстве отливок штампов.

При использовании деревянных стержневых ящиков надо применять разделительные покрытия, состоящие из керосина, парафина и серебристоГО  графита В соотношении

1) расплавляют парафин и доводят его до температуры 55—60 °С;

2) расправленный парафин вводят при непрерывном перемешивании в керосин;

3) добавляют серебристый графит и перемешивают.

Стержень в ящике для затвердевания выдерживается 15—40 мин. Продолжительность выдержки стержня в ящике устанавливается для каждого стержня в отдельности экспериментально и зависит от толщины стенки и объема стержня.

После извлечения стержня из стержневого ящика он подвергается визуальному осмотру и при необходимости заделке поврежденных мест холоднотвердеющей смесью или обычной жидкостекольной смесью с продувкой места задела углекислым газом или выдержкой на воздухе в течение не менее 2 ч.

Фотография стержня из холоднотвердеющей смеси приведена на рис. 4.1 (см. вклейку), схема формы в сборе — на рис. 4.2.

Фотографии отливок штампов, изготовленных таким образом, приведены на рис. 5.4.

При использовании для оформления гравюры штампов массой не более 80 кг стержней из холоднотвердеющих смесей качественная шероховатость поверхности (гравюры) может быть обеспечена при изготовлении стержней из кварцевого песка с окрашиванием противопригарной краской. Если же масса штампов превышает указанную величину, то использование стержней на основе кварцевого песка может привести к образованию трудно удалимого пригара (рис. 4.3, см. вклейку).

В этом случае во избежание образования пригара необходимо использовать стержни, изготовленные из цирконового песка, дающие хорошие результаты.

Стержни массой более 5 кг с целью экономии цирконового песка можно изготовлять двухслойными: облицовочный слой толщиной 15—20 мм из цирконового песка, а наполнительный слой из кварцевого (рис. 4.4, см. вклейку). После заливки металла в форму при охлаждении отливки стержни из холоднотвердеющих смесей разупрочняются и при выбивке отливок легко удаляются.

При применении холоднотвердеющих смесей время изготовления форм.