Разработка технологии изготовления алюминиевых отливок сложных тонкостенных деталей способом вакуумно-пленочной формовки

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ОТЛИВОК СЛОЖНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ СПОСОБОМ ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНОЙ ФОРМОВКИ

В.Н. Гераничев

В условиях опытного и мелкосерийного производства часто основным способом изготовления корпусных деталей модулей, рамок, панелей является механическая обработка заготовок из плиты АМг6 и сплава Д16. Некоторые детали выполняются литьем под давлением, дающим хорошее качество поверхности отливки и требующим минимальной механической обработки для получения готовых изделий по сравнению с другими технологическими процессами литья. К недостаткам способа относятся большие затраты и время на подготовку производства из-за высокой трудоемкости проектирования и изготовления литейных форм. Эффективность литья под давлением проявляется при серийности от 100 деталей.

В последнее время повышается интерес к специальным способам литья, сочетающим низкую стоимость подготовки производства с относительно высоким качеством отливок. Как правило, у таких литых заготовок коэффициент использования материала в 2-3 раза больше, чем у деформируемых заготовок, и их применение обеспечивает существенное уменьшение трудоемкости при дальнейшей механической обработке.

Целью работы явилась разработка технологии изготовления тонкостенных деталей способом вакуумно-пленочной формовки (ВПФ) с максимальным приближением по чистоте поверхности и геометрической точности к готовым деталям. Расчеты показывают, что ВПФ целесообразно применять при количестве деталей от 10 до 50 штук.

Технология ВПФ показана на рис. 1 [1].

песок

песок

песок

1

а). Наложение пленки б). Формирование верхней в). Форма в сборе Рис. 1. Схема технологического процесса при вакуумно-пленочной формовке

Над модельной плитой (рис. 1а), полость которой соединяется с вакуумной системой и сообщается с атмосферой через сквозные каналы, устанавливается нагреватель с открытой спиралью и температурой нагрева 700-800 °С. Пленка разогревается под действием нагревателя до пластического состояния и накладывается на плиту с моделью, где за счет созданного разряжения прижимается к поверхностям модели и плиты. Затем на модельную плиту (рис. 2б) устанавливается опока, имеющая двойные стенки, полости которых также соединены с вакуумным насосом. В опоку засыпают сухой песок, уплотняют его на вибростенде и накрывают сверху подогретой пленкой. Полость опоки подключают к вакуумной системе, а модельную плиту отсоединяют. Полуформу снимают с модельной плиты, при этом опока постоянно должна быть соединена с вакуумной системой. Нижняя полуформа изготавливается аналогично верхней. На рис. 1 в изображена форма в сборе. Разность давлений в теле и полости формы является основным фактором формирования литейной формы под

вакуумом. Эту разность необходимо поддерживать до конца заливки. Отливка удаляется из формы простым отключением вакуумного насоса.

Главное отличие ВПФ от известных способов литья в разовые песчаные формы заключается в том, что формовочная смесь не содержит связующего, а необходимые прочностные и размерные характеристики литейной формы достигаются путем создания разрежения в объеме формовочной смеси за счет применения герметизирующей пленки. При этом исключаются операции смесеприготовления, затраты на связующие и резко сокращается расход формовочных песков. Процесс легко поддается механизации и автоматизации.

Конструкция модельной оснастки для ВПФ несколько отличается от оснастки для изготовления форм традиционным способом. Для нее характерны небольшие литейные уклоны, которые объясняются тем, что силы трения между моделью и пленкой незначительны, и при вытяжке модели из формы требуются усилия в 20 раз меньшие, чем при обычном литье "в землю". Анализ экспериментальных данных различных источников показывает, что при определении припусков на механическую обработку величину их можно уменьшить на 25-35% по сравнению с предусмотренными ГОСТ 2009-78 и ГОСТ 1855-71 для соответствующего класса точности. Выбор материала модели определяется серийностью производства, требуемой точностью размеров и обеспечением чистоты поверхности отливок. Поскольку модели не контактируют с формовочным составом, у них практически отсутствует износ. Модельная оснастка, сохраняя длительный срок службы, может изготавливаться из недорогих материалов: дерева, пластмасс, гипса.

Была спроектирована и изготовлена деревянная модельная оснастка с припуском 2 мм на механическую обработку для двух тонкостенных деталей - "панель" и "рамка", имеющих толщину стенок 2,6-3,0 мм, и с припуском 5 мм для сложной детали "корпус" с внутренними полостями и толщиной стенок 5 мм. Проектирование оснастки включало в себя:

• выбор положения отливки в литейной форме,

• определение поверхности разъема формы,

• определение мест расположения прибылей,

• расчет и построение литниковой системы,

• расчет стержней,

• проверку спроектированной оснастки.

Большое влияние на физико-механические свойства технического металла в литом состоянии оказывает литниковая система, от которой зависит механизм заполнения расплавом полостей литейной формы и в конечном итоге уровень усадочной пористости в отливках [2]. Формирование пор происходит в период кристаллизации и последующего затвердевания отливки, когда объемная усадка не компенсируется поступлением жидкого металла из литников питаюшей системы. Последующее охлаждение затвердевшей отливки не оказывает существенного влияния на величину и характер пористости. В настоящее время отсутствуют надежные методы расчета литниковой системы, пригодные для любой отливки. Методики расчета заполняемости форм можно условно разделить на 2 группы: эмпирические, являющиеся результатами статистической обработки экспериментальных и производственных данных, и теоретические, разработанные на основе использования в качестве исходной модели течение расплава в пробах на жидкотекучесть и на основе использования законов гидравлики. При построении литниковых систем были использованы упрощенные модели процессов заполнения формы и процессов, происходящих на стадии формирования отливки. Было принято допущение, что при толщинах стенок отливки более 5 мм трением в полости формы можно пренебречь. Тем не менее, даже эта приближенная оценка позволила получить отливки без геометрических дефектов уже на первых образцах.

Для опробования был выбран сплав АК7 (аналог АЛ9), имеющий хорошую жидкотекучесть. Для изготовления отливок применялась отечественная пленка сэвилен, в качестве формовочного материала - песок марки К 016. Вакуум величиной 0,7 атм создавался водокольцевым вакуумным насосом модели ВВН. Вид опытной отливки детали "рамка" представлен на рис. 2.

Рис. 2. Опытная отливка детали "рамка"

На рис. 3 приведен внешний вид детали "корпус". При получении отливок детали "корпус" для формирования внутренних полостей применялись стержни.

Рис. 3. Схематичный вид детали "корпус"

Получение высоких механических и технологических свойств отливок возможно только из качественного жидкого расплава [3]. Этому было уделено особое внимание. Выплавка опытных образцов производилась в индукционной печи с применением графитосодержащего тигля. Температура в печи находилась в пределах 700-720°С.

Для рафинирования металла использовался гексахлорэтан. Модифицирование осуществлялось лигатурой алюминий - цирконий.

Химический состав и механические свойства опытных плавок приведены в табл. 1. Видно, что наиболее высокие показатели по механическим свойствам - у сплава АК7 после проведения термообработки по режиму Т5. Этот режим использовался в дальнейшем для термообработки получаемых отливок.

Марка сплава Химический состав, масс. % Механические свойства Примечание

АК7 Мм Си Ве Т1 Бе 81 Мп гп ств, МПа 5, %

0,3 0,68 -- -- 1,2 7.0 0,26 -- 140 1.0 литье в песчано-глиняные

142 1.1 формы, сырое состояние

174 1.4 литье по способу ВПФ,

178 1.2 сырое состояние

214 1.28 литье по способу ВПФ, режим

217 1.25 термообработки Т5

Таблица 1. Физико-химические свойства опытных плавок

В первых полученных отливках детали "панель" была обнаружена значительная пористость. Для повышения скорости теплоотвода был применен стальной холодильник, что свело пористость к минимуму. В тепловых узлах отливки "рамка" наблюдались усадочные раковины, которые были устранены добавлением прибылей.

Технические условия на деталь "корпус" предполагают ее герметичность с применением газовой рабочей среды. Вопрос герметичности конструкции тесно связан с пористостью, являющейся функцией характера затвердевания. Статистический анализ брака деталей пневмогидравлических агрегатов и систем показывает, что основным дефектом, вызывающим разгерметизацию, является усадочная пористость.

Используемые в пневмоагрегатостроении литейные сплавы условно можно разделить на две группы.

1. Сплавы, обладающие высокими прочностными показателями, пластическими характеристиками и низкими технологическими свойствами. К ним относятся сплавы типа твердого раствора, например АМ5. Эти сплавы применяют при изготовлении нагруженных деталей, испытывающих ударные и знакопеременные нагрузки.

2. Сплавы, обладающие высокими прочностными показателями, удовлетворительными пластическими характеристиками и высокими технологическими свойствами. Сюда относятся сплавы систем А1-Б1, А1-Б1-М§, в частности, АК7. Они обладают высокими литейными свойствами и применяются для высокогерметичных и нагруженных деталей сложной конфигурации. В табл. 2 приведены свойства основных представителей этих групп.

Сплав Температурный интервал Жидкотекучесть Линейная Герметичность

кристализации , °С мм усадка, % МПа

АК7 33 360 1,0 19

АМ5 100 205 1,25 7

Таблица 2. Технологические свойства и герметичность сплавов

Большое число работ для предупреждения пористости и получения герметичных отливок рекомендует использование сплавов, содержащих процент эвтектики не менее 60% [4]. На практике в качестве оценочной меры герметичности отливок из

алюминиевых сплавов и применимости их для деталей пневмоагрегатов принята и используется шкала герметичности, представленная в табл. 3.

Марка Содержание Состояние поверхности и толщина Уровень герметичности в баллах в

сплава эвтектики в сплаве по ос- стенок зависимости от давления, атм

новным компонентам, % 5 10 20 30

АК7 60 Литая - 3 мм, механически обработанная - 4 мм 1 1 1 1 1 1 1 1

АЛ3 40 Литая - 5 мм, механически обработанная - 4 мм 1 1 1 1 1 1 1 1

АЛ40 25 Литая - 3 мм, механически обрабо- 1 1 1 -

танная - 4 мм 2 3 3 -

АЛ19 19 Литая - 3 мм, механически обработанная - 4 мм 2 4 3 4 3 3

Примечание: Балл 1 - нет утечки, Балл 2 - 1-10 мл/мин, Балл 3 - 10-100 мл/мин, Балл 4 - выше 100

мл/мин

Таблица 3. Шкала герметичности алюминиевых литейных сплавов

для точного литья

Эти данные были приняты во внимание при выборе алюминиевого сплава для изготовления детали "корпус".

В результате проведенной работы получены опытные образцы отливок деталей "панель", "рамка" и "корпус". На поверхности отливок отсутствуют внешние дефекты. Исследования механических свойств образцов, вырезанных из отливок, показали их соответствие техническим требованиям по ОСТ 90021-79. Размерные точности изготовленных из отливок деталей соответствуют требованиям конструкторской документации.

Разработана технология литья алюминиевого сплава АК7 по способу ВПФ, позволяющая в короткие сроки получать заготовки, приближенные к форме готовых изделий. Литейные заготовки технологичны, обладают хорошей обрабатываемостью. Метод перспективен для применения в точном приборостроении крупногабаритных отливок сложной формы. По результатам анализа литературных источников проведено обоснование использования сплава АК7 при изготовлении пневмогерметичной детали " корпус". Вопрос соответствия опытных образцов корпуса требованиям по герметичности, позволяющим эксплуатировать изделия с обеспечением заданного ресурса, требует дополнительной проработки и проведения пневмоиспытаний имеющихся отливок и деталей.

Литература

1. Рябинкин В.Д., Кузнецов В.П. Оборудование для вакуумно-пленочной формовки. // Литейное производство. 1993. №9.

2. Берг П.П. Основы построения технологических формул для оценки тепловых процессов в литейных формах при затвердевании металла. Сб. статей. М.: Машгиз, 1958.

3. Пирязев В.П. Разработка и исследование высокопрочного алюминиевого сплава и технологии литья сложных тонкостенных деталей. Диссер. канд. техн. наук, Горький, 1977.

4. Эскин Г.И. Точное литье авиационных агрегатов из алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1967.