Виды литья металлов и сплавов

Основные виды сырья для литья пластмасс

Для литья пластмасс под давлением используются полимеры в гранулах. Использование того или иного из них зависит от его физико-химических свойств. По показателям устойчивости к температурному воздействию все твердые полимеры делятся на следующие группы:

1. Термопластичные. Под воздействием температуры обладают способностью легко переходить от твердого состояния к пластичному и обратно. Они очень легко поддаются вторпереработке.
2. Термореактивные. Обладают высокими показателями прочности и термоустойчивости. В их основе лежат различные синтетические смолы. Для придания определенных свойств в их состав вводятся специальные добавки и наполнители.
3. Пенопласты. Характеризуются отличной тепло- и звукоизоляцией. Изготавливаются из синтетических полимеров, роль наполнителя в них играет газообразная среда.

Купить пластмассу для литья можно в компаниях специализирующихся на продаже полимеров. Обычно у них можно приобрести сырье не только отечественного, но импортного производства. Средняя цена на полиэтилен высокого давления на данный момент составляет около 35 руб. за килограмм, полипропилен от 40 руб. и выше.

Классификация, виды термопластавтоматов

На сегодняшний момент существует широкая классификация термопластавтоматов.

По количеству видов сырья, используемого для литья:

• ТПА для литья одним видом сырья;
• ТПА для литья многокомпонентным сырьем.

По расположению узла впрыскивания:

а) горизонтальные ТПА – впрыск материала в пресс-форму осуществляется горизонтально, плоскость разъема формы расположена вертикально;

в) вертикальные ТПА – впрыскивание материала в пресс-форму осуществляется вертикально сверху вниз, плоскость разъема пресс-формы располагается горизонтально;

б), г) угловые ТПА с вертикальной или горизонтальной прессовой частью (используются чаще всего для литья изделий, которые имеют определенные сложности с их извлечением из пресс-формы).

По виду системы замыкания пресс-форм:

• коленчато-рычажные ТПА;
• гидравлические ТПА.

По конструкции привода:

• электрические;
• электромеханические;
• гидромеханические.

По количеству узлов замыкания (запирания) пресс-форм:

• однокомпозицонные;
• двухкомпозиционные;
• многокомпозиционные (ротационные и карусельные).

Термопластавтоматы – это сложное и дорогое оборудование, которое постоянно совершенствуется современными техническими решениями. Для того, чтобы отливать изделие из пластика именно на термопластавтомате, необходимо иметь рациональное технико-экономическое обоснование: крупный тираж производства, геометрическая сложность выпускаемого изделия, возможность использования в технологии литья на ТПА того сырья, которое было выбрано для производства.

Наиболее популярные производители ТПА:

• Хмельницкий (Украина);
• Красмашзавод, Савма, Тульский НИТИ, Сувенир (Россия);
• Атлант (Белоруссия);
• Arburg, Demag, Krauss-Maffei, Battenfild (Германия);
• Netstal (Швейцария);
• BM Biraghi (Италия);
• Haitian, Kaiming (Китай);
• LS (Южная Корея);
• Ferromatik (США);
• Husky (Канада).

Методы литья металлов

Основные методы литья металлов следующие:

Традиционный метод

Металл поступает в форму под действием силы тяжести. Применяются песчано-глиняные или металлические матрицы. Недостаток метода — высокая трудоемкость изготовления форм и других операций, тяжелые условия труда и низкая экологичность

Литье под низким давлением

Суть метода заключается в том, что тигель с металлом и матрицы для отливок располагаются в герметичной камере. Металлопровод, сделанный из титанового сплава, опускается из формы в расплавленный металл. В это время в камеру подают низкое избыточное давление воздуха или инертного газа. Металл попадает в матрицу под давлением, скорость потока весьма высока и при этом регулируется. Форма заполняется полностью и равномерно.

Метод позволяет получать высококачественные отливки, в том числе особо тонкостенные. Качество поверхности также превосходит отливки, получаемые традиционным методом. Литейные газы удаляются через отводящий трубопровод в систему очистки, откуда попадают в атмосферу. Метод отличается высокой автоматизацией операций, улучшенными условиями труда персонала и высокой экологичностью. К тому же при таком литье и материалы, и расход энергии существенно экономятся.

Литье под высоким давлением

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

Деталям, полученным таким методом, 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.

Инжекционное литье

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.

https://youtube.com/watch?v=eB0lYvWgzqQ

Высокая текучесть смеси позволяет заполнить мельчайшие детали рельефа форм самой сложной конфигурации, включающих внутренние полости. 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.

Существуют и другие методы литья деталей, имеющие нишевое применение.

Жаропрочное литье

Жаропрочное литье — это сложный технологический процесс, направленный на изготовление отливок. В процессе жаропрочного литья формы заполняют определенным сплавом и затем обрабатывают специальными средствами.

Жаропрочное литье

Литье это, пожалуй, самый экономичный вид получения заготовок и они отличаются высокими качественными свойствами. Область применения жаропрочного литья весьма обширна. Его выполняют при температуре 1000 °C. Литье этого типа позволяет продлить срок эксплуатации и повысить надежность узлов и агрегатов, которые работают в агрессивных средах. При выполнении жаропрочного литья применяют множество приспособлений:

1. решетки;
2. ленты;
3. поддоны;
4. горелки и пр.

Литейное оборудование для жаропрочного литья

Жаропрочное литье позволяет обеспечить получение таких качеств, как:

1. Прочность деталей под воздействием высоких температур.
2. Стойкость к перепадам температур.

Литьё под давлением

Литье под давлением используется для производства отливок ответственного назначения. Процесс требует использования специального оборудования, где металл плавится, а затем поступает в форму, где охлаждается и затвердевает.

Литье под давлением используется для изготовления тонкостенных деталей с большим количеством рёбер и поднутрений. Такие отливки применяют в бытовой технике, электроинструментах, деталях автомобилей и пр. Формы для литья под давлением не ограничиваются по сечению.

Преимущества способа:

1. Возможность получения деталей со сложными формами и небольших размеров.
2. Высокое качество поверхности.
3. Повышенная (в сравнении с обычными литейными технологиями) точность.
4. Стабильность характеристик металла отливки.
5. Высокая производительность.

Ограничения:

1. Высокая стоимость оборудования и оснастки.
2. Сравнительно небольшая стойкость инструмента.
3. Повышенный уровень первоначальных финансовых затрат.

Литьё под давлением оправдывает себя при значительных программах выпуска продукции, либо при повышенных требованиях к качеству готовых отливок (в частности, для исключения последующей механической доработки).

Технологический цикл для литья под давлением очень короткий, обычно от 2 секунд до 2 минут, он состоит из следующих четырех этапов:

• Зажима частей пресс-формы, при этом одна половина закрепляется на оборудовании, а вторая получает возможность скольжения по направляющим;
• Подачи расплава в закрытый объём пресс-формы. Объём впрыска определяется объёмом металла (с учётом его усадки), давлением и мощностью подачи;
• Охлаждения расплава в процессе контакта металла со стенками пресс-формы. В некоторых случаях усадку учитывают поджатием подвижной половины пресс-формы к поверхности затвердевающей детали;
• Удаление сформированной отливки из оснастки, время которого рассчитывается, исходя из термодинамических свойств материала и максимальной толщины стенки детали.

После цикла литья под давлением обычно требуется некоторая пост-обработка. Так, при охлаждении часть материала, находящегося в каналах формы, затвердевает. Этот избыточный металл должен быть обрезан с помощью резаков.  При необходимости его можно добавлять в расплав, используя для литья следующей партии продукции.

Технология производства литейных форм методом послойной 3D-печати

24 Октября 2019

Денис Бычковский, к. ф.-м. н., генеральный директор ООО «Аддитивные технологии» Александр Неткачев, технический директор ООО «Аддитивные технологии»

Отечественное литейное производство является основной базой машиностроительного комплекса. Перспективы литейной отрасли определяются темпами развития машиностроения, потребностью в литых заготовках, динамикой их выпуска, уровнем развития литейных технологий и конкурентоспособностью отечественных предприятий

По данным последних лет, в России действует около 1250 предприятий, изготавливающих отливки, оборудование и сопутствующие материалы.

Однако уровень автоматизации литейного производства в нашей стране крайне низок — 78% отливок выпускаются на механизированных линиях и машинах, а также вручную.

В связи с этим разработка автоматизированных методов создания литейных форм становится одним из приоритетных направлений развития отрасли.

Проблема и решение

В транспортном машиностроении сегодня широко используются высокотехнологичные двигатели внутреннего сгорания. В их конструкцию входят сложные по форме и зачастую крупногабаритные блоки цилиндров и головки блоков цилиндров, которые изготавливаются российскими предприятиями по традиционным технологиям литья.

Первая из них — литье в одноразовые формы, сделанные вручную с помощью физических мастер-моделей. Для этого требуется длинная технологическая цепочка изготовления мастер-модели, подготовки смеси, формовка и сушка частей формы, места для хранения моделей и так далее.

Другая технология — литье в кокиль (металлическую форму) — очень затратна по времени (от 6 месяцев до 1–2 лет), трудоемка и экономически невыгодна, а кроме того, данный способ сопряжен с высоким риском брака при изготовлении кокиля. Оба подхода имеют технологические ограничения на сложность внутренней конфигурации отливки.

Все это значительно ограничивает потенциал разработки новой продукции и осложняет выпуск новых моделей, увеличивает сроки выхода новинок на рынок и стоимость запуска в производство, что, в свою очередь, негативно сказывается на конкурентоспособности конечной продукции. Проблемы с невозможностью реализации наилучших расчетных конфигураций конструкции традиционными методами ведут к снижению эксплуатационных характеристик продукции.

В последнее время для преодоления технологических ограничений и ускорения сроков проектирования и производства мировые лидеры машиностроения активно внедряют аддитивные технологии.

Создание литейных форм методами послойного синтеза позволяет обойти технологические ограничения традиционных способов и сократить производственную цепочку, отказавшись от таких операций, как изготовление мастер-модели из металла или композитных материалов, изготовление литниковой системы и прибылей, формовка частей формы (установка мастер-модели и литниковой системы в опоку и засыпка смесью). Это приводит к сокращению времени производства и снижению на порядок стоимости формы.

Для примера рассмотрим изготовление литейного стержня для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя различными методами (рис. 1). Как видно из приведенного примера, стоимость изготовления формы с использованием разрабатываемой технологии на три порядка меньше, чем по любой другой технологии.

Подобный экономический эффект достигается за счет того, что 3D-принтер создает литейную форму сразу по цифровой модели. Такая модель разбивается на слои и передается в 3D-принтер, в котором отвердитель наносится согласно цифровой модели литейной формы на предварительно подготовленный слой песчаной смеси.

В результате в зоне построения создается отвержденная часть песчаной смеси, точно повторяющая цифровую модель.

Изделие Объем стержня Материал Линейные размеры стержня

Литейный стержень для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя

300 см3

удаляемый из отливки песок (гипс)

300×216×85 мм

Рис. 1. Сравнение методов изготовления литейного стержня

Технология SLA и SLS 3D-печать Станок с ЧПУ Песчано-полимерная 3D-печать

Стоимость, руб.	46560	21560	45
Время, дней	9	24	1

Рис. 2. Напечатанная форма для отливки блока головки цилиндров в сборе с литейными стержнями

Технологии печати, применяемые для производства литейных форм

Для производства литейных форм методом послойной печати предназначены технологии струйной печати и спекания плакированного песка.

Технология непрерывного литья

При изготовлении отливок непрерывным литьем расплавленное сырье из металлоприемника через графитовый пустотелый полустержень поступает в кристаллизатор с обязательным водным охлаждением, при затвердевании вытягивается специальным устройством. Такие заготовки позднее обрезают по необходимым размерам.

Используют непрерывное литье с целью получения полуфабрикатовиз чугуна, цветных, драг. металлов. Заготовки не могут иметь посторонних включений, пористости, раковин благодаря созданию узконаправленного потока затвердевания металла. Эта особенность делает данный способ непревзойдённым для изготовления качественной проволоки.

Особенности работы с литьевой оснасткой

При переработке термопластов температура прессформы не должна быть выше температуры стеклования полимера или температуры его кристаллизации, поэтому обязательно применяют охлаждение прессформы или ее термостатирование. При переработке реактопластов, напротив, форму нагревают при помощи различных способов до температуры, выше точки отверждения термореактивного пластика.

Рисунок 2. Форма установленная на ТПА

При изготовлении пресс-форм важно помнить о необходимости организации вентиляционных каналов (выпаров), через которые расплавленная масса своим давлением должна вытеснять воздух из полости техоснастки. Отсутствие выпаров приводит к многочисленным трудно устранимым дефектам готовых пластиковых изделий. Прессформы для литья пластмасс могут быть горячеканальные и холодноканальные

Горячеканальные прессформы – более современны, характеризуются отсутствием или минимальным количеством отходов (литников), более быстрым временем производственного цикла, стабильным технологическим процессом и меньшим количеством брака. Горячеканальная система передает давление впрыска в область прессформы с минимальными потерями. При этом горячеканальные прессформы не рекомендуется применять для переработки некоторых нетермостойких пластиков, например жестких композиций ПВХ

Прессформы для литья пластмасс могут быть горячеканальные и холодноканальные. Горячеканальные прессформы – более современны, характеризуются отсутствием или минимальным количеством отходов (литников), более быстрым временем производственного цикла, стабильным технологическим процессом и меньшим количеством брака. Горячеканальная система передает давление впрыска в область прессформы с минимальными потерями. При этом горячеканальные прессформы не рекомендуется применять для переработки некоторых нетермостойких пластиков, например жестких композиций ПВХ.

Рисунок 3. Прибор управления горячим каналом

Вакуумное литьё

Технологический процесс литья в вакууме применяют для производства особо точных отливок из стальных специальных сплавов. При выполнении вакуумного литья из формы удаляют газы. Это позволяет получать отливки с тонкими стенками и высоким качеством структуры металла.

Существует несколько видов литья в вакууме:

После удаления воздуха происходит всасывание металла в литьевую форму, которую размещают над расплавленным металлом. Кристаллизация проходит под воздействием атмосферного или повышенного давления.

Расплавленный металл попадает в форму под воздействием давления, при этом форма располагается под расплавленным металлом.

Литье может быть осуществлено в специальном оборудовании, которое оснащено вакуумированными пресс-формами.

Вакуумное литье металлов часто используют одновременно с вакуумной плавкой.

Свойства формовочных смесей

Формовочную смесь характеризуют основные свойства:

Прочность определяет способность формы сохранять свою конфигурацию
Пластичность — важна для способности формы повторять подробности контура и деталей поверхности модели.
Газопроницаемость. Крупнозернистые составы легче пропускают газы.
Огнеупорность. Материал не должен плавиться или спекаться, ухудшая однородность поверхности отливки
Податливость
Гомогенность. Однородность смеси гарантирует постоянство ее свойств в пространстве.
Теплопроводность. Качественный материал имеет низкую теплопроводность. Это не дает примыкающему к форме слою отливки слишком быстро остывать, ухудшая свои свойства
Долговечность особенно важна для многоразовых форм. Для одноразовых форм долговечность означает число циклов повторного использования земли после измельчения и просеивания.

Свойства формовочных смесей

Для смесей разных назначений на первый план выходят разные свойства. Так, для облицовочных важны пластичность, огнеупорность и теплопроводность, а для наполнительных важнее прочность и газопроницаемость.

Интрузия

Интрузией называется процесс частичного заполнения формообразующей полости в режиме экструзии за счет вращательного движения шнека. Обычно он применяется для производства тяжелых, материалоемких изделий из пластиков. Таким образом можно применять термопластавтоматы с недостаточным для данного изделия объемом впрыска, т.к. форма заполняется не только за счет поступательного, но и за счет вращательного движения шнека в исходном положении

Для интрузии важно, чтобы полимерный материал был достаточно текучим, а литниковые каналы достаточно большого сечения. Также важно отметить, что режимом интрузии оснащаются не все ТПА, необходимо проверить его наличие в спецификации машины

Дефекты литейных сплавов

Перед тем, как производственный цикл выпуска отливок заканчивается, физические свойства и структурная целостность конечного продукта подлежат проверке. Методы испытаний могут быть разрушающими и неразрушающими. Выбор метода обнаружения дефектов зависит от технологического назначения детали. Для некоторых чисто эстетических продуктов требуется только краткий визуальный осмотр для определения точности размеров, наличия трещин и оценки качества отделки. Для литья, имеющего индустриальное применение, в ходе испытаний устанавливаются все физико-механические свойства металла (пластичность, прочность на растяжение, относительное удлинение, ударная вязкость, твердость и т.д.).

Наиболее распространёнными дефектами литья являются:

1. Усадочные дефекты. Когда металл затвердевает после заливки в формы или отливки, он должен сжиматься. Когда металла недостаточно, усадка из чугуна приведет к образованию отверстий или пустот в отливке. В зависимости от его причины существует много типов усадки. При осевой усадке материал по центру получает больше времени для затвердевания по сравнению с металлом по периферии, что приводит к образованию полости. Это может быть вызвано температурой, при которой заливается расплавленный металл, скоростью заливки,  качеством исходного сырья.
2. Дисперсная усадка. Размерное изменение элементов сплава может привести к такому типу усадки, где полости образуются перпендикулярно литейной поверхности. К этому типу дефектов может привести высокое содержание азота или низкое содержание углерода.
3. Иногда все литейные изделия могут иметь одинаковый тип дефектов по размерам. Причина – разная скорость отвердевания различных частей отливки.
4. Швы или шрамы. Это металлургический дефект, который характеризуется наличием углублений на поверхности отливки. Дефект вероятен, когда в процессе плавки графит перемещается в усадочные полости.
5. Шлаковые включения. Они представляют собой мелкие пятна, обнаруженные на поверхности литейных изделий. Такие включения вызываются загрязнениями исходного металла карбидами, кальцитами, оксидами и сульфидами.
6. Незаполнение отдельных участков. Вызывается наличием газа в отдельных частях пресс-формы, пониженной текучестью материала. Потребуется увеличить температуру его нагрева и/или вести плавку в вакууме.

Распространенные дефекты литья пластмасс под давлением

Литьё пластика под давлением — очень точный процесс. Небольшие ошибки в процессе или даже неправильный выбор полимеров могут привести к огромным потерям и проблемам с качеством

Следовательно, важно тщательно понимать типы дефектов литья под давлением и их причины, чтобы иметь подходящие варианты предотвращения

Часто наблюдаемые дефекты в процессе формования пластика:

Дефекты в процессе.

Во избежание дефектов литья под давлением необходимо тщательно определять различные факторы, такие как скорость потока смол, давление или настройки температуры. Если их не рассматривать надлежащим образом, они могут привести к появлению таких дефектов, как следы растекания, прогорания, коробление, пустоты под вакуумом, следы утолщения, линии сварных швов и струйная обработка.

Дефекты, связанные с выбором или хранением пластмасс — сюда входят такие дефекты, как обесцвечивание, расслоение поверхности, короткое замыкание, вспышка, серебряные полосы, застревание продуктов в форме и т. д.

Особенности выбора термопластавтомата

При выборе ТПА для литья пластмасс под давлением прежде всего учитывают объем дозы, то есть количество расплава полимера, необходимого для выпуска каждого конкретного изделия

Также важно усилие смыкания ТПА, сила сжатия необходимая для фиксации пресс-формы во время стадии впрыска и выдержки. При неправильном выборе усилия смыкания форма будет приоткрываться

Третьим важнейшим параметром является геометрия области закрепления оснастки на ТПА, а именно размер плит машины и расстояние между колоннами, а также «высоту прессформы». Эти величины определяют максимальный и минимальный размер литьевой формы для установки на конкретный термопластавтомат.

Кроме указанных важнейших основных параметров по выбору ТПА используют несколько более специальных, которые подробно описаны в специальной отраслевой литературе. Например, величина максимальной скорости инжекции, грузоподъемность плит ТПА (прежде всего подвижной плиты), соотношение длины шнека к его диаметру L/D, наличие режима интрузии и т.п

Также важно оснащение термопластавтомата различными узлами и опциями. Для высокоскоростных машин применяются гидроаккумуляторы впрыска и других перемещений

Для подключения роботов и других вспомогательных устройств контроллер ТПА следует оснастить разъемами Euromap 12 или Euromap 67. Применяются датчики фактического давления расплава, датчики падения отформованной детали и прочие.

Заливка детали

Литье пластиков своими руками напрямую зависит от того материала, который мастера выбрали для изготовления будущей конструкции.

Существуют рецепты приготовления пасты в домашних условиях, они требуют от мастера щепетильности и скрупулезности во время формирования состава сырья. Для изготовления материала, следует смешать 5 частей мелких опилок с 2 частями талька. Залить массу столярным клеем (его консистенция обязана отвечать состоянию сметаны).

Все тщательно перемешивается для получения теста одной консистенции.

Есть еще один хитрый ход: следует добавить 0,5 части алюминиевых квасцов, они предотвратят появление плесени на тесте, а пластичность при этом увеличивается в несколько раз.

Процесс приготовления теста для литья своими руками трудоемкий, он требует отличных знаний по этой теме. Именно поэтому многие начинающие заливщики, отдают свое предпочтение готовым смесям.

Литье пластмассы в домашних условиях