Text
                    3-е издание,
переработанное и дополненное
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1990 ¦-


ББК 34.61 Л64 УДК 621.745.043 : 621.865.8 Авторы: |М. Б. Беккер |, М. Л. Заславский, Ю. Ф. Игнатенко, Р. А. Ко- Короткое, В. Я. Невзоров Рецензент д-р техн. наук проф. Г, П. Борисов Литье под давледаем/М.,,.Б, ..Беккер.,, М. Л. Заславский, Л64 Ю. Ф. Игнатенко Машиностроение, ISBN 5-217-00817-4 Дан анализ совре» др. —3-е изд., пефраб. и доп. — М.: 990. — 400 с: ил. енного уровня, обобщены Ьостнження н перспек- перспективы научно-техническою. процесса»в.,ли1ье—вод давлением. Рассмотрены вопросы конструирования отливок, проектирования технологического процесса, выбора машин и определения параметров процесса литья, авто- автоматизированного проектирования пр^сс-форм и условий их работы. В третьем издании B-е нзд/1975 г.) дан анализ проблем создания роботизированных технологических линии, гибких производственных модулей и комплексной автоматизации цехов литья под давлением. Для инженерно-технических работников, занимающихся литейным производством. Л 2704020000—055 038 @1)—90 ISBN 5-217-00847-4 55—90 ББК 34.61 Издательство «Машиностроение», 1975 М. Б. Беккер, М. Л. Заславский, Ю. Ф. Игнатенко и др., 1990 ПРЕДИСЛОВИЕ Процесс литья под давлением имеет более чем вековую историю. Главными его преимуществами являются возможность получения заготовок с минимальными припусками на механическую обра- обработку или без нее и минимальной шероховатостью необрабаты- необрабатываемых поверхностей, обеспечение высокой производительности и низкой трудоемкости изготовления деталей. За время, прошедшее после выхода в свет второго издания монографии, в технологии литья под давлением произошли зна- значительные изменения, были разработаны новые машины и средства автоматизации, появилось оборудование, обеспечивающее высо- высокие скорости и усилия прессования, контроль и регулирование в широких пределах технологических режимов литейного про- процесса. Для получения отливок расширилось применение высоко- высокопрочных алюминиевых, магниевых и других сплавов. В третьем издании книги авторы постарались осветить все вопросы, основываясь на достижениях промышленности, конструк- конструкторских бюро, научно-исследовательских и учебных институтов. Как и во втором издании, большое внимание уделено техноло- технологическим аспектам литья под давлением, начиная от технологич- технологичности конструкций отливок и заканчивая проблемами автоматиза- автоматизации управления технологическим процессом. Авторы учли, что некоторые проблемы литья под давлением, такие, как тепловые и гидродинамические условия формирования отливок, теоретические основы расчета технологических параме- параметров заполнения и подпрессовки, достаточно подробно изложены в книге А. К. Белопухова «Технологические режимы литья под дав- давлением», выпущенной издательством «Машиностроение» в 1985 го- году, а основы конструирования машин — в книге Б. Ф. Ного- вицина «Основы расчета и проектирование машин для литья под давлением», выпущенной издательством Иркутского университета
в 1987 году. Эти проблемы рассмотрены в книге очень кратко. Авторы не претендуют на полное изложение всех аспектов технологии литья под давлением. Ряд теоретических положений и практических выводов отражает их точку зрения и может слу- служить предметом дальнейших дискуссий. Все замечания и предло- предложения будут приняты авторами с благодарностью. Гл. 1, п. п. 2.2—2.4, 3.1—3.4, 3.6 написаны Р. А. Коротко- вым, п. п. 2.1, 3.5 и 3.7 — Ю. Ф. Игнатенко, гл. 4 — М. Б. Бек- кером, гл. 5, 8 и 9 — М. Л. Заславским, гл. 6 и 7 — В. Я. Нев- Невзоровым. 1 СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ 1.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА При литье под давлением металлический сплав в жидком или твердожидком состоянии подается в камеру прессования специ- специальной машины под давлением, создаваемым перемещающимся в этой камере поршнем, с высокой скоростью через литниковые каналы заполняет полость пресс-формы и затвердевает в ней под давлением. При раскрытии пресс-формы отливка извлекается. Существуют четыре основные схемы процесса литья под давле- давлением, позволяющие получать широкую номенклатуру отливок из различных сплавов. Первая схема — литье под давлением на машинах с горячей камерой прессования (рис. 1.1). Камера прессования заполняется металлом из тигля 4 через заливное отверстие 3. Расплавленный металл под давлением поршня 1, приводимого в движение пнев- пневматическим или гидравлическим цилиндром, вытесняется из камеры прессования 2 в полость пресс-формы 5 при перекрытом отверстии 6. Металл затвердевает, образуя отливку 7, а прессу- прессующий поршень возвращается в исходное положение. Незатверде- вшая часть металла сливается по каналу мундштука 8 и металло- проводу 9 в камеру прессования. После охлаждения до заданной температуры отливка удаляется из /рабочей полости формы. Пресс-форма очищается, смазываете^, и рабочий цикл повторяется. Технологическими преимуществами этой схемы является ста- стабильность технологических параметров, отсутствие потерь сплава в процессе заливки, широкие возможности автоматизации всего литейного цикла, высокая производительность. Существенные недостатки — быстрое изнашивание прессующей пары (поршня и камеры прессования), образование зазора между ними, что приводит к снижению давления прессования. Это вызывает повы- повышенную пористость, снижение качества поверхности, четкости оформления конфигурации отливки. Литьем под давлением на машинах с горячей камерой прессо- прессования можно получать отливки из сплавов не реагирующих с материалом прессующей пары и металлопровода. Вторая схема — литье на машинах с холодной вертикальной камерой прессования (рис. 1.2). Расплавленный металл зали- заливается в камеру прессования 1 с подвижным дном 2, называемым 5
Рис, I.I. Схема литья под давлением иа машииая с горячей камерой прессо- прессовании пяткой. Прессующий поршень 3 в момент заполнения камеры на- находится в верхнем положении, затем он опускается на металл, перемещая пятку вниз и открывая отверстие в литниковой втулке 4, через которое металл поступает в полость формы 5. После затвер- затвердевания металла пятка поднимается, отделяя литник от пресс- остатка 6. После раскрытия пресс-формы выталкивателями из ее подвижной части удаляется отливка 7 вместе с литниковой си- системой. Технологическую схему с вертикальной камерой прессования целесообразно применять в тех случаях, когда отливки имеют глубокие полости при относительно небольшом ходе подвижной плиты машины на раскрытие, когда нужно использовать централь- центральный литник. При литье по этой схеме неметаллические включения, имеющиеся в расплаве, задерживаются в пресс-остатке, так как площадь литника значительно меньше площади камеры прес- прессования. Третья схема — литье на машинах с холодной горизонталь- горизонтальной камерой прессования (рис. 1.3). Расплавленный металл заливается в камеру прессования 2, расположенную горизонтально по оси машины и перпендикулярно к плоскости разъема формы, непосредственно связанную с неподвижной половиной формы 1. В верхней части камеры имеется окно 3 для заливки металла. При движении пресс-поршня 5 металл через питатель 4 запол- заполняет рабочую полость формы. После окончания кристаллизации металла форма раскрывается, и отливка 6 с пресс-остатком 7 выталкивается пресс-поршнем из неподвижной части формы 8. Как правило, отливка остается в подвижной половине пресс- Рис. 1.2. Схема литья под давлением иа машинах с колодной вертикальной ка- камерой прессовании I 4-= п ш 1 W 3 щ 1 | м 1 2 * S 8 7 Рис. 1.3. Схема литья под давлением на машина» с колодной горизонтальной камерой прессования формы, а затем выталкивается с помощью системы толкателей, либо сбрасывается в специальную тару, либо извлекается захва- захватами манипулятора. При литье по этой технологической схеме потери теплоты жидким металлом и гидравлическое сопротивление на пути его движения в полость пресс-формы меньше, чем при литье на ма- машинах с вертикальной камерой прессования, в результате исклю- исключения одного из элементов литниковой системы — литникового хода. Это позволяет снизить температуру заливки сплава, умень- уменьшить пористость отливки и осуществить ее эффективную подпрес- совку после окончания заполнения. Возможность широкого диа- диапазона изменения скорости прессования позволяет создавать наиболее благоприятные гидродинамические и тепловые условия формирования отливки, до минимума сокращать пористость от- отливок. В последние годы технология получения отливок на машинах с холодной горизонтальной камерой прессования получила наи- наибольшее распространение как у нас в стране, так и за рубежом. Впервые литье под давлением было применено Г. Бруссом в 1838 г. при изготовлении литер с изображением букв для газето- печатных машин. В 1839 г. был взят первый патент на поршневую машину для заливки металла под давлением. В машиностроении литье под давлением начали применять с 1849 г. для производства мелких деталей из оловянно-свинцовых сплавов. Машина кон- конструкции В. Стуржиса, используемая для этих целей, имела руч- ручной поршневой привод, с помощью которого в камере прессова- прессования, расположенной внутри тигля с расплавленным металлом, создавалось давление 100—150 Па. В 60-х годах прошлого века литье под давлением стали применять для изготовления отливок из сплавов на цинковой основе. В поисках повышения произво- производительности ручной привод в поршневых машинах заменили пневматическим. В конце XIX в. были сделаны попытки исполь- использовать для литья под давлением алюминиевые, а затем и медные сплавы. По словам Л. Фроммера, «история развития литья под давлением есть в то же время история постепенного преодоления трудностей, возникавших благодаря применению все более туго- тугоплавких и обладающих все более неблагоприятными литейными свойствами сплавов» [73].
«*tllv> щ е; лг) з) Рис. 1.4. Схемы поршневых и компрессорных машин Все современные машины для литья под давлением по прин- принципу работы узла прессования подразделяют на два класса: машины с горячей камерой прессования и машины с холодной камерой прессования. В свою очередь, машины с горячей камерой делятся по способу запрессовки металла в форму на поршневые и компрессорные. Поршневые машины могут иметь вертикальную или горизон- горизонтальную камеру прессования. Поршневые машины с вертикаль- вертикальной камерой прессования подразделяют на машины с вертикаль- вертикальной (рис. 1.4, а), наклонной (рис. 1.4, б) и горизонтальной (рис. 1.4, в) плоскостью разъема пресс-формы. Машины с непо- неподвижным горизонтальным металлопроводом могут иметь вер- вертикальный (рис. 1.4,2) или горизонтальный (рис. 1.4,5) разъем формы.^ В современной практике поршневые машины с горячей камерой прессования и горизонтальной плоскостью разъема пресс-формы применяют крайне редко. Машины, в которых движение металла осуществляется под действием сжатого воздуха, называют компрессорными. Первые конструкции этих машин, разработанные в конце прошлого века, 8 были предназначены для изготовления отливок из алюминиевых сплавов. Принцип их работы заключается в том, что сжатый воздух давит на всю поверхность металла в тигле, из которого он поступает по неподвижному металлопроводу в пресс-форму с вер- вертикальной (рис. 1.4, е) или горизонтальной (рис. 1.4, дав) пло- плоскостью разъема. В настоящее время компрессорные машины такого типа выделились в отдельную группу машин для литья под низким давлением. Компрессорные машины для литья под давлением с непо- неподвижным металлопроводом были заменены машинами с подвижным металлопроводом, называемым гузнеком (рис. 1.4, з). В отличие от машин с неподвижным металлопроводом, в которых давление сжатого воздуха на металл не превышало 60 Па, в машинах с по- подвижным металлопроводом воздух давит на небольшую поверх- поверхность металла, находящегося в гузнеке, что дает возможность по- повысить давление до 400 Па. Кроме того, в гузнеке резко умень- уменьшается поверхность окисления жидкого металла. Машины с гузнеком не могли обеспечивать высокое качество отливок из сплавов на основе алюминия и быстро выходили из строя из-за разъедания стальных подвижных деталей камеры прессования. Их применяли главным образом для получения отливок из цинковых сплавов. Принцип работы первых машин литья под давлением сохра- сохранился в одном из классов современных машин, получивших название машин с горячей камерой прессования. Но только со- создание машин с холодной камерой прессования позволило полу- получить отливки из алюминиевых сплавов требуемого качества. В первые десятилетия нашего века конструкции и качество изготовления пресс-форм уже отвечали требованиям по чистоте поверхности и точности размеров, предъявляемым к деталям машин и приборов. Технология изготовления деталей из проката механической обработкой оказалась значительно более трудо- трудоемкой, чем получение той же детали из литой заготовки. Кроме того, расход металла при этом снижался в 3—4 раза, поэтому совершенствование литья под давлением, которое позволяло получать заготовки по малоотходной и малооперационной тех- технологии, шло по пути приближения отливки по конфигурации, размерам и шероховатости поверхности к готовой детали. Производство продукции крупными сериями особенно способ- способствовало развитию литья под давлением. Быстрая окупаемость затрат на оборудование и литейную оснастку ускорила процесс совершенствования и производства машин литья под давлением и пресс-форм. В 1924 г. фирмы Ekkert (Германия) и Polak (Чехословакия) сконструировали и изготовили машины с холодной вертикальной камерой прессования. Это привело к широкому внедрению в мас- массовое производство технологии изготовления отливок из алюми- алюминиевых, а затем и медных сплавов. 9
Рис. 1.5. Вертикальные камеры прессования Существует несколько разновидностей вертикальных камер прессования. В 1939 г. в СССР была выпущена серия машин ОВП с холодной камерой, расположенной непосредственно в пресс- форме (рис. 1.5, а). Фирмой Polak была изготовлена машина вертикальной ком- компоновки мод. Р 100/100, в которой камера прессования разме- размещалась в пресс-форме с горизонтальным разъемом (рис. 1.5, б), аналогичная машина мод. МЛ 50/50 была выпущена в СССР. С 1961 г. фирма Press Automatic (США) начала выпуск машин с вертикальным расположением запирающего механизма и вер- вертикальной запрессовкой металла снизу по схеме, приведенной на рис. 1.5, в. Машины вертикальной компоновки с поворотом узла прессования и сегодня находят применение для получения отли- отливок с повышенными требованиями по прочности и плотности (рис. 1.6). На машинах этого типа легко осуществлять автомати- автоматическую заливку и дозирование жидкого металла. Применяемая для машин данной конструкции схема спокойного заполнения снизу через утолщенные питатели не требует высокого давления, что позволяет получать крупногабаритные детали при сравни- сравнительно небольших усилиях запирания пресс-формы, эффективно Ю Рис. 1.6. Схема машины литья под давлением с вертикальной камерой прессо- прессования фирмы Ube (Япония) использовать подпрессовку. Машины вертикальной компоновки успешно применяют для изготовления роторов электродвигателей. В СССР промышленное освоение литья под давлением началось в 20-е годы этого столетия. В 1923 г. А. Ф. Дурниенко изготовил пневматическую машину для литья под давлением цинковых сплавов и организовал в Москве мастерские по выпуску деталей замков и других бытовых изделий. В 1925 г. в Ленинграде на двух заводах инженер Б. Ю. Юнгмейстер организовал производ- производство отливок под давлением на ручных машинах с горячей ка- камерой. Здесь впервые начали изготовлять литые заготовки деталей приборов. В 1929 г. работники завода «Изолит» С. Я. Ямщиков, А. П. По- Полянский, Н. А. Шубин, П. П. Кирьянов и другие создали на базе машин с горячей камерой прессования цех литья под давле- давлением и разработали технические условия на поставку литья под давлением. В 1931 г. на одном из ленинградских заводов В. М. Пляцкий организовал участок литья под давлением, где на машинах с хо- холодной камерой прессования было освоено производство деталей приборов сложной конфигурации из алюминиевых, цинковых и медных сплавов. В 30-е годы было освоено производство отливок под давлением на Горьковском и Московском автомобильных заводах, на заводе «Автоприбор» в р. Владимире и др. ^ II
В 1940 f. завод «Красная Пресня» изготовил машину мод. ЛД-7 с вертикальной камерой прессования — это было началом оте- отечественного производства необходимого для литья под давлением оборудования. Позже этим же заводом было освоено производство машин с горизонтальной холодной камерой прессования. Машины такого типа нашли наибольшее распространение в промышлен- промышленности. Это объясняется простотой и надежностью конструкции такой камеры. Кроме того, в машинах с горизонтальной холодной камерой прессования потери теплоты жидким металлом и гидра- гидравлическое сопротивление на пути его движения в полость пресс- формы меньше, чем в машинах с вертикальной камерой, в ре- результате исключения литникового хода. Это позволяет снизить температуру заливки сплава, уменьшить пористость и осуществить эффективную подпрессовку отливки после окончания заполнения формы. Машины с горизонтальной камерой прессования имеют более высокую производительность, чем машины с вертикальной камерой, так как поршень выталкивает пресс-остаток в момент раскрытия пресс-формы без дополнительных затрат времени. Отечественное машиностроение выпускает машины с холодной горизонтальной камерой прессования с усилием запирания 1 000— 35 000 кН. Большая часть современных машин имеет механизм прессования с мультипликацией давления рабочей жидкости в период подпрессовки. Различные конструкции и эксплуатаци- эксплуатационные характеристики механизмов прессования с мультиплика- мультипликаторами рассмотрены в работах [58, 32]. Дальнейшее совершенствование машин для литья под давле- давлением направлено по пути повышения скоростей движения прессу- прессующего поршня с бесступенчатым регулированием скорости на различных этапах заполнения пресс-формы при одновременном снижении гидравлического удара в момент перехода от заполне- заполнения к подпрессовке. Отечественная промышленность выпускает в основном машины литья под давлением с холодной горизон- горизонтальной камерой прессования и автоматизированные комплексы и линии на их базе. Молдавское ПО «Точлитмаш» специализи- специализируется на выпуске машин с усилием запирания до 6000 кН, а ПО «Сиблитмаш» — до 35 000 кН. За рубежом машины литья под давлением и автоматизирован- автоматизированные комплексы на их базе Выпускают фирмы Vihorlat Snina (ЧССР), Litostroj (Югославия), фирма Btihler (Швейцария), JDRA, Itallpress, Triulzi (Италия), Freeh, Weingarten (ФРГ), Toshiba, Ube (Япония), Lester, Sterling, Gabler (США) и др. Важнейшей предпосылкой дальнейшего повышения количе- количества отливок и эффективности литья под давлением является создание автоматизированных комплексов, гибких производ- производственных систем и роторных линий литья под давлением, гибких автоматизированных производств [65]. Программами технического перевооружения предусматри- предусматривается интенсивное обновление парка оборудования, применение 12 ЭВМ для управления процессами и производством, ужесточение требований техники безопасности, улучшение условий труда, повышение внщ|ания к охране окружающей среды. 1.2. ОСНОВНЫЕ' ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА При литье под давлением основными факторами, определяющими формирование отливки, являются давление в камере прессования и пресс-форме, скорости движения поршня и впуска жидкого ме- металла в форму, параметры литниково-вентиляционной системы, температуры заливаемого металла и формы, режимы смазывания и охлаждения рабочей полости формы и камеры прессования. Совокупность таких параметров, как давление в потоке ме- металла, скорость движения металла, противодавление, возникаю- возникающее вследствие затрудненного удаления воздуха и газообразных продуктов сгорания смазочного материала, образует гидродина- гидродинамический режим формирования отливки. Температуры заливае- заливаемого сплава и формы, продолжительность заполнения и подпрес- подпрессовки, а также темп работы определяют тепловой режим процесса. От правильного выбора технологических режимов заполнения и подпрессовки, определяющих конструкцию пресс-формы, тип и мощность машины для литья под давлением, зависит качество отливок. Теоретические основы процесса литья под давлением разра- разработаны на основе проведенных научных исследований и накоплен- накопленного производственного опыта. Они достаточно подробно изло- изложены в работах [6, 73, 87, 85]. Гидродинамический режим формирования отливки создает ки- кинетику заполнения, газовый режим формы, характер распределе- распределения газовых включений в отливке и качество рельефа ее поверх- поверхности. Давление в потоке металла возникает в результате сопро- сопротивления движению металла при прохождении его через тонкие сечения полости пресс-формы и обтекании стержней, при поворо- поворотах, сужениях и расширениях потока. В случае отсутствия сопро- сопротивления величина гидродинамического давления в потоке опре- определяется противодавлением воздуха и газов, удаление которых затруднено из-за невозможности выполнения "вентиляционных каналов большого сечения. Четкость оформления рельефа и шероховатость поверхности отливки зависят от кинетической энергии потока. В момент окон- окончания его движения создается гидродинамическое давление на стенки пресс-формы Рф = Рм^ф» где Рм — плотность жидкого металла; оф — скорость потока в пресс-форме. Высокая скорость впускаемого потока (скорость впуска) соответствует получению тонкостенных крупногабаритных отли- ) 13
IV Рис. 1.7. Изменение скорости прессующего поршня в давления в цилиндре прессования за время кода поршня вок сложных очертаний. Высокие скорости впуска и потока в пресс-форме создаются в результате быстрого перемещения прессующего поршня. Для преодоления сопротивления затвер- затвердевающей массы металла в тонких сечениях оформляющей поло- полости, а также сопротивления газов, остающихся в отливке, необ- необходимо высокое гидростатическое давление. Оно передается от прессующего поршня через литниковый питающий канал. Чем позже затвердеет питатель, тем продолжительнее действие давле- давления. Процесс передачи гидростатического давления в полость пресс-формы называется подпрессовкой. Использование утолщен- утолщенных питателей позволяет осуществить подпрессовку и питание отливки жидким металлом в период кристаллизации и тем самым устранить усадочные раковины. Процесс движения металла в камере прессования и пресс- форме можно разбить на четыре фазы. На рис. 1.7 приведены кривые изменения скорости опр перемещения прессующего поршня и давления р рабочей жидкости в цилиндре прессования за время хода поршня. Если пресс-форма заполняется сплошным потоком, то изменение давления металла в ее полости будет подобно изме- изменению давления жидкости в цилиндре. За время тх поршень пере- перекрывает заливочное отверстие (фаза /). Скорость поршня опр1 небольшая. Значение рх соответствует давлению, необходимому для преодоления трения в гидравлическом цилиндре и камере прессования. Период % (фаза //) соответствует заполнению металлом под действием поршня всего объема камеры прессова- прессования, вплоть до литниковых каналов. Скорость поршня начинает возрастать и достигает максимального значения опр2 (на машинах 14 Рис. 1.8. Пресс-форма для киносъемки процесса заполнения: / — пластина с отверстием для крепления стекла; 2 — закаленное жаропрочное стекло; 3 — свинцовая прокладка; 4 и 5 — неподвижная и подвижная половины пресс-формы; 6 — литниковая втулка современных моделей возможна еще одна ступень повышения скорости в период заполнения). Давление р% больше рг на вели- величину гидравлических сопротивлений в камере прессования. В период времени т3 (фаза ///) заполняется литниковая система и полость пресс-формы. Вследствие резкого сужения потока в пи- питателе скорость падает до опрз, а давление р3 повышается. При меньших значениях максимальной скорости давление в фазах // и /// также падает (штриховые линии). В момент окончания хода поршня происходит гидравлический удар вследствие итерацион- итерационных сил подвижных частей прессующего механизма, давление возрастает. После затухания колебания устанавливается конечное гидростатическое давление р4 и начинается фаза IV — подпрес- совка. Величина конечного давления зависит от рода сплава, его
75 400-Ю, С Рис. 1.9, Схема дисперсно-турбулентного заполнения состояния (вязкости, плотности), требований к отливке и других факторов. Она может изменяться от 0,50 до 50 кПа. Если к мо- моменту достижения давления р4 металл в питателе остается жидким или, как принято называть, жидкоподвижным, то это давление передается на затвердевающую отливку. Максимальное усилие подпрессовки должно развиваться прес- прессующим механизмом машины не в момент начала затвердевания отливки, а практически сразу по окончании заполнения пресс- формы. Характер движения металла в оформляющей полости зависит от скорости впуска, соотношения толщин питателя и отливки, вязкости и поверхностного натяжения заливаемого сплава, теп- тепловых условий его взаимодействия со стенками пресс-формы. На основе скоростных киносъемок процесса движения металла в прозрачной пресс-форме (рис. 1.8), результаты которых подробно рассмотрены в работах [6, 73], установлено, что при литье с ма- малыми скоростями впуска возможно заполнение даже ламинарным потоком, со средними скоростями — сплошное турбулентное за- заполнение. При высоких скоростях впуска поток разбивается, заполнение становится дисперсным. Однако заполнение полости формы ламинарным, турбулентным или дисперсным потоком возможно лишь при получении образцов или отливки простой формы. Большая часть отливок, используемых в машиностроении и приборостроении, имеет сложную конфигурацию с локальными утолщениями, бобышками, приливами и переходами, поэтому даже дисперсное заполнение в чистом виде наблюдается очень редко. Реальное заполнение отливок сложной конфигурации представляет собой последовательное превращение дисперсного потока, образовавшегося в месте удара струи о стенку формы, в сплошной турбулентный подпор, как это показано на рис. 1.9. 16 Таким образом, часть полости формы заполняется дисперсным потоком, а удаленные от питателя сечения полости заполняются сплошным турбулентным потоком. Соотношение дисперсных и турбулентных потоков зависит от скорости впуска, толщины отливки и сложности конфигурации, главным образом от числа поворотов в полости формы 17]. Тепловой режим процесса формирования отливки при литье под давлением обеспечивает подвижность сплава как в период заполнения формы, так и в процессе подпрессовки. Он связан с высокой интенсивностью теплового взаимодействия жидкого металла со стенками массивной пресс-формы. Процесс охлаждения металла можно разделить на два периода. Первый — охлаждение жидкого металла при движении его в лит- литниковой системе и оформляющей полости. На этом этапе важно правильно выбрать продолжительность заполнения, чтобы преду- предупредить образование неслитин, пористости и оксидных плен. Второй период — затвердевание металла после заполнения пресс- формы. На этом этапе необходимо создать условия направленного затвердевания металла отливки. Соблюдение принципов напра- направленного затвердевания во многом зависит от технологичности конструкции отливки, температуры заливаемого сплава и темпе- температуры пресс-формы. Тепловой режим определяет не только качество отливок, но и стойкость формы. Одна из основных причин разрушения поверх- поверхностных слоев матриц и пуансонов и появление на отливках так называемых следов разгара формы — это возникновение темпе- температурных напряжений во вкладыше. Долговечность пресс-формы, как показали результаты исследований В. Т. Рождественского, зависит от величины максимальных температурных напряжений и коэффициента линейного температурного расширения материала пресс-формы. Кроме того, она снижается из-за активного силового взаимодействия между охлаждающимся сплавом и нагревающи- нагревающимися рабочими частями формы. Тепловой режим, определяющий условия формирования от- отливки, связан с высокой скоростью затвердевания жидкого ме- металла, которая возрастает при охлаждении формы водой или тер- морегулирующей жидкостью. Терморегулирование рабочей по- полости пресс-формы необходимо для стабилизации и выравнивания тепловых условий в различных по толщине сечениях отливки. Для обеспечения свариваемости отдельных потоков металла до его затвердевания с целью предупреждения неслинин, пори- пористости и оксидных плен продолжительность заполнения не должна превышать доли секунды. При разработке теплового режима большое значение имеет расчет продолжительности заполнения формы. Как отмечалось выше, отливки сложной конфигурации заполняются последовательно дисперсно турбулентным потоком. В этом случае продолжительнрсть заполнения тзап определяется при условии, что дисперсный характер движения соответствует П
первому периоду заполнения, а турбулентный *— второму. По про- продолжительности заполнения, определенной на основании рассмо- рассмотрения тепловых условий в форме, подсчитывают технологическую скорость прессования где тотл — масса отливки; Fnp — площадь поперечного сечения камеры прессования. При создании благоприятных тепловых условий, обеспечиваю- обеспечивающих сохранение жидкотекучести металла в литниковых каналах и полости формы, особенно в наиболее тонких «е сечениях, воз- возможно осуществить подпрессовку. Наиболее эффективно подпрес- совка используется на машинах с горизонтальной камерой прес- прессования. Подпрессовка в процессе кристаллизации сплава сжи- сжимает газовые включения, уменьшает усадочную пористость и улуч- улучшает структуру металла [81. Эффективность подпрессовки зависит от продолжительности достижения максимального значения давления в процессе кристал- кристаллизации сплава. Чем меньше это время, тем выше эффект подпрес- подпрессовки. Современные гидравлические схемы машин литья под давлением позволяют добиться снижения времени подпрессовки до 0,016 с. На основании расчета гидродинамического и теплового режимов процесса определяют параметры прессующего механизма машины литья под давлением. Машины для литья под давлением должны иметь механизм или систему подачи рабочей жидкости в прессующий цилиндр, обеспечивающую заданное конечное давле- давление при подпрессовке. Чаще всего для этого используют мульти- мультиплицирующие механизмы, которые позволяют не только повы- повысить давление, но и уменьшить пиковое давление гидравличе- гидравлического удара. Раскрытие и закрытие пресс-формы осуществляются запираю- запирающим механизмом, который одновременно используется и для вы- выталкивания отливки. В современных конструкциях машин литья под давлением применяют запирающие механизмы четырех типов: гидравлические, гидрорычажные, гидроклиновые и комбиниро- комбинированные (гидроклинорычажные). Наиболее широко распространены гидрорычажные запира- запирающие механизмы [581. 1.3. НОМЕНКЛАТУРА ОТЛИВОК, ПОЛУЧЕННЫХ ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Литье под давлением занимает одно из ведущих мест в литей- литейном производстве. В отечественной и зарубежной практике этим способом получают отливки, по конфигурации и размерам наи- наиболее близкие к готовым деталям из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов.' Изго*врление отливок из стали, чугуна, титановых и других тугоплавких сплавов еще не полу- получило широкого применения, что объясняется в основном низкой 18 ? \ стойкостью оформляющих частей и высокой стоимостью материа- материалов для пресс-форм. Производство отливок из алюминиевых сплавов в различных странах составляет 30—50% общего выпуска (по массе) продук- продукции литья под давлением. Следующую по количеству и разно- разнообразию номенклатуры группу отливок представляют отливки из цинковых сплавов. Магниевые сплавы для литья под давлением применяют реже, что объясняется их склонностью к образованию горячих трещин и более сложными технологическими условиями изготовления отливок. Однако следует отметить, что отливки из магниевых сплавов почти в 1,5 раза легче отливок из алюминие- алюминиевых сплавов и лучше обрабатываются резанием, причем магний не налипает на поверхности стальных пресс-форм и не привари- приваривается к ним. Получение отливок из медных сплавов ограничено низкой стойкостью пресс-форм. Номенклатура выпускаемых отечественной промышленностью отливок очень разнообразна. Этим способом изготовляют литые заготовки самой различной конфигурации массой от нескольких грамм до нескольких десятков килограмм. Современные конструкции машин литья под давлением, созда- создающие давления на металл до 800 МПа и скорости прессования до 7 м/с, позволяют получать крупногабаритные и сложные по кон- конфигурации отливки, например блок цилиндров автомобиля «Моск- «Москвич» массой 18,6 кг. Эти отливки изготовляют из сплава системы алюминий—кремний—медь на машине с усилием запирания 20 000 кН. В отливках множество литых отверстий, толщина стенки 4—5 мм. Они проходят испытания на герметичность при давлении 15 МПа. Пресс-форма для такой отливки весит около 2 т. Применение эффективной подпрессовки дает возможность полу- получать очень плотные герметичные детали, такие, как алюминиевый корпус отопительной батареи. Заполнение этой тонкостенной крупногабаритной отливки металлом сопровождается активным захватом газов из полости пресс-формы, однако высокое давление (выше 400 МПа) обеспечивает высокую степень сжатия воздушных и газовых включений. Применение такой отливки не только сни- снижает массу отопительной системы, улучшает теплообмен, экономит энергоресурсы и металл, повышает производительность труда и снижает себестоимость продукции, но и облагораживает интерьер. Некоторые отливки имеют сложные криволинейные поверх- поверхности и каналы, которые при заданных точности и шероховатости и экономической целесообразности не могут быть выполнены никакими другими способами, кроме как литьем под давлением, например головка блока цилиндров (рис. 1.10, а) и диск вентиля- вентилятора компрессора (рис. 1.10, б). Эти отливки имеют значительную толщину стенки (до 12 мм), что позволяет использовать направлен- направленное затвердевание, при увеличенной толщине питателя, созда- создающего оптимальные гидродинамические и тепловые условия подпрессовки [134J. i
Разработанные в оте- отечественной промышлен*- ности технология и обо- оборудование литья под давлением позволяют получать отливки, тол- толщина стенки которых в некоторых местах равна 1 мм, например детали фотоаппаратуры. На специально созданной специализированной ма- машине и с применением вакуума, термостатиро- вания формы и других технологических прие- приемов были получены от- отливки с толщиной сте- стенки 0,6 мм [21]. Расширяется область применения литья под давлением магниевых сплавов. Наряду с ис- использованием этих спла- сплавов для корпусных де- деталей пишущих маши- машинок, приборов, бинок- биноклей, фото- и киноаппара- киноаппаратуры, бензопил они ус- успешно применяются в автомобилестроении и авиационной технике для деталей, несущих определенную на- нагрузку. Например, фирма Volkswagen (ФРГ) изготовляет из маг- магниевых сплавов диски колес спортивных автомобилей, а Мелито- Мелитопольский завод «Автоцветлит» — детали мотора автомобиля «Запо- «Запорожец». Литьем под давлением можно получать отливки с внешней или внутренней резьбой: барашковые гайки и винты, колпачковые гайки, винты и гайки с фигурными головками, штепсельные разъемы и др. Литая резьба значительно прочнее, чем полученная механической обработкой, так как при нарезании резьбы уда- удаляется наиболее плотный поверхностный слой отливки. Литая резьба также имеет более постоянный профиль, который является негативным отпечатком резьбовой вставки пресс-формы, выпол- выполняемой с точностью, значительно превосходящей обычную точ- точность обработки на резьбонарезных станках. Качество поверх- поверхности литой резьбы выше, чем механически нарезанной, так как рабочие поверхности пресс-формы шлифуют и полируют. Литьем под давлением можно изготовлять отливки со специальной резь- 20 ' т.оя- Рис. 1.10. Головка блока цилиндров диск вентилятора (б) компрессора бой, которую почти невозможно получить другим способом, на- например прямоугольную или спиральную резьбу треугольного профиля для ниппелей, ввинчиваемых в гибкие шланги. Литьем под давлением можно получать отливки с разнообраз- разнообразной арматурой из стали, чугуна, меди, бронзы и других материа- материалов. Армирование отливок пустотелыми вкладышами или криво- криволинейными трубками позволяет получать каналы и полости слож- сложнейшей конфигурации. Наряду с конструкторскими задачами, армирование помогает решать ряд технологических проблем. Например, использование арматуры в качестве холодильников позволяет регулировать про- процесс затвердевания массивных частей отливки. Армирование отливок стальными и чугунными элементами дает экономию дефицитных цветных сплавов. Армированное литье под давлением позволяет во многих случаях заменить сборку отдельных узлов изделий. Отливки из алюминиевых, магниевых и медных сплавов, так же как и отливки из чугуна, стали и титановых сплавов, получают главным образом на машинах с холодной камерой прессования. Отливки из цинковых сплавов изготовляют преимущественно на машинах с горячей камерой прессования. Отливки из цинковых сплавов наиболее часто используют в производстве автомобилей и товаров народного потребления (дверные и мебельные замки, зажимы застежек «молния», детали швейных машин и др.). В автомобильной промышленности из цинковых сплавов изготовляют детали приборов и декоративные детали типа ручек, решеток, корпусов фар и пр. Благодаря хо- хорошим литейным свойствам и высокой механической прочности этих сплавов из них можно делать крупные и тонкостенные детали. Например, панель облицовки радиатора автомобиля Dodge (США) имеет массу 9 кг и длину 1790 мм при толщине стенки 1,8 мм. В отечественной промышленности самой крупной деталью из цинкового сплава, изготовляемой на машине с горячей камерой прессования, является решетка радиатора автомобиля «Жигули». Отливка имеет массу 2,7 кг, длину 1054, ширину 270 мм и сред- среднюю толщину стенки 1,25 мм. В настоящее время процесс литья под давлением развивается в трех направлениях, обусловленных конфигурацией отливок и требованиями к их качеству: литье с низкими скоростями впуска через толстые питатели, обеспечивающие заполнение пресс-формы сплошными потоками и эффективную подпрессовку; применяют для получения толсто- толстостенных отливок несложной конфигурации, к которым предъяв- предъявляют высокие требования по прочности и герметичности; литье с высокими скоростями впуска через тонкие питатели с образованием дисперсного заполнения; применяют для полу- получения тонкостенных отливок сложной конфи^рации, к которым 21
предъявляют высокие требования по качеству поверхности и четкости рельефа; литье со средними скоростями впуска с образованием совме- совмещенных турбулентных и дисперсных потоков; требует обязатель- обязательной подпрессовки; применяют для получения отливок с неравно- неравномерной толщиной стенок; пористость уменьшают установкой фильтров, промывников или изменением газового режима пресс- формы. В большинстве случаев для получения отливок используются универсальные машины литья под давлением, однако, исходя из требований к отливкам и из условий производства, могут приме- применяться специализированные машины литья под давлением. На- Например, машины с вакуумными устройствами, с устройствами для продувки кислорода со сдвоенным поршнем, для литья стали или для получения какой-то одной, очень сложной или специфичной отливки, например машины для ступеньки эскалатора, машины для заливки ротора электродвигателей. 2 КОНСТРУИРОВАНИЕ отливок 2.1. СПЛАВЫ Для литья под давлением наиболее широко используют алюми- алюминиевые сплавы, имеющие хорошее сочетание физических, механи- механических и технологических свойств. Второе место по объему вы- выпуска отливок занимают цинковые сплавы, затем магниевые и медные. Литье сплава каждого типа осуществляется по опреде- определенной технологии процесса и, как правило, на оборудовании, соответствующем особенности сплава. В табл. 2.1 дана сравни- сравнительная оценка сплавов по 5-балльной шкале, основанная на их физических, механических и литейных свойствах. Лучшие свой- свойства соответствуют 5 баллам. Физические и механические свойства сплавов1 а также пара- параметры процесса приведены в табл. 2.2. Целям повышения рентабельности производства, обеспечения централизации плавильного отделения и стабилизации техноло- технологических режимов служит унификация сплавов. Многие крупней- крупнейшие производства стремятся использовать всего один или два сплава. Анализ литературных и производственных данных пока- показывает, что в качестве основных можно принять алюминиевые сплавы АЛ2, АЛ4 и АЛ32, цинковые ЦА4 и ЦА4М1, магниевый МЛ5, латуни ЛЦ40Сд и ЛЦ40МцЗЖ- Алюминиевые сплавы. На первой стадии развития литья под давлением в СССР применяли используемый для литья в кокиль сплав АЛ9 G% Si и 0,3% Mg). Однако в отливках, полученных литьем под давлением, имела место повышенная пористость, поэтому стали использовать сплавы АЛ2 A2% Si) и АЛ4 (9% Si и 0,3% Mg) (ГОСТ 2685—75). Сплав АЛ2 обладает высокой жид- котекучестью, хорошими коррозионной стойкостью, теплопро- теплопроводностью и электрической проводимостью. Его используют глав- главным образом для крупных, сложных и тонкостенных отливок. К недостаткам сплава относятся плохая обрабатываемость реза- резанием и более низкие по сравнению со сплавами, легированными магнием, медью и другими компонентами, механические свойства. Сплав АЛ4 незначительно уступает сплаву АЛ2 по литейным свойствам, но обладает более высокими механическими свой- свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и высокой корро- коррозионной стойкостью. Он широко применяется и при изготовлении отливок литьем в кокиль. ' 23
2.1. Сравнительная оценка сплавов для Показатель литья под давлением Сплавы алюми- алюминиевые цин- цинковые магни- магниевые медные Физические свойства Температура плавления Плотность Теплопроводность Сопротивляемость коррозии 3 4 4 4 5 3 3 3 3 5 2 2 Механические свойства Временное сопротивление разрыву Предел текучести Относительное удлинение Ударная вязкость 2 3 2 2 3 2 3 3 2 3 2 2 2 2 4 4 Литейные свойства Жидкотекучесть Склонность к образованию трещин Склонность к привариванию Минимально допустимая толщина стен- стенки отливки 4 4 3 4 5 5 5 5 4 3 5 4 3 4 4 3 2.2. Свойства сплавов и параметры процесса литья под давлением Показатель Сплавы алюминиевые цинковые магниевые медные Свойства сплавов Температура плавления, °С Плотность, кг/м3 Временное сопротивление разрыву, МПа Относительное удлине- удлинение, % Твердость НВ, МПа 580—600 2500—2700 160—280 1—3 600—900 380—400 6600—7000 250—300 1—3 700—800 580—585 1750—1850 160—230 1—2 500—600 900—950 7900—8800 300—400 15—40 800—1000 Температура заливки, °С Отклонение размеров от- отливки, % Стойкость пресс-формы, число циклов Параметры процесса 580—630 ±0,15 50 000 380—420 ±0,10 500 000 600—660 ±0,15 . 70 000 900—950 ±0,25 5000 24 2.3. Химический состав сплавов системы AI—Si—-Cu—Mg Сплав АЛ32 (ГОСТ 2685—75) А380.0 (США) А360.0 (США) Содержание элемента, % (остальное А1) Si 7,5—8,5 7,5—9,5 9,0—10,0 Си 1,0—1,5 3,0—4,0 0,6 Mg 0,3—0,5 0,10 0,4—0,6 Мп 0,3—0,5 0,50 0,35 Т! 0,1—0,3 В 60-е годы в СССР специально для литья под давлением был разработан сплав АЛ32, который относится к сплавам системы А1—Si—Си—Mg с добавками Мп и Ti. Химический состав этого сплава и содержание тех же элементов в сплавах, широко при- применяемых в США, приведены в табл. 2.3. Эти сплавы применяют для получения высокопрочный деталей литьем под давлением, в том числе блока цилиндров автомобильных двигателей. Меньшее содержание меди в сплавах АЛ32 и А360 обеспечивает более высо- высокую коррозионную стойкость. Сплавы этой системы обладают хорошей жидкотекучестью и высокими механическими свойствами^ легко обрабатываются резанием. В тех случаях, когда решающим фактором является высокая коррозионная стойкость, применяется сплав АЛ27 A0% Mg), который отлично сопротивляется коррозии в растворах щелочей и в кислотах, а также обладает высокими механическими свой- свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Однако этот сплав обладает низкими технологическими свойствами и требует выдерживания технологических параметров литья в узких пре- пределах. Возможность его применения ограничивается сложностью конфигурации отливки, он ие относится к группе тех сплавов, которые используют для унификации. Следует учитывать, что при высоких требованиях, когда не допускаются даже слабые следы коррозии, рекомендуется не переход на коррозионно-стой- коррозионно-стойкий сплав, а специальная защита поверхности деталей. Литейные, технологические и эксплуатационные свойства рассмотренных сплавов приведены в табл. 2.4. Интервал кристал- кристаллизации сплава АЛ32 593—538 °С, сплава АЛ2 582—574 °С, сплава АЛ4 596—577 °С, сплава АЛ27 621—535 °С. Следует учитывать, что узкоинтервальные сплавы обеспечивают получе- получение отливок с мелкозернистой эвтектикой. Литейщики обычно отдают предпочтение этим сплавам благодаря их хорошим литей- литейным свойствам. Однако современные машины с механизмами, обеспечивающими эффективную подпрессовку, позволяют изго- изготовлять, качественные отливки из широкоинтервальных сплавов, причем более продолжительный период затвердевания дает воз- вожность полнее использовать давление подпрессовки для уплот- уплотнения металла отливки. ^ 25
2.4. Свойства алюминиевых сплавов по 5-балльной шкале Свойства Жидкотекучесть Усадка Склонность: и образованию горячих трещин к образованию дефектов поверхности к привариванию к пресс-форме Герметичность отливок Обрабатываемость резанием Полир уемость Коррозионная стойкость АЛ32 4 4 4 4 4 3 4 4 2 АЛ2 5 5 4 2 5 5 2 2 3 АЛ4, АЛ4В 4 5 4 3 3 5 3 4 4 АЛ27 3 2 4 3 2 3 5 5 5 Механические свойства алюминиевых сплавов АЛ2, АЛ4, АЛ32 и ВАЛ8 измерялись в пяти крупных цехах литья под давле- давлением. Временное сопротивление разрыву ав отлитых под давле- давлением плоских образцов исследованных сплавов после их старения колебалось от 200 до 350 МПа. Наименее прочным и наиболее пластичным был признан сплав АЛ2. Временное сопротивление образцов из этого сплава не превышало 280 МПа, причем 43% всех образцов имели прочность только 200—240 МПа. Значение ав сплава АЛ4 несколько выше и достигает 300 МПа, а 24% образцов имеют значения в пределах 200—240 МПа, что значительно ниже, чем у сплава АЛ2. Более прочны сплавы АЛ32 и ВАЛ8, 80% образцов из сплава АЛ32 имеют ав = 260-т-ЗЗО МПа. Необходимо отметить небольшое относительное удлинение 6, которое у сплавов АЛ4, АЛ32 и ВАЛ8 в 80—90% всех случаев не превышает 1 % и только у сплава АЛ2 удлинение более 1 % имеют 70% образцов. В некоторых случаях применяют сплавы других марок, напри- например, для деталей штепсельных разъемов — сплав АЛИ F—8% Si, 0,1—0,3% Mg, 7—12% Zn), для деталей мопедов сплав АК5М7 D,5—6,5% Si, 0,2—0,5% Mg и 6—8%, Си). Цинковые сплавы. Хорошие литейные свойства цинковых сплавов позволяют получать самые сложные отливки со стен- стенками толщиной менее 1 мм. Кроме того, цинковые сплавы не взаимодействуют с металлом пресс-формы и деталей камеры прес- прессования, что позволяет применять высокопроизводительные авто- автоматические машины с горячей камерой прессования. Низкая температура плавления C80—390 °С) этих сплавов и возможность литья при невысоких давлениях прессования обеспечивают высо- высокую стойкость пресс-форм — 50 000 и даже 1 млн. циклов. Все это обеспечивает низкую себестоимость отливок из цинковых сплавов. Еще одним существенным преимуществом этих сплавов является возможность нанесения декоративных, антикоррозион- 26 2.5. Характеристика и облвсть применении цинковых сплавов Сплав ЦА4о ЦА4 ЦА4М1о ЦА4М1 ЦА4МЗ Характеристика Хорошие коррозионная стойкость и стабильность размеров Хорошая стабильность размеров, но меньшая, чем у сплава ЦА4о, корро- коррозионная стойкость Хорошая коррозионная стойкость, неизменяемость (практически) разме- размеров при естественном старении Хорошая коррозионная стойкость, но меньшая, чем у сплава ЦА4М1о, стабильность размеров Высокая прочность (сгв= 290 МПа^, изменяемость размеров до 0,5%, пониженная коррозионная стойкость Область применения Для деталей приборов, требующих стабильности размеров Для корпусных, арматур- арматурных и декоративных дета- деталей, не требующих повы- повышенной прочности Для деталей с повышен- повышенной прочностью ных и упрочняющих покрытий практически всех видов, т. е. производить меднение, никелирование, кадмирование, хромиро- хромирование без предварительной отделки поверхности отливок. Наиболее часто применяют i сплавы ЦА4 и ЦА4М1 (ГОСТ 25140—82). В отдельных случаях применяются сплавы ЦА4о и ЦА4М1о повышенной чистоты, а также сплав ЦА4МЗ повышенной прочности (а„ = 290 МПа, 6 = 1,5%). Отливки из сплава ЦА4 отличаются высокой точностью и стабильностью раз- размеров. Сплав ЦА4М1 обладает более высокими механическими свойствами, чем сплав ЦА4, но стабильность размеров изготовлен- изготовленных из него отливок ниже. Интервал кристаллизации сплавов ЦА4 и ЦА4М1 386—380 °С, а сплава ЦА4МЗ 389—379 °С. Плотность сплавов ЦА4 и ЦА4М1 равна 6700 кг/м3, а сплава ЦА4МЗ — 6800 кг/м3. На ранней стадии развития литья под давлением, начиная с 60-х годов прошлого столетия, применению цинковых сплавов препятствовало их старение, приводящее к нестабильности разме- размеров отливок, а также низкая сопротивляемость коррозии. Не- Нередко отливки разбухали, деформировались, растрескивались, а в некоторых случаях и полностью разрушались. Причиной этого была очень высокая чувствительность цинковых сплавов к примесям (свинец, кадмий, олово), влияющим на образование межкристаллитной коррозии, распространяющейся по границам зерен. Примеси располагаются по границам зерен вследствие весьма малой растворимости. Свинец не растворим в цинке даже в жидком состоянии. Факторами, способствующими протеканию коррозии, являются влажность и особенно водяные пары. Про- Продукты межкристаллитной коррозии, занимающие больший, чем металл, из которого они образовались, объем", приводят к раз- разбуханию, короблению и разрушению отливок. 27
2.6. Механические Парка сплава ЦА4о, ЦА4 ЦА4М1о, ЦА4М1 ЦА4МЗ свойства цивковнх сплавов ав, МПа в, % ВВ, МПа Не иевее 256 270 290 1,8 1,7 1,5 700 800 900 Проблема получения отливок, обладающих высокой стойкостью к атмосферному воздействию, решена применением технически чистого цинка (99,99% Zn). Другие металлы, используемые для выплавки цинковых сплавов, должны иметь следующую чистотуз алюминий— 99,75%, магний — 99,8%, медь —99,9%. Свойства и область применения сплавов приведены в табл. 2.5 и 2.6. В последнее время исследуют и внедряют в производство сплавы с высоким содержанием алюминия, условно обозначенные за рубежом ZA-8, ZA-12 и ZA-27 (табл. 2.7). В маркировке сплава цифра указывает на среднее содержание алюминия в процентах. Механические свойства сплавов, приведенные в таблице, даны по результатам опытной работы. Из-за повышенного содержания алюминия для литья исполь- используют машины не с горячей, а с холодной камерой прессования. Сплав ZA-27 нельзя использовать для изготовления отливок, имеющих толстые сечения. Сплав ZA-8 наилучший из рассматри- рассматриваемых по легкости выполнения финишной обработки и нанесе- нанесения гальванопокрытий. Сплавы ZA-12 и ZA-27 отличаются высо- высокой износостойкостью, и для отливок, имеющих узлы трения, отпадает необходимость в применении стальных или бронзовых вставок. Применение высокоалюминиевых цинковых сплавов позволяет экономить цинк и снижать массу отливок с соответствующим экономическим эффектом. При внедрении сплавов в производство требуется отработка технологического процесса литья, а также режимов резания и нанесения гальванопокрытий. В СССР раз- разработаны технические условия на цинковый литейный сплав марки ЦА27М1. Сплав обладает следующими свойствами: а„ = = 400-г440 МПа; 6 = 0,5-f-l,5%, НВ = 2200-И200 МПа, плот- плотность 5000 кг/м3. Температурный интервал затвердевания этого сплава 483—375 °С, у сплавов ZA-12 и ZA-8 он соответственно равен 432—375 и 403—375 °С. Магниевые сплавы. Одним из преимуществ магниевых сплавов является то, что при малой плотности они обладают механическими свойствами на уровне алюминиевых сплавов. Для литья под давле- давлением наиболее пригодны сплавы системы Mg—Al—Zn. В СССР чаще всего применяют сплав МЛ5 (ГОСТ 2856—79), который 28 обладает следующими механическими свойствами а„ = 171,5 МПа 6 = 2% и НВ = 500 МПа. За рубежом применяют сплавы по составу и механическим свой- свойствам очень близкие к сплаву МЛ5. Интервал температур кристаллиза- кристаллизации сплава МЛ5 607—492 °С. Широкий интервал температур кристаллизации и одновременно быстрое охлаждение сплава обеспечивают получение отливок с мел- мелкозернистой структурой, характеризую- характеризующихся высоким относительным удлине- удлинением и хорошей ударной вязкостью. Сопротивление ударным и вибрационным нагрузкам не снижается даже при отри- отрицательных температурах. Поэтому литьем под давлением из сплава МЛ5 изготовля- изготовляют такие детали, как рукоятки бензопил и буров. Опыт литья деталей из сплава с повышенным содержанием цинка (до 2%) показал, что, несмотря на высокую жидкотекучесть, этот сплав неприемлем для литья под давлением из-за его чрез- чрезмерной хрупкости в горячем состоянии. Наилучшие сочетания механических свойств имеют сплавы, содержащие не более 0,3% Zn. В европейские стандарты включены магниевые сплавы, вообще не содержащие цинка, предназначенные для изготовления отливок, работающих при больших ударных нагрузках. В отличие от алюминиевых, магниевые сплавы в жидком состоянии практически не привариваются к рабочим поверхностям пресс-формы, что резко снижает эрозию матриц и повышает их стойкость более чем на 50%. Магниевые сплавы обладают меньшей жидкотекучестью и хуже запол- заполняют форму, чем сплавы на основе алю- алюминия, цинка, меди. Это затрудняет полу- получение отливок с очень тонкими стенками. Кроме того, магниевые сплавы имеют повышенную склонность к образованию горячих трещин в местах затрудненной усадки, что требует более тщательной от- отработки технологических режимов литья. Магний больше, чем другие про- промышленные металлы, склонен к окисле- 8 ш о. я « ч и -н-н-н ооо со о о) ю сп со (NIO—. -н-н-н oo_o .-o .. oooo o°.o Ф ggg o"oo CO COIN ooo oo C0<M_lO Ш OO<N ш oo — ю —i IN 29
нию. Сплавы магния достаточно устойчивы в чистой фто- фтористо-водородной кислоте любой концентрации и едких щелочах, но они сильно корродируют во всех других растворах кислот и солей, а также в обычной и особенно в морской воде. Незащищен- Незащищенные поверхности отливок из магниевых сплавов очень быстро окисляются даже на воздухе, поэтому на поверхности деталей из магниевых сплавов наносят защитные покрытия. Основным спо- способом нанесения покрытий является оксидирование в растворах» содержащих соли хрома. На детали, работающие при температуре 100—200 °С, наносят дополнительно лакокрасочные покрытия. Медно-цинковые сплавы. Из медных сплавов для литья под давлением применяют главным образом латуни, которые по сравнению с бронзами обладают лучшей жидкотекучестью и зна- значительно меньшей усадкой. Наиболее часто используют свинцо- свинцовую латунь ЛЦ40Сд (ГОСТ 17711—80), содержащую 58—61% Си И 0,8—2,0% РЬ. Эта латунь хорошо обрабатывается резанием из-за наличия свинца, поэтому ее применяют для литья деталей газо- газовой, санитарной, гидравлической и пневматической аппаратуры (втулки, тройники, переходники, сепараторы подшипников), ра- работающих в среде воздуха и пресной воды. Для изготовления несложных по конфигурации деталей ответ- ответственного назначения и арматуры морского судостроения, рабо- работающей при температуре до 300 °С, применяют марганцово- железную латунь ЛЦ40МцЗЖ, содержащую 53—58% Си; 3— 4% Мп и 0,5—1,5% Fe. Ее механические свойства: ав = 392 МПа, 6 = 10%, НВ = 900 МПа. В ряде случаев применяют обладающую хорошей жидкотеку- жидкотекучестью кремнистую латунь ЛЦ16К4 G8—81% Си; 3,0—4,5% Si). Сплавы на основе свинца и олова. Легкоплавкие оловянные, свинцовые и оловянно-свинцово-сурмянистыс сплавы иногда при- применяют для изготовления деталей, не несущих больших нагрузок, но отличающихся высокой точностью размеров (шрифты в поли- полиграфической промышленности, детали механизмов счетных машин и цифровых барабанов). Обычно эти сплавы содержат 4—18% Sb и 1—33% РЬ. Они легко поддаются пайке мягким припоем. Свинцовые сплавы имеют плотность около 10 000 кг/м3, ав = = 504-80 МПа и НВ = ЮО-г-200 МПа. Низкая температура пла- плавления этих сплавов, не превышающая 325 °С, обеспечивает про- простоту процесса и высокую стойкость пресс-форм. Специальные сплавы на основе свинца, применяющиеся в полиграфии, содер- содержат 2—4% Sn, 20—30% Sb и до 1% Си. Небольшая присадка меди задерживает рекристаллизацию свинца и способствует получению мелкозернистой структуры, что повышает коррозион- коррозионную стойкость литых деталей. Разработаны свинцовые сплавы, не содержащие олова. В них входят 10—16% Sb и 1—5% As. Черные сплавы. Литье под давлением чугуна не нашло приме- применения. Литье под давлением стали применяют пока еще в неболь- небольших масштабах на специализированных участках и специальном 2.8. Механические свойства образцов из стали 10Х18Н9Л (по данным В. М. Белова) Вид образца Из прутка диаметром 400 мм в отожженном состоянии, выре- вырезанный вдоль волокна Из детали, отлитой под давлением Из детали, отлитой по выплавляемым моделям °в. МПа 670 550 520 в. % 66 52,3 51 2.9. Механические свойства отливок из хромойикелевой стали Способ литья Под давле- давлением * В песчаные формы °в °0,2 МПа G50—820)/(820—860) 770 D20—440)/D00—420) 370 в, % B0—38)/C5— 55) 55 1 В числителе — механические свойства отливок без термообработки, в зна- знаменателе —¦ после термообработки. оборудовании с пресс-формами, изготовленными из молибденового сплава — единственного материала, обеспечивающего их доста- достаточную работоспособность и стойкость. Экономическая целесооб- целесообразность изготовления деталей литьем под давлением из сплавов с высокой температурой плавления взамен проката определяется снижением объема механической обработки. Из черных сплавов изготовляют те детали, масса которых играет решающую роль в работе изделий (транспортные и газотурбинные двигатели, судовая арматура, атомные энергетические установки, приборы оптической промышленности) [5]. Исследования показали, что наиболее подходящими для литья под давлением являются коррозионно-стойкие стали [6]. Они значительно дольше затвердевают, чем обычные низкоуглероди- низкоуглеродистые и низколегированные стали, имеют более низкую теплопро- теплопроводность, благодаря чему повышаются четкость контуров отливки и качество ее поверхности. Углеродистые стали сложнее отливать под давлением из-за высокой температуры плавления, узкого интервала кристаллизации и большой усадки. В СССР освоено литье под давлением сталей 10Х18Н9Л, 20Х13Л (ГОСТ 2176—77). Установлено, что чем ниже температура плавления стали и чем меньше твердость отливки при температуре выталкивания ее из пресс-формы, тем более пригодна сталь для 31
литья под давлением. Средние значения механических свойств Ю 15 образцов с диаметром 5 и длиной 50 мм в закаленном состоянии из стали 10Х18Н9Л, изготовленных различными спо- способами, приведены в табл. 2.8. По результатам лабораторных исследований фирмы General Electrik (США), детали из хромоникелевой стали A8% Сг, 8% Ni), полученные литьем под давлением, обладают более высокой прочностью и коррозионной стойкостью, чем детали, полученные литьем в песчаные формы (табл. 2.9). 2.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЛИТОЙ ДЕТАЛИ Основные преимущества литья под давлением (высокая произ- производительность, точность размеров отливки и высокое качество поверхности) в полной мере могут быть реализованы в производ- производстве только в том случае, если при конструировании литой детали учтены все особенности технологического процесса. Под технологичностью литой детали подразумевают такое ее конструктивное оформление, которое, не снижая основных тре- требований к конструкции, способствует получению заданных фи- физико-механических свойств, размерной точности и шероховатости поверхности при минимальной трудоемкости изготовления и огра- ограниченном использовании дефицитных материалов. Конструирование литой детали основано на анализе факторов, характеризующих преимущества и недостатки технологического процесса литья под давлением по сравнению с другими способами литья. Чтобы полнее использовать возможности процесса литья под давлением, нужно уже на стадии конструирования литой детали учитывать все его особенности. Прежде всего, конструк- конструктора и технолога-литейщика должна связывать творческая работа. Это позволит создать конструкцию, не только отвечающую техни- техническим требованиям при эксплуатации изделия, но получить отливку, отвечающую возможностям технологии литья под давле- давлением при соблюдении экономической целесообразности ее полу- получения на заданную программу выпуска. Высокая точность раз- размеров, вызывающая необходимость иметь дорогостоящую оснастку, высокая производительность, требующая сложного оборудования, ограничение размеров и массы отливок, а также и повышенное содержание в них газов — все это требует создания оптимальных, экономически целесообразных и технически выполнимых кон- конструкций. При разработке чертежа литой детали необходимо в первую очередь установить, какие требования являются определяющими для данного изделия при его эксплуатации: прочность, герметич- герметичность, жесткость, качество поверхности, внешний вид или эсте- эстетическая форма. Детали, предназначенные для изготовления литьем под давле- давлением, в зависимости от конфигурации их наружных и внутренних поверхностей можно условно подразделить на четыре группы слож- 32 2.10. Группы сложности литых деталей Группа слож- сложности I II III Характе- Характеристика деталей Простые Слож- Сложные Особо слож- сложные Характеристика поверхностей наружных Прямолинейные и глад- гладкие, с невысокими реб- ребрами, буртиками, бо- бобышками, отверстиями Криволинейные и прямо- прямолинейные с несколькими пересекающимися пло- плоскостями Криволинейные и прямо- прямолинейные, пересекаю- пересекающиеся под углом, с вы- выступающими частями и углублениями очень сложной конфигурации внутренних Отсутствуют Сложные с двумя пересе- пересекающимися плоскостями или цилин- цилиндрическими участками Сложные с криволиней- криволинейными и пря- прямолинейные с пересекающи- пересекающимися участ- участками Примеры деталей Крышки, фланцы, ручки, втулки, ма- маховики Сложные корпуса приборов, корпуса двигателей мото- мотоциклов, велосипе- велосипедов, моторолле- мотороллеров, насосов Блоки и головки блоков цилиндров автомобильных двигателей, слож- сложные корпуса на- насосов ности (табл. 2.10). По назначению эти детали можно подразделить на три группы: прочные, герметичные и декоративные. Для того чтобы обеспечить производство бездефектных отли- отливок, необходимо, создавая чертеж литой детали, определить опти- оптимальную плоскость разъема будущей пресс-формы и возможность формирования отверстий с помощью подвижных или неподвиж- неподвижных стержней. Литая деталь должна обладать конструкционной прочностью, жесткостью и герметичностью, быть технологичной. Рекомендации по конструктивному оформлению литой детали до последнего времени основываются на обобщении накопленного годами производственного опыта. Поскольку конструкции литых деталей и технологии их изготовления непрерывно совершен- совершенствуются, то эмпирические методы ограничивают возможности получения отливок оптимальной прочности, надежности, металло- металлоемкости и долговечности. Если в технологии уже имеются научные подходы к выбору оптимальных режимов процесса получения деталей, разрабаты- разрабатываются типовые проектные решения технологических процессов с применением ЭВМ и проводятся работы по созданию систем автоматизированного проектирования (САПР) литейной техно- технологии (ЛТ), то при конструировании литой детали количествен- 2 Заказ 66 33
Нежелательный Желательный НБГЙ ИСТОД еще ТОЛЬКО на- gapi/ант ffapuaum * ^ чинает разрабатываться. Ос- Основным этапом данного ме- метода является машинный поиск оптимального вари- варианта конструкции лнтой де- детали и технологии ее изго- изготовления с использованием математических моделей ста- статистического, экономико-ма- экономико-математического и физико-ма- физико-математического характера [22]. Автоматизированное проектирование литой дета- детали должно учитывать связи между ее конструкцией, ме- механическими свойствами, наличием или отсутствием дефектов. В современных условиях при достаточно обоснован- обоснованных исходных данных для составления пакета программ автоматизированное про- проектирование литой детали может обеспечить выбор оптимальной конструкции. Уже разработаны методо- методологические основы конструирования элементов с целью получе- получения научно обоснованных исходных данных для составления пакета программ САПР конструкций литых деталей [51, 60]. Конструкцию литой детали следует рассматривать как систему с последовательным и параллельным соединением ее конструк- конструктивных элементов, например различного рода сопряжений и со- сочленений стенок и узлов. Все эти элементы взаимосвязаны, но в процессе формирования отливки и ее свойств выполняют само- самостоятельные функции. На конфигурацию литых деталей значительное влияние ока- оказывают низкий модуль упругости, особенно магниевых сплавов, и их чувствительность к местным концентрациям напряжений. Чтобы избежать деформаций и трещин, вызванных этими свой- свойствами, по возможности следует использовать двутавровые, швел- швеллерные, зетовые, цилиндрические и другие поперечные сечения (рис. 2.1). Габаритные размеры литой детали, а следовательно, и площадь проекции ограничивают минимальную толщину ее стенки при данном усилии запирания машины литья под давлением. На тол- толщину стенки влияет жидкотекучесть сплава и технология, а 34 Рис. 2.1. Поперечные сечевня лнтых дета- деталей 1.МП а 2,9В 1,86 2,81 !,7в 2,74 in .г -О -300 -250 -гоо -150 > - —-~ - • S \ ^—>— \ I I I I I 1 3 1 1 I J » а -10 > % -го -30 -to 60Т„,мм Рис. 2.2. Зависимость плот- плотности и механических свойств алюминиевых литых деталей от толщины их стеион 1,5 г,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 6вт„,мм Рис. 2.3. Относительное изменение прочности литых деталей из цинко- цинковых A) и алюминиевых B) сплавов при увеличении толщины их стенок толщина стенки в свою очередь — на прочность и жесткость литой детали. В зависимости от толщины стенки изменяется плотность от- отливки и ее механические свойства. С уменьшением толщины стенки литых деталей (рис. 2.2), отлитых под давлением из спла- сплава АЛ4, плотность р и временное сопротивление внзрастают, а относительное удлинение уменьшается. Увеличение прочностных свойств объясняется возрастанием роли гидродинамического уплот- уплотнения в тонкостенных отливках. Оптимальное сочетание меха- механических свойств (ог„ = 250 МПа, б = 2%) наблюдается при толщине стенки 2,5—3 мм. Прочность литых деталей из цинковых сплавов при увеличении толщины стенки снижается не так зна- значительно, как литых деталей из алюминиевых сплавов. На рис. 2.3 приведена зависимость относительного изменения прочности ли- литой детали (в процентах по отношению к прочности литой детали толщиной 1,5 мм) при увеличении толщины ее стенки [113]. При увеличении толщины стенки от 1,5 до 5 мм прочность алюминие- алюминиевых деталей падает на 30%, а деталей из цинкового сплава — лишь на 20%. Конструкция литой детали и толщина ее стенки зависят от соотношения пределов прочности при сжатии и растяжении. По данным М. Шенберга, при сжатии для магниевых сплавов временное сопротивление разрыву в 1,5—2 раза превышает временное сопротивление разрыву при растяжении. Это обстоя- обстоятельство необходимо учитывать при выборе конфигурации эле- элементов детали, так как нетехнологичные конструкции подверга- подвергаются растягивающим напряжениям, а технологичные — сжима- сжимающим, (рис. 2.4). Современные машины литья под давлением, развивающие в момент кристаллизации отливки высокие давления за короткий промежуток времени, позволяют изготовлять тонкостенные от- отливки с толщиной стенки 0,8—1,5 мм. Этому способствует разра- разработка новых способов заполнения медленным сплошным потоком 2* 35
и технологичная (б) конструк- конструкции литой детали (Р — при- приложенная нагрузка) е поеледующей эффективной подпрес- совкой через утолщенные питатели. Сочетание оптимальнах тепловых ус- условий затвердевания е подпреееовкой дает возможность получать литьем под давлением толстостенные отливки из эвтектических сплавов е широким интервалом кристаллизации: заэвтек- тических силуминов A7—19% Si), термоупрочняемых сплавов системы Al—Si—Си, магниевых сплавов, бронз и латуней. Эксперименты, проведенные А. А. Гетьманом [22], позволили получить необходимые количественные данные Рис.2.4.Нетехнологнчная(а) для оценки эффективности технологи- ческого процесса изготовления литых деталей. Показателями эффективности являются технологический коэффициент запаса прочности и коэффициент, учитывающий концентрацию нап- напряжений, влияние размеров детали и состояние ее поверхности. Полученные данные по конструированию элементов литых деталей являются исходными параметрами для системы автома- автоматизированного проектирования конструкций литых деталей из различных сплавов. 2.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОЙ ОТЛИВКИ Качество отливок, в первую очередь, определяется технологич- технологичностью их конструкции и технологией изготовления. Требования к конструкции отливки и технологии ее получения непрерывно изменяются, что снижает эффективность эмпирического подхода к созданию технологичной конструкции отливки. Однако количе- количественный подход с использованием математических моделей ста- статистического, экономико-математического и физико-математиче- физико-математического характера, который может служить главным научным инструментом поиска оптимальной конструкции отливки, не нашел широкого применения в промышленности. Отдельные ис- исследования, проведенные за рубежом и в нашей стране, еще не дают возможности использовать ЭВМ для создания технологич- технологичных конструкций сложных отливок, получаемых литьем под дав- давлением. Поэтому разработанные рекомендации по проектированию технологичной отливки основаны на накопленном производствен- производственном опыте, отдельных научных разработках и анализе факторов, характеризующих преимущества и недостатки литья под давле- давлением по сравнению с другими методами получения металлических заготовок или" деталей. Разработка чертежа отливки начинается с определения тех- технических требований к ней. 36 На чертеже отливки долж- должно быть указано еледующее: 1) все внешние и внутрен- внутренние уклоны; : 2) поверхйоети, требующие последующей механической об- обработки; 3) допуски на размеры; 4) участки поверхности, ко- которые не должны иметь следов от выталкивателей, а также следов течения металла; 5) требования по герметич- герметичности и способы ее контроля; 6) виды защитных или де- декоративных покрытий; 7) участки, на которых не допускается пористость; 8) дополнительные требова- требования для отливок, эксплуатиру- эксплуатируемых в необычных условиях (морская вода, кислоты, повы- повышенная влажность, повышен- повышенная температура и т. д.); 9) марка сплава, ГОСТ или ТУ на сплав и масса от- отливки. Точность отливок зависит прежде всего от точности из- изготовления пресс-формы и рас- расположения плоскостей разъема. Так как стоимость оснастки возрастает с увеличением тре- требований к точности отливки, то, отливку следует конструировать с учетом наиболее эко- экономичного варианта изготовления пресс-формы. А экономичность ее изготовления зависит от положения плоскостей разъема. При конструировании отливки следует стремиться к созданию пресс-формы с одной плоскостью разъема. Для этого отливка не должна иметь внешних и внутренних поднутрений, препят- препятствующих свободному удалению ее из пресс-формы. Возможность создания одной плоскости разъема определяют по правилу свето- световых теней, по которому теневые участки при воображаемом осве- освещении детали параллельными лучами в направлении, перпенди- перпендикулярном плоскости разъема, должны отсутствовать (рис. 2.5). Необходимо создавать отливки с прямыми линиями, прямыми углами и достаточно скругленными кромками в тех местах, где это практически осуществимо. Выемки и отверстия следует по 37 Рис. 2.5. Примеры конструкций отли- отливок с теневыми участками (а) и без иих (б)
/// Нетехнологично а.) Нетехнологично Технологично Рис. 2.6. Конструктивное оформ- оформление элементов с целью обес- обеспечения их удаления из пресс- формы перпендикулярно плос- плоскости равъема возможности располагать перпендикулярно к плос- плоскости разъема. Если от- отливка располагается в обеих полуформах, то для уменьшения усадочных напряжений внутренние стенки делают наклонны- наклонными (рис. 2.6, а). При рас- расположении отливки в не- неподвижной / и подвижной 2 полуформах (рис. 2.6, б) наибольшая поверхность стержня должна нахо- находиться в подвижной по- полуформе. Боковое подну- поднутрение 3 препятствует свободному удалению отливки из пресс-формы и должно образовываться боковым стержнем или подвижной щекой (рис. 2.6, в). Устранение этого поднутрения позволяет удалять отливку в направлении, перпендикулярном к плоскости разъема. Внутренние крепежные фланцы (рис. 2.6, г) с поднутрениями 4 можно вынести наружу в плоскость разъема, обеспечив свободный выход центрального стержня из полости отливки. Если конфигурация внутренней полости с поднутре- поднутрением (рис. 2.6, д) не может быть изменена, то технологичная конструкция отливки предусматривает выемку 5 под фланец, заменяющей дно. 38 Рис. 2.7. Выбор плоскости разъема для цилиндриче- цилиндрической симметричной (а) и иорпусиой (б) деталей (Я и Я — неподвижная и подвижная полуформы) a _ 1 JJ. a) d) В случаях больших отверстий, особенно на боковой стенке детали, требующих удаления стержней перед раскрытием формы, следует выполнять стенку литой детали таким образом, чтобы окно проходило по линии разъема формы (рис. 2.6, ё). Подну- Поднутрение, образованное в литой детали утолщением под крепежное отверстие (рис. 2.6, ою), нужно заменить утолщением на внешней стороне отливки с целью сохранения ее равностенности. Конструкция отливки по возможности должна обеспечивать ее расположение в одной половине формы. Это повышает ее точность, сокращает стоимость формы. Если по конструктивным особен- особенностям детали выполнить это требование невозможно, то жела- желательно, чтобы отливка при раскрытии формы оставалась в по- подвижной половине. Ломаные линии разъема следует заменять прямыми (рис. 2.6, з). Глубокие полости по возможности следует располагать с одной стороны литой детали (рис. 2.6, и). Следует стремиться к тому, чтобы число разъемов и стержней в пресс-форме было минимальным. Подвижные стержни, оформ- оформляющие отверстия или углубления в отливках, расположенные в плоскости разъема или наклонно к ней, заставляют увеличи- увеличивать допуски на размеры и часто бывают причинами брака отли- отливок по геометрии. Боковые стержни повышают трудоемкость изго- изготовления пресс-формы и снижают производительность работы машины. Прямая плоскость разъема является наиболее предпо- предпочтительной, особенно при симметричном расположении рабочих полостей в многоместной пресс-форме. Однако стремление во чтобы то ни стало иметь одну плоскость разъема при проектиро- проектировании сложных деталей может привести к потере технического и экономического эффекта литья под давлением. При конструиро- конструировании отливки сложной конфигурации следует учитывать, что извлечение ее из пресс-формы не должно вызывать затруднений и что она должна оставаться в подвижной форме и удаляться выталкивающим механизмом. На рис. 2.7, а представлена отливка с симметричным расположением необрабатываемых полостей (диа- (диаметром d и высотой h) относительно средней перемычки с отверс- отверстием диаметром d±. Если плоскость разъема будет проходить по 39
Рис. 2.8. Варианты размещения отливки П-образной колодки в пресс-форма (Я и Я — неподвижная и подвижная полуформы) плоскости х—х, то, веледствие равномерности обжатия стержней, формирующих полости диаметром d, нет гарантии, что отливка при раскрытии пресс-формы останется в ее подвижной части. В этом случае следует увеличивать конусность одной из полостей (см. рис. 2.7, а, пунктирная линия). Если конструкция детали не допускает уклона или конусности, то плоскость разъема пере- переносят на плоскость у—у. Однако такой перенос значительно удорожает пресс-форму и вызывает образование облоя на впешней цилиндрической поверхности отливки. Конструкция детали должна обеспечивать такое размещение плоскостей разъемов, чтобы следы от этих плоскостей проходили по внешним углам отливки. Например, отливка, представленная на рис. 2.7, б, при расположении плоскости разъема по у—у потребует очень трудоемких операций по зачистке облоя и за- заусенцев. Перенесение разъема на плоскость х—х, несмотря на усложнение пресс-формы, снизит общую себестоимость отливки. Чем проще конфигурация детали, тем больше вариантов ее расположения в пресс-форме. На рис. 2.8 приведены шесть вари- вариантов выбора плоскости разъема для отливки П-образной колодки, в зависимости от которых изменяются величина уклонов на внешних поверхностях отливки и размерная точность отливки. Проектируя отливку, следует предусматривать возможность соединения в одну нескольких деталей; это позволит упростить конструкцию и повысить жесткость изделия, уменьшить число обрабатываемых поверхностей, снизить трудоемкость изготовле- изготовления и расход металла. Особенно эти преимущества проявляются при массовом и серийном производстве. Соединение нескольких деталей в одну служит показателем технологичности конструкции при условии, что это не намного усложняет и удорожает изгото- изготовление пресс-формы. На рис. 2.9 показана сложная отливка кор- корпуса, образованного соединением в одно целое нескольких дета- деталей. Высокая стоимость пресс-формы оправдывается при крупно- крупносерийном производстве. В некоторых случаях, особенно при небольших производ- производственных программах, выгодно разделить сложную отливку на несколько простых. При этом упрощается конструкция пресс- формы и уменьшается возможность появления брака. На воз- возможность разделения отливки влияют особенности эксплуатации изделия, например замена быстроизнашивающихся деталей (рис. 2.10). 40 Рис. 2.9. Корпус, образовав- ный соеднненнем нескольких деталей При проектировании отливки еле- дует учитывать, что чем больше ее габаритные размеры, особенно за счет выступающих частей (рис. 2.11, а), тем сложнее и дороже пресс-форма. Поэто- Поэтому следует стремиться к тому, чтобы отливка имела компактную конфигу- конфигурацию и по возможности небольшие размеры (рис. 2.11, б.) Толщина стенки отливки опреде- определяется совокупностью конструктив- конструктивных и технологических факторов. К главным конструктивным факторам относятся масса отливки, жесткость конструкции и требования к прочности и герметичности. Основными технологическими факторами являются возможность заполнения и подпрессовки отливки, выталкивания горячей отливки из пресс- формы и применения высокопроизводительного оборудования. При литье под давлением обеспечение направленности за- затвердевания отливки затрудняется высокими скоростями кристал- кристаллизации, поэтому следует создавать отливки, в которых металл затвердевал бы одновременно по всем сечениям. Этим условиям удовлетворяют только равностенные конструкции с минимально возможной толщиной стенки, позволяющие избавиться от концен- концентрированных усадочных и газовых раковин. Направленность затвердевания отливок таких конструкций обеспечивается не толщиной стенки, а надлежащим расположением литниковой системы и каналов водяного охлаждения. В деталях должны отсутствовать массивные места, отделен- отделенные друг от друга тонкими перегородками, поскольку в них не может быть обеспечена качественная подпрессовка. На рис. 2.12 приведены примеры ликвидации утолщенных мест, образующихся при сочленении или пересечении стенок литых конструкций. Если массивные места в отливке необходимы, то следует учиты- учитывать возможность их интенсивного охлаждения или локальной подпресбовки в пресс-форме. а) ю Рис. 2.10. Корпус сальника, отлитый Рнс. 2.11. Нетехнологнчная (а) и отдельно (а) и вместе (б) с цилиндром технологичная (б) конструкции отливки 41
2.11. Зависимость минимально допустимой толщины стевки отливки от размера ее поверхности и типа сплава Сплав Цинковый Алюминиевый Магниевый Медный Сталь Площадь внешней поверхности отлнвкн, см", прн толщине стенки, мм До 25 0,5 0,8 1,0 2,0 2,0 25 —100 0,8 1,2 1,5 2,5 3,0 100—2Б0 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 250—500 1,5 2,5 2,5 3,5 Более 500 2,0 3,0 3,0 Толщина сечений литых деталей зависит от прочностных и технологических свойств еплава. Значения минимально допу- допустимой толщины стенки для различных еплавов в зависимости от площади внешней поверхности отливки приведены в табл. 2.11. На современных машинах, развивающих скорость прессования до 8 м/с, можно получать отливки g еще более тонкими Стенками. Если отливка имеет резкие переходы от толстых сечений к тонким, то в этих местах могут возникать горячие трещины. Чтобы этого не' происходило, необходимо создавать равностенные конструкции, предусматривать плавные переходы и радиусы закруглений между элементами литых деталей с разными сече- сечениями рис. 2.13. Конфигурация перехода зависит главным образом от соот- соотношения толщин сопрягаемых элементов. При незначительной их Рнс. 2.12. Разностенные (а) и равно- стенные (б) элементы отливок Рнс. 2.13. Изменение конструкции от- отлнвкн с целью устранения массив- массивного места: а — нетехнологично; 6 — технологично 42 а) 6) Рнс. 2.14. Перевода от толстый сечений и тонкий разнице FjJ6a <; 2) перехода рекомендуется оеущеешвлять ио радиусу R = (-?• -г- -g-j (бх + бг), но не должна быть менее 1 мм (рис. 2.14, а). Если б1;/б2 > 2, то следует применять так называемое клино- клиновые сопряжения (рис. 2.14, б), в которых I !> 4k. Так как k = = бх — б2, то I > 4 (бх — б2). При перпендикулярном соединении стенок и отношении ^i/^а -^ 1,75 (рис. 2.14, в) возможно сопряжение по радиусу R'= («1 + Sa)/4. . При отношении бх/ба > 1,75 рекомендуется клиновое сопря- сопряжение, которое в зависимости от конструктивных требований выполняется с утолщением на тонкой (рис. 2.14, г) или на тол- толстой стенке (рис. 2.14, д). При клиновом сопряжении перпенди- перпендикулярных стенок k = 3 V^x — 6а или k « (fix + Sa)/2, a l^- 4k. Радиус внутренних закруглений должен быть не менее 0,8 мм, но не превышать толщину сопрягаемых стенок. Исследование зависимости механических свойств элементов отливок от их конструктивного оформления свидетельствует о том, что увели- увеличение радиуса закругления во внутреннем углу сопряжения от 25 до 75% толщины ребра резко повышает долговечность конструк- конструктивных элементов толщиной 2 мм. Дальнейшее увеличение радиуса закругления лишь незначительно повышает долговечность. Это связано с тем, что при малых радиусах закругления повышается склонность узла сопряжения к образованию трещин, а с увели- увеличением этого радиуса снижается плотность узла сопряжения вследствие ухудшения его питания через стенки малой тол- толщины [22]. Принцип скругления переходов и углов не относится к поверх- поверхностям, которые пересекают плоскость разъема, где все грани должны оставаться прямоугольными и острыми (рис. 2.15). Эти грани могут быть скруглены на ротовой отливке после удаления облоя. Если же острые грани при нормальном расположении плоскости разъема недопустима, то необходим более сложный разъем пресс-формы. Внутренний радиус закругления зависит от вида еплава. Для цинковых сплавов радиус может быть в 1,5 раза меньше, чем для алюминиевых еплавов. Особенно чувствительны к радиуеу 43
W/ЛУ/ Рис. 2.15. Выполнение закруг- закруглений н острых граней в пло- плоскости разъема: а — нетехнологнчио; б — техноло- технологично от конструкции отливки закругления магвиевые сплавы, при кристаллизации которых в углах отливок наблюдается концентрация Напряжений, вызывающих горячие и холодные трещийы. Холодные трещины возникают чаще всего в отливках, работающих при цикли- циклических нагрузках. Для таких отливок радиусы закруглений должны быть не менее половины толщины стенки. Отверстия и окна в отливках, получаемых литьем под давлением, выполняют тремя способами: пол- полностью литьем, частично литьем с последующей механической обра- обработкой и полностью механической обработкой. Выбор способа зависит и пресс-формы, технологических возможностей процесса и масштаба производства. Для тонко- тонкостенных отливок небольших серий отверстия диаметром до 3 мм можно выполнять сверлением, в этом случае нет опасности отклонения режущего инструмента и вскрытия пор или раковин. В крупносерийном и массовом производстве выгоднее получать литые отверстия. В толстостенных отливках из цинковых сплавов отверстия диаметром до 1 мм, в отливках из алюминиевых и магниевых сплавов отверстия диаметром до 1,5 мм, в отливках из медных сплавов отверстия диаметром до 3 мм следует выполнять сверлением, ибо тонкие стержни быстро выходят из строя, а замена их в пресс-форме требует длительного времени. Остальные отверстия рекомендуется выполнять литьем, за исключением тех случаев, когда несколько отверстий близко расположены друг к другу и суммарная величина усилия охвата металлом стержней чрезмерно велика или же когда расстояние между отверстиями должно быть настолько точным, что колеба- колебания усадки металла и температурного расширения пресс-формн не обеспечивают требуемых допусков. При конструировании отверстий (табл. 2.12) следует учиты- учитывать нецелесообразность применения длинных тонких стержней (рие. 2.16, а). Отверстия в боковой стенке (рис. 2.16, б) часто могут быть выполнены без етержней. Несколько боковых отвер- етий лучше располагать параллельно друр другу (рис. 2.16, в), чтобн иепользовать для движения стержней один механизм (кли- (клиновой или гидравлический). Боковая стенка в отверстием (рие. 2.16, г) должна отстоять от другой стенки минимум на 3 мм. Следует избегать расположения отверстий (стержней) в подвиж- подвижной и неподвижной полуформах (рис. 2.16, д), лучше преду- предусмотреть возможность последующей механической обработки. Еели литое отверстие трудно выполнить, то оно может быть обо- 44 2.12. Допустимые размеры литых отверстий Сплав Цинковый Алюминиевый Магниевый Медный Минимальный диаметр d; мм практически рекомен- рекомендуемый 1,5 2,5 2,0 3,0 техноло- технологически возможный 1,0 1,5 1,5 2,5 Максималь- Максимальная глубина отверстия глу- глухого 6d 3d ы 3d сквоз- сквозного 12d 6d 10d 4d Конусность, % длины 0,2—0,5 0,5—1,0 0,3—0,5 0,8—1,5 значено центром под сверло (рис. 2.16, ё). Нельзя допускать пере- пересечения отверстий, требующих пересечения стержней в пресс- форме (рис. 2.16, ж). При оформлении больших глухих отверстий дно (конец стержня) не должно иметь острых кромок (рис. 2.16, з). Толщина дна глухих отверстий должна быть минимальной, чтобы исключить действие чрезмерной усадки металла на стержень Нетехно/югично ж) 3) и) Рис. 2.16. Ковструнрование лнтыя отверстий 45
6f 1 ,1 JL л i r 6p ". Рис. 2.17. Ребро жесткости (рие/2.16, а). Иногда е целью устране- устранения локальных утолщений рекоменду- рекомендуется делать технолоричеекие отверс- отверстия или окна (рие. 2.16, к). Отвервтия и окна в отливках по возможнобти должны бшть еквозны- ми. Это позволит оформлять их в двух еторон, что иеключит иекривление етержней под воздейетвием betcokofo давления запресеовки и, следователь- следовательно, смещение центров отверстий. Для сохранения конструктивной прочности тонкостенных отливок при- применяют ребра жесткости. Они уп- упрочняют стенку отливки, уменьшают ее прогиб под нагрузкой и препятствуют короблению. Рациональным конструкторским решением является распределение стыков ребер в шахматном порядке, позволяющее избежать скопления больших масс металла на пересечении не- нескольких профилей (см. рис. 2.12). Ребра должны иметь уклоны, по возможности равномерную толщину, закругленные внешние и внутренние края. В целях обеспечения равномерного уплотнения и охлаждения металла толщину ребер делают близкой к толщине стенки отливки. Рекомендуется следующее соотношение (рис. 2.17): fip = @,8~г-0,9) ботл, где бр — средняя толщина ребра, 6D = = 0,5 (бх + в,). Высота h ребра, в первую очередь, зависит от конфигурации детали. Однако не рекомендуется соотношение hv> 10ботл. Вну- Внутренние радиусы R назначают так же, как при любых пересече- пересечениях стенок. Радиус г скругления внешних кромок должен быть не менее 0,5 мм. Высота ребер жесткости цилиндрических деталей обычно удовлетворяет условию h > 41 (рис. 2.18, а). Во многих кон- конструкциях, например в отливке плоской крышки (рис. 2.18, б), ребра жесткости наряду с упрочнением отливки улучшают запол- няемость пресс-формы. При литье магниевых сплавов ребра жесткости улучшают течение металла даже в том случае, когда с внутренней стороны плоских стенок они имеют высоту всего Рис. 2.18. Ребра жесткости отлнвок 46 Нетехнологично Технологично лишь несколько девя- девятых долей миллиметра. При оформлении кро- кромок отливок преду- предусматривают ч опорные поверхности. Посколь- Поскольку еплошнще оенования не позволяют получить опорную поверхность без коробления, их за- заменяют отдельными вы- выступами, бортами или ножками, выполняющи- выполняющими функции ребер же- жесткости. Бобышки и высту- выступы, перпендикулярные к плоскости разъема, необходимо продлевать до этой плоскости или располагать на наруж- наружной стороне стенки, из- избегая поднутрений. Ес- Если оси бобышек расположены параллельно плоскости разъема, конструкция пресс-формы усложняется из-за дополнительных подвижных частей. Упростить конструкцию пресс-формы мож- можно, несколько изменив конфигурацию отливки (рис. 2.19, а). Близко расположенные бобышки или выступы для лучшей пере- передачи в них давления подпрессовки, а также для повышения жесткости отливки соединяют технологическими ребрами (рис. 2.19, б, в). Следует стремиться к устранению скопления ме- металла в выступах и бобышках (рис. 2.19, г). При кристаллизации металла возникают усадочные напря- напряжения, препятствующие удалению отливки из пресс-формы. Для облегчения удаления отливки на поверхностях, перпенди- перпендикулярных к плоскости разъема, предусматривают литейные ук- уклоны. Особенно они важны на внутренних поверхностях, офор- оформляемых стержнями. 0.5К Рис. 2.19. Конструирование бобышки Рис. 2.20. Литейные уклони 47
У i 1 s 5 J "t * f{ s 7 ' г -3 у* f г V cf 1 3 9 5678 10 20 304050 70 Высота стенки, мм з f быв ю го зотою Высота стенки, мм Рис. 2.21. Номограммы для определения литейных уклонов для внутренних (а) и наружных (б) поверхностей отливок нз различных сплавов: ) — медных; 2 — алюминиевых; 3 — магниевых; 4 — цинковых. Цифры у кривых — литейные уклоны Литейные уклоны поверхностей, расположенных перпендику- перпендикулярно к плоскости разъема или в направлении удаления стержня, зависят от размеров внутренних поверхностей и расстояния между их противоположными стенками, а также от того, каким образом извлекается отливка из пресс-формы. Для внутренних поверхностей, образуемых неподвижными стержнями, при извле- извлечении отливки с помощью выталкивателей, необходим уклон к большей величине (рис. 2.20, а), чем при использовании по- подвижных стержней (рис. 2.20, б), где уклон 0,5/С. Для отливок, имеющих горизонтальные перегородки (рис. 2.20, в), напряже- напряжения усадки не должны вызывать трещины в отливках в горячем состоянии. Для тех частей отливки, которые располагаются в неподвижной полуформе, рекомендуется уклон больший, чем для частей, оформляемых в по- подвижной полуформе, в против- противном случае при удалении от- отливка будет повреждена или вообще останется в неподвиж- неподвижной полуформе. Величина литейных уклонов или конусности зависит от вида сплава, высоты и толщины сте- стенок отливки. Уклоны внутрен- внутренних и наружных поверхностей отливок определяют по номо- номограммам (рис. 2.21), но они не Примечание. В числителе— ДОЛЖНЫ быть меньше МИНИ- данные для наружных поверхностей, мально допускаемых уклонов в знаменателе — для внутренних. ( (\ О \Я\ 48 2.13. Минимальные уклоны поверхностей Сплав Алюминиевый Магниевый Цинковый Медный Поверхности посадоч- посадочные 15725' 15735' 15735' 30719 прочие 30719 30719 15730' 4571Q 30' 2.4. ТОЧНОСТЬ РАЗМЕРОВ И ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ОТЛИВКИ Точность размеров и шероховатость поверхности отливки, изго- изготовляемой литьем под давлением, необходимо рассматривать, во-первых, g точки зрения требований, гарантирующих нормаль- нормальную работу механизмов пресс-формы, во-вторых, с точки зрения технологических возможностей достижения минимальных коле- колебаний размеров отливок. Точность размеров реальной отливки оценивается их соответствием номинальным размерам, указан- указанным на чертеже, а шероховатость поверхности — техническим требованиям на деталь. Количественным критерием точности должна служить наибольшая величина отклонений действитель- действительных размеров отливки от размеров, заданных конструктором, а шероховатость поверхности должна соответствовать утвер- утвержденному эталону. Литературные данные довольно противоре- противоречивы из-за различия методик построения системы допусков. Это приводит к тому, что рекомендуемые в работах И. И. Горюнова, С. А, Казенова, Н. Н. Белоусова допуски на один и тот же раз- размер отливки имеют расхождения на один-два порядка, в связи с чем во многих случаях при назначении допусков приходится учитывать производственный опыт. В тех случаях, когда отливку требуемой точности невоз- невозможно получить литьем под давлением или же ее производство экономически неоправдано из-за удорожания стоимости пресс- формы, назначают припуск на механическую обработку, который колеблется от 0,3 до 0,8 мм. В особых случаях допускается при' пуск до 1,2 мм. Иногда, чтобы получить отливку требуемой точ- точности без механической обработки, увеличивают затраты на изготовление пресс-формы. Деталь пресс-формы, оформляющую этот размер, делают в виде быстросменной вставки, что позволяет после испытания пресс-формы и измерения пробных отливок заменить ее или довести размер. Технически обоснованные допуски на размеры отливок можно установить определением и анализом полных полей рассеяния размеров в зависимости от совокупности факторов, вызывающих это рассеяние. При литье под давлением к таким факторам отно- относятся точность изготовления оформляющей полости пресс-формы, износ поверхностей оформляющей полости, колебания усадки сплава, точность перемещения и сопряжения подвижных частей пресс-формы, деформация отливки при ее извлечении, изменение размеров при хранении; ошибки измерения при контроле размеров отливки и оформляющей полости пресс-формы. Совокупность всех этих факторов определяет величину полного поля рассеяния размеров отливки. В каждом конкретном случае необходимо проводить анализ, в какой степени те или иные случайные и систематические погреш- погрешности влияют на величину рассеяния размеров отливки. 49
Phc. 2.22. Исполннтельнив размеры оформляющих дета- деталей пресс-формы с учетом ия нх доводкн и износа Погрешность изготовления пресс-формы обуеловливает откло- отклонение действительных размеров отливки от их номинальных зна- значений, заданных чертежом. Следовательно, отклонение любого действительного размера оформляющей полости пресс-формы от его номинального значения является систематической погреш- погрешностью для размера отливки. На точность и шероховатость поверхности отливки также влияет износ поверхности оформляющей полости пресс-формы. В результате соприкосновения с заливаемым сплавом на поверх- поверхности оформляющей полости пресс-формы после нескольких тысяч запрессовок возникают трещины, сетка разгара, выкрашивание металла и другие дефекты. При зачистке дефектов поверхности пресс-формы изменяются размеры оформляющей полости / (рис. 2.22) и, следовательно, размеры отливок. С этой целью внешние (охватываемые) размеры /,ф1 полости делают меньше номинальных, а внутренние (охватывающие) L$a — больше номи- номинальных. После каждой зачистки размер пресс-формы изменяется на 0,05—0,1 мм. После четырех-пяти зачисток пресс-форму при- приходится списывать, так как она не удовлетворяет требованиям по точности размеров отливки. Пресс-формы изнашиваются в результате температурных ко- колебаний в поверхностном слое оформляющей полости, гидродина- гидродинамического действия потока и химического взаимодействия между материалом вкладышей и заливаемым сплавом. Износ пресс- формы зависит также от конструкции отливки и ее расположения в подвижной и неподвижной полуформах. На износ пресс-форм влияют условия их ремонта и хранения. Эти факторы сказываются и на.сроке службы пресс-формы. Чем больше факторов действуют одновременно, тем быстрее изнашивается пресс-форма. Величина износа, влияющая на погрешность размеров отливок, прямо пропорциональна числу отливок, полученных в данной пресс- форме, и меньше всего зависит от рассматриваемого номиналь- номинального размера отливки. Колебания величин уеадки заливаемого еплава могут внза- вать наибольшее раеееяние размеров отливок. Колебания уеадки зависят от совокупности таких факторов, как етабильноеть тех- нологичеекого процеееа, тип еплава, постоянство рабочей тем- пературш преее-формы, температура заливаемого еплава и отливки в момент ее удаления, поетоянетво теплового раеширения мате- 50 Г  л V////////////A g' '»? J ш А* а) л' ш' V//////////M 6) Рнс. 2.23. Размеры отлнвое и пресс-форм прн различных температурам: /-стержень пресс-формы прн 20 "С; // и //'- отливки при 20 °С; .Ш-стержень пресс-формы прн рабочей температуре; /' н ///' - гнезда пресс-форм прн 20 "С а рабо- чей температуре риала пресс-формы и отливок, толщина стенок отливки, место подвода питателей и пр. Влияние всех этих факторов на размеры отливки зависит от характера усадки, при затрудненной усадке колебания размеров более значительны, чем при свободной. Рассеяние размеров отливок при литье под давлением, вы- вызванное колебаниями усадки, носит случайный характер, так как оно зависит от многих технологических и конструктивных фак- факторов. Определить величину усадки отливок, получаемых литьем под давлением, можно только на специальных образцах. Линей- Линейную усадку можно определить по формуле хл = a (ty — 20 С), где а — коэффициент линейного (теплового) расширения сплава; L — температура начала усадки. Различают действительную и расчетную линейную усадку. Действительной усадкой называют разность размеров отливки при температуре начала усадки и при 20 °С. Допускается, что раз- размеры отливок в начале усадки равны размерам оформляющей полости пресс-формы при рабочей температуре, под которой подразумевается средняя приведенная температура, условно оди- одинаковая и постоянная во всех точках пресс-формы. Действитель- Действительную усадку можно определить по формуле хл = хсв. у — См + + 1т), где хсь.у — величина свободной усадки; ^ и /т — остаточ- остаточная деформация отливки, вызванная соответственно механиче- механическим и термическим торможением. Значение /м определяется механическим сопротивлением пресс- формы и стержней; оно зависит главным образом от конфигурации отливки. Термическая остаточная деформация /т возникает из-за различия скорости охлаждения отдельных частей отливки и 51
2.14. Расчетные коэффициенты усадки, % I Сплав Цинковый Алюминие- Алюминиевый Магниевый Латунь Толщина стенкн, мм До 3 0,4/0,5 0,5/0,6 0,6/0,7 0,6/0,7 Более 3 0,5/0,6 0,6/0,7 0,7/0,8 0,7/0,9 Рис. 2.24. Варианты размещения отливок Примечание. В чн- в пресс-форме слителе — значения для затруд- затрудненной усадки, в знаменателе — их взаимного торможения усадки. для своб°Дйои- Чем меньше разностенность отлив- — ки, тем меньше /т. Усадка металла компенсируется увеличением размеров оформляющей полости пресс-формы относительно размеров отливки. Разность ме- между исполнительным размером полости и соответствующим номинальным размером отливки называется расчетной усад- усадкой л:р. Необходимость введения этого термина вызвана тем, что размеры пресс-формы контролируют в процессе изготовления, когда она имеет температуру, близкую к 20 °С, в то время как охлаждение отливки и ее действительная усадка происходят в пресс-форме, нагретой до определенной рабочей температуры. Таким образом, чтобы получить исполнительный размер L$ оформляющей полости при 20 °С, необходимо к номинальному размеру Loin отливки прибавить величину расчетной усадки: На рис. 2.23 показано соотношение между действительной и расчетной усадкой для охватывающих (рис. 2.23, а) и охватывае- охватываемых (рис. 2.23, б) размеров отливки при 20 °С и рабочей темпера- температуре пресс-формы. Размер пресс-формы при рабочей температуре обозначением индексом Ьф. Отношение расчетной усадки xv к номинальному размеру отливки LOTJI называют расчетным коэффициентом усадки /Ср, или относительной расчетной усадкой! -отл 100%. Коэффициент усадки зависит от типа заливаемого еплава и характера усадки (затрудненная, свободная). Для практических целей можно рекомендовать средние значения расчетных коэффи- коэффициентов усадки (табл. 2.14). 52 Точность того или иного размфа отливки также зависит от ее расположения в пресс-форме. Наибольшую точность размеров можно получить, когда поверхности отливки выполняются в одной части пресс-формы (рис. 2.24, а). Если поверхности отливки офор- оформляются подвижными боковыми стержнями (рис. 2.24, б) или в подвижной и неподвижной полуформах (рис. 2.24, в, г), то точность размеров снижается. Колебания размеров отливок, поверхности которых оформля- оформляются в подвижных частях пресс-формы, вызваны кратковременным раскрытием полуформы в процессе запрессовки сплава и образо- образованием облоя вокруг отливки по плоскости разъема. Толщина облоя зависит от многих технологических факторов и стабильно- стабильности работы машины литья под давлением и не зависит от номиналь- номинального размера отливки. Поэтому колебания толщины облоя носят случайный характер. Эти колебания определяют разброс размеров, оформляемых в подвижной и неподвижной полуформах. На размер облоя очень сильно влияет гидравлический удар в конце заполнения пресс-формы. Для снижения этого влияния современные машины оснащают быстродействующими мульти- мультипликаторами или другими механизмами, сокращающими время повышения давления подпрессовки. На размер облоя влияют так- также точность обработки деталей запирающего механизма, жесткость его конструкции, взаимное расположение и точность изготовления пазов для крепления пресс-форм, плоскостность и параллельность рабочих поверхностей крепежных плит, перпендикулярность на- направляющих колонн к рабочим поверхностям плит. В механизмах, служащих для перемещения подвижной плиты, должны быть за- зазоры, не допускающие заклинивания при повышении температуры пресс-формы во время работы.
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 3.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ПРЕССУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН Оптимизация процесса изготовления отливок, когда время их затвердевания становится соизмеримым с продолжительностью заполнения полости формы расплавом (чгзат ?w <в8ал)> требует зна- знания закономерностей движения металлического потока в узких каналах формы с учетом развития в его сечении не только поля скоростей, но и температурного поля, обусловливающего характер затвердевания потока расплава. От правильного понимания ме- механизмов движения и остановки потока жидких металла и сплавов в каналах заполняемой полости зависит выбор направлений и ме- методов воздействия на эти процессы в целях дальнейшего повыше- повышения качества и достижения требуемых свойств изготовляемых от- отливок. Теоретические и технологические основы гидродинамиче- гидродинамических и тепловых условий формирования отливок при литье под давлением изложены в работе А. К. Белопухова [6]. Роль дав- давления в управлении всем комплексом литейных процессов, фор- формирование структуры и свойств готовых отливок рассмотрена в монографии Г. П. Борисова [15]. Взаимосвязь режимов заполнения и подпрессовки отливки обеспечивается работой прессово-подпрессовочного и запираю- запирающего механизмов машины литья под давлением, механизмов вытал- выталкивания и удаления стержней. Выбор типа машины и расчет ее силовых параметров проводят после установления технологически необходимой продолжительности заполнения, диапазона скоростей прессования, вместимости камеры прессования, давления и дру- других факторов, создающих оптимальные тепловые и гидродинами- гидродинамические условия формирования отливки в процессе заполнения и подпрессовки. Качество отливок легче обеспечивать при использовании ма- машин с горизонтальной камерой прессования, обеспечивающих наименьшие потери теплоты и давления в литниковых каналах. Производительность машин с горизонтальной камерой выше про- производительности машин с вертикальной камерой вследствие от- отсутствия операции отрезки литника от пресс-остатка. Главным механизмом машины литья под давлением является узел прессования, определяющий технологические параметра заполнения и подпрессовки. Анализ различных конструкций прее- 54 HI- Ш Рнс. 3.1. Механизм прессования фирмы Jdra (Италия) сующего узла приведен в работах А. К. Белопухова, Б. Ф. Ного- вицина, А. А. Крейцера и др. Большая часть отечественных и зарубежных машин снабжена механизмами прессования, в которых для перемещения пресс- поршня и поршня мультипликатора используется один и тот же аккумулятор. Одним из примеров такого механизма служит ме- механизм прессования новых машин итальянской фирмы Jdra [30]. При его конструировании фирма преследовала цель максимально облегчить подвижные части поршней для достижения высокой скорости прессования и минимального времени подпрессовки. Для этого механизм был спроектирован с очень короткими тру- трубопроводами для подачи рабочей жидкости, а некоторые его части были изготовлены полыми. Поршень мультипликатора был сде- сделан из алюминиевого сплава. Механизм состоит из цилиндра прессования 3, пресс-поршня 4, мультипликатора 10, поршня //, аккумулятора 7, обратного клапана 9, путевых переключателей 2 я 1, клапана второй фазы 6, клапана 8, аккумулятора мультипликатора 5 и стержня 12 (рис. 3.1). Мультипликатор крепится вертикально к цилиндру прессования, а поршневой аккумулятор 7 установлен непосред- непосредственно на цилиндре 3. От него осуществляются вторая и третья фазы прессования, а первая фаза осуществляется путем подачи жидкости насосом (стрелка А). Ручным регулятором клапана 6 настраивается скорость ирессованкя, а регулятором клапана 8 — 55
S,mm p, МП а 390 160 130 -30 -го -10 si Л" Рнс. З.2. Осциллограмма па- параметров работы механизма прессования машины мод. OL-500ST: S _ путь пресо-поршня; р — давление в поршневой полости цилиндра прессования о 0,08 0,16 о,гч т,с время подпрессовки. Стержень 12 позволяет контролировать ход поршня мультипликатора и момент начала его движения. На рис. 3.2 приведена осциллограмма параметров работы ме- механизма машины с усилием запирания формы 5000 кН. Обработка этой осциллограммы показала, что отливка была получена при скорости пресс-поршня 0,3 м/с на первой фазе и 3,9 м/с на второй. Время подпрессовки для достижения давления 35 ЛШа составил 0,009 с. Пики давления в конце переходного процесса незначи- незначительны. Механизм прессования с включением мультипликатора в за- зависимости от пути пресс-поршня спроектирован и изготовлен на ПО «Сиблитмаш» (рис. 3.3). Он состоит из цилиндра прессова- прессования /, внутри которого перемещается пресс-поршень 2. Горизон- Горизонтально на одной оси с этим цилиндром крепится.мультипликатор 3 с поршнем 10. Рядом с цилиндром прессования /, закрепленном в специальной стойке, установлен поршневой аккумулятор //, от которого осуществляются вторая и третья фазы прессования. Перед началом процесса прессования переключается гидрорас- гидрораспределитель 14, и рабочая жидкость из насосно-аккумуляторной станции через обратный клапан 15 сливается в бак машины, раз- размещенный внутри станины. При этом пресс-поршень перемещается с относительно небольшой @,2—0,3 м/с) скоростью (первая фаза прессования). Пройдя заливочное окно камеры прессования, пресс- поршень 2 дает команду на переключение золотника 13, который открывает клапан второй фазы 12. Жидкость из аккумулятора 11 попадает в поршневую полость цилиндра прессования, перемещая пресе-поршень со скоростью до 6 м/е (вторая фаза прессования). Ручным регулятором обратного клапана 16 настраивают скорость прессования. Перед окончанием занолнения формы металлом ио команде от путевого переключателя, которую дает пресс-поршень 2, сраба- срабатывает золотник 9. Это позволяет жидкости слиться из полости В оригинального клапана 4. Открытие клапана вызывает движение поршня 10 мультипликатора 3, который во время движения вытес- 56 Рнс. 3.3. Механизм прессования с управлением мультипликатора по пути пресс- поршня няет жидкость из штоковой полости мультипликатора в полость А аккумулятора 5, поднимая поршень 6. Затем закрывается об- обратный клапан 16 и движущийся поршень мультипликатора своим штоком сжимает замкнутый объем жидкости в поршневой полости цилиндра прессования /, создавая в ней давление выше рабочего давления гидросистемы (третья фаза прессования). После затвердевания отливки подается команда на отключение золотника 9 (возврат в исходное положение) и закрытие клапана 4, благодаря чему исключается возможность дальнейшего переме- перемещения поршня мультипликатора. Далее подается команда на раскрытие пресс-формы и отливка выталкивается пресс-поршнем 2. Выталкивание происходит с усилием в 2—3 раза меньшим, чем 57
S,mm p, МПа 320 1S0 - JO - го - ю s . ¦ J I 1 i i i 0 0,05 0,10 0,15 0,10 т,с Рис. З.4. Осциллограмма параметров ра- работы механизма мод. 71111 полное усилие иреесова- ния, так как поршень мультипликатора неподви- неподвижен. Этим самым исклю- исключается возможность де- деформирования пресс-ос- пресс-остатка и выбрызг распла- расплавленного металла из его незакристаллизовавшейся сердцевины. После удале- удаления отливки механизм возвращается в исходное положение. Для регулирования па- прессовання машины раметров работы механиз- механизма, к которым относятся скорость прессования, вре- время подпрессовки и давление в поршневой полости цилиндра прессования, служат регулируемый обратный клапан 7, оригиналь- оригинальный клапан 4, реле времени 8 и аккумулятор 5 мультипликатора. На рис. 3.4 приведена осциллограмма параметров работы ме- механизма прессования машины мод. 71111 с усилием запирания пресс-формы 8000 кН. При максимальной скорости прессования 6 м/с и давления мультипликации 23,5 МПа время подпрессовки составляет 0,02 с. Для расширения технологических возможностей время под- подпрессовки механизма регулируется в определенном диапазоне. Особенно это важно при изготовлении толстостенных отливок, для которых не требуется минимального времени. Изменение вре- времени подпрессовки в механизме, показанном на рис. 3.3, осуще- осуществляется клапаном 4 или реле времени 8. Регулируя величину открытия клапана 4, можно обеспечить плавное нарастание дав- давления в поршневой полости цилиндра прессования. Механизмы прессования с включением мультипликатора по пути пресс-поршня обладают тем недостатком, что из-за ошибки в дозе заливаемого сплава изменяется длина пресс-остатка. В связи с этим происходит задержка или опережение момента включения поршня мультипликатора. Механизм прессования фирмы Italpresse (Италия) представлен на рис. 3.5. Механизм имеет цилиндр прессования 1, пресс-пор- пресс-поршень 2, мультипликатор 10, поршень 9 мультипликатора, акку- аккумулятор 4 мультипликатора, поршневой аккумулятор 7, газо- газовый баллон 6, клапан второй фазы 5, обратный клапан 8, клапан 3. Все фазы работы механизма осуществляются от аккумулятора 7. В рассматриваемом механизме жидкость из штоковой полости мультипликатора вытесняется на слив через клапан 3. Это гаран- гарантирует постоянство давления в аккумуляторе 4. Для изменения времени подпрессовки служит ручной регулятор клапана 3. 58 Рнс. 3.5. Схема механизма прессования фирмы Jtalpres.se (Италия) На рис. 3.6 приведена осциллограмма давления в поршневой по- полости цилиндра 1. Время подпрессовки на основании этой ос- осциллограммы составляет 0,015 с. Аналогичный механизм прессо- прессования используется на машинах литья под давлением фирмы «Триульцы» (Италия). Фирмы ВпЫег (Швейцария) и Toshiba (Япония) для изменения давления в поршневой полости цилиндра прессования вместо аккумулятора мультипликатора применяют редукционный кла- клапан. Время подпрессовки для таких механизмов больше, чем для механизмов с аккумулятором мультипликатора. Для доказатель- доказательства этого утверждения фирмой Jdra (Италия) на машине мод. OL/V-400S с усилием запирания форм 4000 кН были проведены испытания механизмов с аккумулятором мультипликатора и редук- редукционным клапаном. Эти испытания показали, что время подпрес- подпрессовки при скорости прессования 4,5 м/с для механизма с редук- редукционным клапаном составляет 0,06 с, а для второго механизма — 0,015 с, т. е. в 4 раза меньше. Аналогичные испытания механизмов были проведены на маши- машине МОД. 71111 [58]. Они подтвердили исследования фирмы Jdra. Время подпрессовки для механизма с редукционным клапаном было 0,1 с, а для механизма с аккумулятором мультипликатора 0,02—0,03 с. 59
На некоторых отечественных машинах используется механизм прессования с одним аккумулятором и включением мультиплика- мультипликатора по давлению (рис. 3.7). Механизм состоит из цилиндра 1 и пресс-поршня 2. Горизонтально на одной оси g этим цилиндром крепится мультипликатор 5 с поршнем 10. Рядом с цилиндром прессования установлен поршневой аккумулятор 11. После заливки металла в камеру прессования переключаются гидрораспределитель 14 и золотник 8. Жидкость через обратный клапан 16 подается в поршневую полость цилиндра прессования 1. Из штоковой полости через клапан 15 она сливается в бак машины. При этом происходит первая фаза процесса прессования. Пройдя заливочное окно камеры, пресс-поршень дает команду на переключение золотника 13. Он открывает клапан 12, и жид- жидкость из аккумулятора 11 подается в поршневую полость цилинд- цилиндра 1 (вторая фаза прессования). В этот момент давление в напорном трубопроводе, действующее на напорный золотник 9, не превышает усилия его пружины, и он закрыт. Закрыт также и клапан 4, что исключает преждевременное движение поршня мультипли- мультипликатора. Заполнение формы металлом вызывает остановку пресс-порш- пресс-поршня 2, и в гидросистеме механизма резко возрастает давление жид- жидкости в результате ги- гидравлического удара. Это давление открывает золот- золотник 9 и клапан 4, что вы- вызывает движение поршня мпа I 1 1 1 1 1 1 005 0,10 0,15 г, С Рис. 3.6. Осциллограмма давле- давления в поршневой полости ма- машины для литья под давлением фирмы Jtalpresse (Италия) 60 Рис. 3.7. Схема механизма прессования' с включением мультипликатора по Дав- Давлению I 0,01 1 Рис. 3.8. Зависимость времени подпрессовки от скорости прес- прессования Рис. 3.9. Схема механизма прес- прессования с оригинальным иа- порным золотником ш 15 \ XI к I, W 10. Жидкость из штоковой полости мультипликатора вытесняется в аккумуля- аккумулятор 5, поднимая поршень 6. В этот же момент вре- времени закрывается обратный клапан 16 и поршень 10 создает повышенное давление в поршневой полости цилиндра 1. После затвердевания отливки дается команда на отключение золотника 8, закрытие напорного золотника 9 и клапана 4. Бла- Благодаря этому исключается дальнейшее перемещение поршия мультипликатора. Жидкость из аккумулятора 5 сливается через обратный клапан 7 и золотник 8, поршень 6 опускается на дно аккумулятора. Осциллографирование параметров механизма прессования ма- машины мод. 71111 при различных скоростях позволило построить зависимость времени подпрессовки <спод от скорости прессования рпр (рис. 3.8). Кривая указывает на резкое увеличение ч/под при низких Рпр. Это увеличение объясняется тем, что жидкость из аккумулятора 11 (см. рис. 3.7) подается как в поршневую полость цилиндра прессования /, так и в поршневую полость мультипли- мультипликатора 5 через один и тот же клапан 12. Этим клапаном настраи- настраивается скорость прессования, поэтому, уменьшая скорость прес- прессования, уменьшают и скорость перемещения поршня 10, что при- приводит к увеличению времени подпрессовки. В данной схеме механизма давление на напорный золотник 9 подается из трубопровода, но если его подать из поршневой по- 61
004 ,м/с Рис. 3.10. Зависимость времени подпрессовки от скорости прес- прессования при регулировании по- последней клапаном второй фазы A) и обратным клапаном B) лоеши цилиндра преесования, то можно исключить указанный недо- ешкш. Это било выполнено при разработке схема механизма прееео- вания машины мод. 71113 (рие. 3.9). Механизм этой машины еоетоиш из цилиндра прессования 1, преее-пор- шня 2, мультипликатора 11, пор- поршня 12, аккумулятора 13, гидро- гидрораспределителя 16, золотника 9, регулируемого обратного клапана 18, клапана 17, золотника 15? кла- клапана второй фазы 14, оригинального напорного золотника 4, поршенька 3, аккумулятора мультипликатора 6, поршня 5, обратного клапана 8, пружины 7 и ручного регулятора 10. После двух фаз прессования пресс-поршень внезапно останавливается, и в гидросистеме резко возрастает давление жидкости. Это давление воздействует на поршенек 3 и вызывает срабатывание напорного золотника 4. В остальном схемы, показанные на рис. 3.7 и 3.9, работают одинаково. На рис. ЗЛО приведены зависимости Т7ПОД от vnp, полученные после обработки осциллограммы. Кривая 1 получена при регули- регулировании скорости прессования клапаном 14, а кривая 2 — об- обратным клапаном 18 (см. рис. 3.9). Во втором случае <ппод практи- практически не зависит от упр. В механизмах большинства зарубежных машин используются нерегулируемые обратные клапаны, встроенные в поршень муль- мультипликатора. Поэтому в этих механизмах, как правило, время под- подпрессовки зависит от скорости прессования. Кроме того, вынесен- вынесенный из поршня мультипликатора обратный клапан улучшает ремонтопригодность механизма прессования и уменьшает габариты поршня. Механизмы с одним аккумулятором имеют более простое кон- конструктивное исполнение, но зависят от технологических парамет- параметров литья. Низкие значения скорости приводят к увеличению времени подпрессовки, что снижает технологические возможности механизма. Механизмы с двумя аккумуляторами более сложны по своей конструкции, но в них время подпрессовки не зависит от скорости прессования. Фирма Weingarten (ФРГ) в течение ряда лет совершенствовала конструкцию механизмов прессования своих машин, в результате чего была создана новая серия. Механизмы прессования этой серии оснащены двумя аккумуляторами 5 и 4 для независимого приведения в движение пресс-поршня 1 и-поршня 8 мультиплика- мультипликатора (рис. 3.11). Для снижения инерционности массы подвижных 62 Рис. 3.11. Механизм прессования с двумя аккунуляторами фирмы Weingarten (ФРГ) элементов механизма и жидкости в трубопроводе сведены к мини- минимуму, для чего аккумуляторы расположены непосредственно на цилиндре прессования. Для обеспечения подпрессовки механизм снабжен обратным клапаном 9, размещенным в поршне 8 мультипликатора. Для регулирования скорости прессования и времени подпрессовки служат клапаны 7 и 3 с регуляторами 6 и 2. Механизм имеет трехфазную систему: две фазы по скорости и подпрессовку. Вторая фаза осуществляется после открытия кла- клапана 7. Жидкость из аккумулятора 5 через этот клапан и обратный клапан 9 подается в поршневую полость цилиндра прессования, сообщая пресс-поршню 1 высокую скорость. После заполнения формы металлом и остановки пресс-поршня в гидросистеме ме- механизма возникает гидроудар, который сначала открывает напор- напорный золотник, а затем клапан 3. Рабочая жидкость из аккумуля- аккумулятора мультипликатора 4 подается в полость А и перемещает пор- поршень 8. В этот же момент времени закрывается обратный клапан 9 и поршень мультипликатора поднимает давление в цилиндре прес- прессования. Регулирование давления проводится изменением давле- давления газа в аккумуляторе мультипликатора 4. ПО «Сиблитмаш» изготовлена крупная машина мод. 71115 с усилием запирания форм 20 000 кН. На рис. 3.12 приведена схема механизма прессования этой машины. Механизм состоит из цилиндра 1 и мультипликатора 4, внутри которых перемещаются пресс-поршень 2 и поршень 5. Для приведения поршней в движение 63
н- ii nm i Рис. 3.12. Схема механизма прессования с двумя аккумуляторами машины мод. 71115 служат аккумулятор прессования 9, расположенный рядом со стойкой механизма, и аккумулятор мультипликатора 6, размещен- размещенный непосредственно на цилиндре мультипликатора. Рабочее дав- давление жидкости в этих аккумуляторах одинаково и равно 16 МПа. Регулирование давления мультипликации проводится изменением давления газа в баллоне 5. Для настройки скорости прессования и времени подпрессовки служат регуляторы клапанов 10 и 7. Перед началом работы механизма переключается гидрораспре- гидрораспределитель 15 и рабочая жидкость из насосно-аккумуляторной стан- станции через обратные клапаны 14 и 13 попадает в поршневую по- полость цилиндра прессования /. Одновременно с началом процесса прессования переключается золотник 12, отсекающий слив жид- жидкости из поршневой полости мультипликатора 4. Пресс-поршень 2, пройдя заливочное окно камеры, дает команду на переключение золотника 11, который открывает клапан 10. В конце движения пресс-поршня срабатывает золотник 8 и открывается клапан 7. Жидкость из аккумулятора мультипликатора подается в поршне- поршневую полость цилиндра 4 и приводит в движение поршень 5. В этот же период времени закрывается обратные клапаны 14 и 13, поршень 5 обеспечивает подпрессовку. Через клапан 16 жидкость сливается в бак машины. На рис. 3.13 приведены осциллограммы параметров работы этого механизма. Их айализ показывает, что при изменении скорости прессования от 1,4 до 5 м/с время под- подпрессовки остается постоянным и равно 0,028 с. В механизмах прессования с мультипликатором инерционность поршня приводит к увеличению времени подпрессовки и повы- повышенным пикам давления при переходном процессе, поэтому были разработаны и изготовлены механизмы прессования без мульти- 64 S,mm р,МПа ¦S, мм р, МПа 600 too 200 -39 -26 -13 .—- S ^> /— р л -=-boi 1 i_ 600 too 200 -39 -Z6 - 13 О 0,08 0,16 0,24 т, с 0.08 о,1б о,гч тс Рис. 3.13. Осциллограммы параметров работа прессующего механизма при ско- скорости прессования 1,4 (а) и 5 м/с (б) пликатора. В них для выполнения подпрессовки используются аккумуляторы высокого давления. Примером такого механизма может служить механизм прессования фирмы Fries (ФРГ), кото- который изображен на рис. 3.14. На первой фазе жидкость из акку- аккумулятора 5 через клапан 7 по каналу 8 подается в поршневую полость цилиндра прессования /, сообщая пресс-поршню // мед- медленное перемещение. Скорость пресс-поршня на этой фазе регу- регулируется клапаном 7. Эта фаза продолжается до тех пор, пока задний торец пресс-поршня 11 не откроет канал 10. После этого П'14' Мемии8М пРессоваиия беа мультипликатора машины фирмы Fries 65 (ФРГ) 3 Закае 66
р, МПа Jb 31 15 19 13 f! - - - ¦ —A—-— i T l\/\ f\ /\ /\> V i^ 4/ 4/ v-' 0,013 c * 1 1 001 0,08 0,12 0,16 T,C Рис. 3.15. Схема механизма прессо- прессования с аккумулятором высокого давления Рнс. 3.16. Осциллограмма давления при работе механизма с аннумулято- ром высокого давления начинается вторая фаза прессования, которая продолжается до заполнения камеры металлом. По команде от конечного выключа- выключателя открывается клапан 6 и пресс-поршень приобретает ускорен- ускоренное перемещение, так как при открытии новой магистрали на пресс-поршень действует более мощный поток рабочей жидкости. Для регулирования скорости прессования на третьей фазе служит регулятор клапана 6. Конечный выключатель, который настраивается в зависимости от пути пресс-поршня 11, включает четвертую фазу — подпрес- совку. В это время открывается клапан 2 и жидкость из аккуму- аккумулятора высокого давления 5 поступает в поршневую полость ци- цилиндра прессования. Закрываются обратные клапаны 9 и 4, и жидкость под высоким давлением из аккумулятора 3 передается в поршневую полость цилиндра 1, осуществляя процесс подпрес- еовки. Давление мультипликации регулируется изменением дав- давления в аккумуляторе 3, и для настройки времени подпрессовки служит регулятор клапана 2. Механизму присущи все те недостатки, которыми обладают механизмы с включением подпрессовочного устройства по пути движения пресс-поршня. На ПО «Сиблитмаш» также был спроектирован и изготовлен механизм прессования с аккумулятором высокого давления. Прин- Принципиальная гидравлическая схема механизма представлена на рис. 3.15. Поршневая полость соединена трубопроводом с акку- аккумулятором 4 через регулируемый обратный клапан 3, а через обратный клапан 8 — с насосно-аккумуляторной установкой. Обратный клапан 3 открнваетея поршнем цилиндра 5, поршне* 66 вая полость которого соединена е напор ним золотником 7 в гидрораепределителем 6. Жидкость по напорному трубопроводу через обратный клапан 8 подаетея в поршневую полость цилинд- цилиндра 1, сообщая скорость пресс-поршню 2. В это время давление жидкости в гидросистеме механизма, действующее на напорный золотник 7, не превышает усилия его пружины и он закрыто. После заполнения формы металлом прекращается движение пресс-поршня, под давлением жидкости ооткрывается напорный золотник 7 и клапан 3. В этот же момент закрывается обратный клапан 8 и жидкость из аккумулятора высокого давления 4 по- поступает в поршневую полость цилиндра 1, выполняя подпрес- совку. На рис. 3.16 приведена осциллограмма давления при работе механизма с аккумулятором высокого давления. Осциллограмма была получена при испытаниях машины мод. 711А10 и с програм- программным управлением. Кривая давления показывает, что при ско- скорости прессования 4 м/с время подпрессовки составляет 0,013 с. 3.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПРЕССУЮЩЕГО И ЗАПИРАЮЩЕГО МЕХАНИЗМОВ Определение параметров прессующего механизма. В практике литья под давлением можно часто встретиться с изготовлением деталей на машинах недостаточной мощности, особенно при исполь- использовании многогнездных пресс-форм или при литье крупногабарит- крупногабаритных изделий, поэтому при выборе машины, в первую очередь, нуж- нужно основываться на расчете необходимых усилий прессования и подпрессовки. Для определения технологически необходимого усилия Рпр. т прессования примем, что оно должно превышать сопротивление твердой корки металла на стенках камеры прессования. Для корки толщиной бк и площадью /к поперечного сечения, равной nDnp6H (здесь Dnp — диаметр камеры прессования), If C.1) где п — коэффициент запаса, п— 1,2~-1,5; г\ — коэффициент полезного действия прессующего механизма; для машин с гори- горизонтальной камерой прессования tj = 0,8, с вертикальной каме- камерой г\ = 0,7, с горячей камерой ц = 0,5-4-0,6; от — предел проч- прочности на сжатие заливаемого сплава при температуре, близкой к температуре солидуса. Значение /к зависит от тепловых условий в камере прессования и продолжительности <ппр нахождения в ней заливаемого металла; /к = ЛсмяОпр (iKp — Гпр) Тцр/^емРм'')) C-2) где Я,см — коэффициент теплопроводности смазочного материала; ?кр— температура кристаллизации металла; ?пр — температура камеры прессования; хси — толщина слоя смазочного материала 3* 67
в камере иреееования; рм — плофносфь заливаемого металла; г — удельная теплота кристаллизации сплава. Усилие прессования, подсчитанное по формуле C.1), может оказаться недостаточным для преодоления гидравлических со- сопротивлений в трубопроводах прессующего механизма машины, в литниковой системе и форме. Поэтому после предварительного выбора машины по величине Рпр. т необходимо сделать провероч- проверочный расчет, определяя машинное усилие Рпр. м прессования, до- достаточное для преодоления сопротивлений гидравлической системы и формы! к^ц A + 2j lo + S ?олI + 2 (^2пр/^I+ 2mnp/scp[,C.3) пр. м = (&>пр. ср/2J 1=п. где k — коэффициент сложности конфигурации отливки, для про- простых отливов k — 1,05-г-1,2, для отливок средней сложности k — 1,5; УПр. ср — средняя скорость прессования; Оц — диаметр поршня цилиндра прессования машины литься под давлением; d0 — диаметр подводящего трубопровода; рш — плотность ра- рабочей жидкости; Fn — площадь поршня цилиндра прессования; S ?о — сумма коэффициентов гидравлических сопротивлений на пути рабочей жидкости от аккумулятора до цилиндра прессова- прессования; Tilon — сумма коэффициентов гидравлических сопротивле- сопротивлений в сливном трубопроводе; Fnp — площадь поперечного сече- сечения камеры прессования; lt — коэффициент гидравлических со- сопротивлений на г'-м участке системы литниковые каналы — пресс- форма; Ft — площадь поперечного сечения г-го участка системы литниковые каналы — пресс-форма; тпр — масса подвижных ча- частей прессующего механизма; 5ср — средний путь прессующего поршня на второй и третьей стадиях движения; пит — число участков соответственно литниковой системы и пресс-формы. Средняя скорость прессования Упр. ср == 4Уотл/(я?>прТ3ап)> C.4) гДе Уотл — объем отливки с промывками; <взап — продолжитель- продолжительность заполнения пресс-формы. Значение <в8ап определяется в зависимости от режима заполне- заполнения пресс-формы (сплошным, дисперсным или диеперено-турбу- лентным потоком). Следует учитывать, что значения Рпр. т и Рпр. м иодечиты- ваются для периода перемещения металла в камере прессования, литниковой системе и форме. Технологически необходимое уси- усилие Рпод подпрессовки определяют по давлению рПОд подпрес- совки, требуемой для обеспечения заданной етепени сжатия газовых включений в отливке! 68 где тх — коэффициент потерь давления в камере прессования и литниковой системе, для машин с горизонтальной камерой т = = 0,85—0,95, е вертикальной т = 0,84-0,85, с горячей т — = 0,74-0,8. Значение рпод в формуле C.5) может быть определено на ос- основании управления, выведенного А. К. Белопуховым для рас- расчета изменения объемов газа в отливке при подпрессовке, в кото- котором при больших значениях рпод можно пренебречь первым сла- слагаемым: Рпод = [2/A/?м + 1/?м)] (АУПОД/УОТЛ - /С/100) + ntGpuRtr, C.6) где Е'и и Ей — модуль упругости соответственно жидкого ме- металла и твердого металла при температуре затвердевания; АУпод— изменение объема газов в отливке при подпрессовке; Уотл — объем отливки с промывниками; К — коэффициент объемной усадки при изменении температуры сплава от температуры ликви- ликвидуса ^ликв до температуры солидуса tooa; nx — отношение объема газов к объему металла; G — вес жидкого металла; R — газовая постоянная; tr — температура газов в форме. В машинах с мультипликатором давления рпод может в не- несколько раз превышать усилие прессования. В машинах с одинар- одинарным цилиндром прессования эти усилия могут быть равными, так как они создаются давлением рабочей жидкости на единственную площадь поршня в пресс-цилиндре. Один из способов повышения давления рПОд) развиваемого одинарным цилиндром прессова- прессования, — уменьшение сопротивления в гидравлической сети слива, вплоть до соединения ее с атмосферой. Расчет усилия запирания формы. Усилие запирания формы должно быть максимальным в момент окончания заполнения, оно должно обеспечивать плотное смыкание полуформ в период под- подпрессовки. В целях сокращения времени достижения максималь- максимального усилия запирающий механизм следует снабжать автоном- автономным аккумулятором. В машинах, предназначенных для получе- получения крупногабаритных отливок, усилие запирания выравнива- выравнивается по всем колоннам с помощью гидравлических цилиндров. В противном случае возможно нарушение размерной точности от- отливок вследствие перекоса пресс-формы при подпрессовке. Для расчета технологически необходимого усилия Рзап за- запирания рассмотрим систему соударяемых тел, которая состоит из рабочей жидкости, пресс-поршня, залитого металла и подвиж- подвижной половины формы. Поскольку подвижная полуформа в момент удара стремится отойти от неподвижной, для системы сил, дей- действующих'по оси х запирающего механизма, согласно принципу ДаЛамбера, справедливо уравнение Лиш -Рф- А^г. у + Z тааи (д2х/д%2) = 0, C.7) где Рф — усилие, передаваемое иа подвижную половину формы через залитий металл, фактически Рцр = рПОд JJ /?ф (здесь Ц^ф — 69
еумма площадей проекций отливки, элементов литниковой еиетемы, иромывников и иреее-оотатка на плоскость разъема формы); АРР. у — повышение усилия при гидравлическом ударе, АРр.у == Арр. у HjFq; IjWigan — еумма масс подвижных частей запирающего механизма. Интегрируя уравнение C.7) с заменой Рср = рпод JJ/^ и АРР. у = Ар„, у Л^ф, получим уравнение перемещения подвиж- подвижных частей запирающего механизма: X = [Р8ап - S /Ч (Рпод - Лрр. ,)] *»/B S /Щад) + ClT + С,. C.8) Определим иоетояннне интегрирования Сх и Cs из условия, что ори q = Q х — хв (здесь хв — допустимая ширина зазора между подвижной и неподвижной полуформами, предусматриваемая для улучшения вентиляции формы), а при <в = <вг. у (здесь <вг.у — время достижения удара) х = 0: у у максимальной амплитуды гидравлического = (Рвав - 23 ^ф (Рпод + Apr. у)] U. у/B 23 т8ап) — у; Подставляя Сх и С2 в уравнение C.8), получим следующую зависимость для перемещения подвижных частей запирающего механизма; х = [Р8ап - п — S ^ф (Рпод од + Арг. у)] у)] Тг. у/2 ? т тзап) C.10) Значение <5Р. у равно полупериоду колебаний гидравлического ударе. Если за начало отсчета принять плоскость разъема под- подвижной полуформы, то усилие должно достигать максимума при х — 0 и <в = 2тг. у, т. е. продолжительности периода колебаний гидравлического удара. Решая уравнение перемещения с учетом этих значений, получим формулу для Р3ап при заданном допусти- допустимом xs по плоскости разъема; РЫП = 23 ^Ф (РПОД + Apr. у) - 23 Юзап*3/(ЗТ2Г . у) . C.11) Для конкретного парка машин требуется решение обратной задачи, т. е. расчет xs по Р8ап и заданным значениям S f ф и Рпод: х* = Зт|. у [23 F0 (рпод + Арг. у) - />3ап]/B3 »W). C.12) Значения <пг. у и Арг.т, входящие в уравнения, определяют но осциллограмме. Анализ этих уравнений показывает, что уве- увеличение допустимой ширины зазора значительно снижает требуе- требуемое усилие запирания. При литье под давлением с низкими скоростями пресеования и использованием двойного поршня, например, при акурад-про- цессе на етенках камеры преееования и формы образуется корка 70 p Рис. 3.17. Рычажншй механизм вапирания (а) и осциллограмма изменения дав- давления (б) металла, препятствующая передаче гидравлического удара. Зна- Значение ApF. у в уравнениях C.11) и C.12) становится равным нулю, а значение требуемого усилия запирания уменьшается. Использование акурад-процесса или подпрессовки двойным порш- поршнем позволяет изготовлять крупногабаритные отливки при сравни- сравнительно небольших усилиях запирания. Например, если к моменту достижения максимального давления в пресс-цилиндре затверде- затвердевает 80% объема отливки, то усилие запирания снижается на 20—30%. Запирающее усилие при отсутствии гидравлического удара и влияния инерционных сил Б. Ф. Ноговицин называет стати- статическим усилием Р8ап. с запирания. Для рычажного механизма (рис. 3.17, а) />вап. с = СКРтах 23 ^Ф^Ц. пр/^пр) A + е/а), C.13) где К — коэффициент, учитывающий трение в камере прессования и потери давления при передаче его из камеры прессования в по- полость формы, К = 0,8—0,9; ршах = A-Ы.2) рм (рис. 3.17, б); е — абсолютная величина несовпадения оси симметрии механизма запирания и линии действия усилия Рф раскрытия формы; а — расстояние от оси симметрии механизма запирания до осей рыча- рычагов. Из формулы C.13) следует, что Р8ап. о снижается при умень- уменьшении е, поэтому отливку желательно располагать в форме таким образом, чтобы направление усилия Р$ совпадало g осью запира- запирающего механизма.. Динамическое усилие Р3ап. д запирания зависит от давления рг. у в момент остановки пресс-поршня и модуля упругости зали- заливаемого металла. При больших скоростях прессования Р3ап. д мо- моР ф жет превышать значение Р8 д подсчитываемое по формуле 71
3.1. Значения /тр и рот при извлечении стержня из отливки толщиной 3 мм Рис. 3.18. Осциллограммы скорости A), давления B) и пути движения подвиж- подвижной плиты машины C) , C.13). На рис. 3.18 приведены осциллограммы, полученные на машине мод. 71111 ПО «Сиблитмаш» для отливки из сплава типа AISi 12. Отход полуформы (зазор) контролировался специальным датчиком, изготовленным на базе серийного датчика ДД-10. Осциллограмма на рис. 3.18, а соответствует отходу полуформы на 70 90 100 110 ПО 130Ипр,мм i ii i i i i i i i i i i i ii 9,5 11,6 14,0 16,8 19,6тотп,кг Рис. 3.19. Номограмма для определения Рпр машины мод. OL1000 фирмы Jdra (Италия) 72 Сплав [Динковый Алюминиевый Магниевый Медный Уклон стержня 20' 40' 20' I9 /тр 0,25 0,25 0,15 0,35 рот, МПа 15,0 17,5 9,5 30,0 0,3 мм при ипр = 3,2 м/с и давлении прессования 15 МПа. Из осциллограммы на рис 3.18, б видно, что при меньшей скорости прессований (ипр = 2,1 м/с) отход подвижной полуформы со- составляет 0,5 мм под действием высокого давления A9,8 МПа), Создающего в форме усилие, превышающее усилие запирания ма- машины, равное 8000 кН. Для определения допустимой площади 2ji> Для каждой ма- машины рекомендуется строить номограммы, в которых значение 2^ф связано с Рпр и Dnp, а последний зависит от массы тотп отливки (рис. 3.19). При выборе вместимости камеры прессования следует стремиться к уменьшению значения Dnp, так как при этом уменьшается объем пресс-остатка и повышается давление на металл. В то же время значение Dnp не должно быть меньше ми- минимально допустимого D™pln, определяемого из условия раскры- раскрытия формы: D™in = BlVn) VKPu^F^jP^, C.14) где К — динамический коэффициент, зависящий от скорости прес- прессования в момент окончания заполнения формы: , onD, м/с 0,5 0,75 1 1,5 2 2,5 К 1 1,2 1,6 1,95 2,35 2,75 Расчет усилий выталкивания и извлечения стержней. При охлаждении и усадке сплава образуется плотный контакт отливки со стержнями. Стержни, расположенные в направлении, не сов- совпадающем с направлением выталкивания отливки, извлекаются до выталкивания. Для этого рассчитывают усилие Рст, требуемое для удаления стержня или нескольких стержней. По значению Рет определяют параметры приводов выталкивающих и стержне- стержневых механизмов машины. Если не учитывать температурный перепад между отливкой и стержнем, то Рст можно рассчитать по формуле Рст = /трРст-F ст, C.15) где /тр — коэффициент трения между отливкой и стержнем (табл. 3.1); рст — давление отливки на стержне; /^т — площадь поверхности соприкосновения отливки со стержнем (площадь обжатия). 73
8.8. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВО-ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Лишниковая еисшема представляет собой еовокуиность каналов, но которым жидкий металл поступает из камеры прессования в оформляющую иолоеть пресе-формы. Литниковая система в пресс- формах, предназначенных для установки на машинах g вертикаль- вертикальной камерой прессования, состоит из следующих элементов: пресс-остатка 1; литникового хода или конического литника 2, соединяющего камеру прессования с плоскостью разъема пресс- формы; подводящего канала 3 (или коллектора), по которому ме- металл подводится к оформляющей полости, а в многогнездных пресс- формах ко всем оформляющим полостям; питателя 4 (или впуск- впускного канала), являющегося основным элементом литниковой си- системы, определяющим направление и скорость впускного потока (рис. 3.20, а). Литниковая система пресс-форм для машин с го- горизонтальной холодной камерой прессования не имеет литникового хода; пресс-остаток 1 переходит сразу в подводящий канал 3 (рис. 3.20, б). Сокращение пути движения металла в литниковой системе -»- важное преимущество машин с горизонтальной ка- камерой прессования. Пресс-остаток одновременно является элементом литниковой системы пресс-формы и камеры прессования. Его диаметр опреде- определяется диаметром камеры прессования. В то же время масса пресс- остатка сильно влияет на условия заполнения и затвердевания отливки. Высота пресс-остатка должна быть оптимальной в целях экономии металла, но она должна быть не меньше диаметра вход- входного отверстия литникового хода для машин с вертикальной ка- камерой и не меньше размера входного отверстия в подводящий ка- канал для пресс-формы на машинах с горизонтальной камерой прес- прессования. Рис. 3.20. Элементы литниково-веитиляционной системы пресс-форм для машян с холодной камерой прессования 74 Рекомендуется для предупреждения усадочных ракобин Рис. 3.21. Прямая литниковая система Вентиляционная система пресс-формы представляет собой со- совокупность каналов и резервуаров, через которые воздух и газы, образующиеся при сгорании смазочных материалов, вытесняются из оформляющей полости поступающим металлом. Вентиляцион- Вентиляционная система состоит из промывников и вентиляционных каналов. Промывникн 6 (см. рис. 3.20) служат для приема порций металла, загрязненных воздушными и газовыми включениями. Толщину соединительных каналов 5 выбирают равной толщине питателя илн больше для обеспечения одновременного затвердевания металла в сечениях питателя и соединительных каналов. Основным эле- элементом вентиляционной системы являются каналы 7 (или воздухо- отвода), которые выполняют в виде широких щелей глубиной 0,05—0,30 мм в плоскости разъема. Вентиляционные каналы могут примыкать непосредственно к полости пресс-формы или, как это показано на рис. 3.20, к промывнику 6, сообщающемуся с полостью соединительным каналом 5. Литниковая система. В зависимости от расположения литни- литникового хода или камеры прессования относительно отливки выде- выделяют три типа литниковых систем: прямые, внутренние, внешние, (боковые). В прямой литниковой системе отсутствует подводящий канал; металл из литникового хода поступает в полость формы. В машинах с вертикальной камерой прессования площадь /пят соответствует площади поперечного сечения литникового хода (рис. 3.21, а), а в машинах с горизонтальной камерой — площади пресс-остатка (рис. 3.21, б).При наличии в отливке центрального отверстия лит- литниковый ход переходит в кольцевой питатель, расположенный во- вокруг рассекателя (рис 3.21, а). Внутреннюю литниковую систему применяют для отливок, имеющих центральное илн какое-либо другое отверстие, размеры которого позволяют разместить внутри полости пресе-формы подводящие каналы н питатели (рис. 3.22), как для машнн с верти- вертикальной (рис. 3.22, а), так н горизонтальной (рис. 3.22, б) ка- камерой прессования. Внутренняя литниковая система дает возмож- возможность уменьшить размеры формы. При установке специального 75
a Рис. 3.22. Внутренняя литниковая си- система Рис. 3.23. Подача металла по круговому питателю / черев специальный рассекатель 2 рассекателя, препятствующего иредварительному затеканию ме- металла в полость формы, внутреннюю систему можно применять для круговой подачи металла в отливку на машинах с горизонталь- горизонтальной камерой прессования (рис. 3.23). Внешняя литниковая система — единственная система для подвода металла в многогнездные формы (рис. 3.24, а). Для увели- увеличения числа отливок, получаемых в одной форме, используют внешний подвод металла от промежуточных каналов — коллек- коллекторов (рис. 3.24, б, в). Коллекторы служат и в качестве допол- дополнительных теплоносителей при необходимости поддержания вы- высокой температуры в питателе. В одногнездных формах коллек- коллекторы используют для одновременного подвода металла в различ- различные участки оформляющей полости. На рис. 3.24, г—ж показаны наиболее распространенные вари- варианты внешней литниковой системы, где h — высота подводящего металл канала. При выборе литниковой системы того или иного типа необ- необходимо стремиться к обеспечению направленного заполнения, ко- которое зависит не только ог места подвода питателя, но и от отно- отношения толщины бдит питателя к толщине ботл стенки отливки в месте подвода металла. Если отношение 6,n,T/6OTn > 1/2, то после удара струи о преграду начинается заполнение полости формы сплошным или дисперсншм (с последующим превращением в дисперсно-турбулентный) потоком, который движется в направ- направлении, обратном направлению движения металла в питателе, ухуд- ухудшая качество отливки. При отношении 6ni,T/6OTn < 1/2 возмож- возможность создания направленного потока заполнения повышается. В случае подведения металла в утолщенную часть неравностениой отливки после удара струи может образоваться сплошной или дисперсный поток, минующий тонкостенную полость формы, ко- которая в результате будет заполнятьея в последнюю очередь (рис. 3.25, а) более холодным металлом, при этом появятся по- поверхностные дефекты в виде неслитин. Для обеспечения заполне- заполнения последовательным дисперсно-турбулентным потоком рекомен- рекомендуется подводить струю к центру утолщенной части (рис. 3.25, б). 76 'ж) Рис. 3.24. Внешнее литни- литниковая система 77
a) 6) Ь) Рис. 3.25. Подвод питателя и иеравиостеииой отливке Для создания сплошного турбулентного потока питатель соеди- соединяют с тонкой частью отливки с применением промывника в конце утолщенной части (рис. 3.25, в). В этом случае тонкое сечение за- заполняется в последнюю очередь, через него можно осуществить подпрессовку всей отливки. Выбор места подвода питателя зависит от конфигурации от- отливки. Для отливок типа пластин или крышек с невысоким бурти- буртиком металл следует подводить не в буртик, а в основное тело от- отливки (рис. 3.26, а). При изготовлении коробчатых отливок с цент- центральным отверстием лучше осуществлять прямой подвод металла (рис. 3.26, б), при внешнем подводе металла впускную струю направляют параллельно стенке отливки (рис. 3.26, в). В ци- цилиндрических отливках хороших результатов достигают при под- подводе металла в торцовую часть (рис. 3.26, г). Важный фактор, влияющий на конструирование литниковой системы, — расположение питателя по ширине оформляющей полости. На рис. 3.27 приведены различные схемы подвода пита- питателя, разработанные П. П. Москвиным и Ю. Ф. Игнатенко. К пря- прямоугольной пластине питатель должен подводиться с наименьшей м А А ,Л 5) ^ Ш Рис. 3.26. Схемы подвода питателя к отливкам различной конфигурации (/, //, /// — соответственно плохо, удовлетворительно, хорошо) 78 Неправильно: Правильно Неправильно Правильно Неправильно Правильно Газовая пористость а) 5) 8) Неправильно Правильно Неправильно Правильно Неправильно Правильно Неправильно Правильно Неправильно Правильно Дпя и<П „ ^-^ Для НУВ Газовая пористость и несплавление Ж) ^0 3) Рис. 3.27. Схемы подвода питателя к отливкам различной конфигурации стороны' (рис. 3.27, а), так как в противном случае сокращается время, необходимое для вытеснения газов, что способствует обра- образованию газовой пористости. Ширина питателя практически равна ширине отливки. К отливкам типа рамки лучше подводить разветвленный питатель (рис. 3.27, б), что исключит лобовой удар впускной струи о стержень, который может вызвать привар струи и излишнюю дисперсность потока в начале заполнения. При использовании разветвленного внешнего подвода металла к рамке с узкими волостями (рис. 3.27, в) появляются пористость и нееилавление потоков как в дальнем сечении, так и между раз- разветвлениями питателя. В целях предупреждения образования этих дефектов лучше применять внушреннюю литниковую систему о подводом питателя по касательной. . К плоским тонкостенным отливкам веегда лучше подводить один широкий питатель, чем несколько питателей меньшей ширины (рис. 3.27, г), поскольку столкновение потоков металла в полости формы создает неравномерные условия заполнения, при которых 79
3.2. Зависимость глубины вентиляционных каналов от типа заливаемого сплава Сплав Свинцово-сурьмяной Цинковый Алюминиевый Примечание могут быть увеличены При в 2—3 бв, мм 0,05—0, 0,08—0, 0,10—0, заливке раза. 10 12 12 Сплав Магниевый Медный Сталь жидкотвердыми сплавами 6В, мм 0,10—0,15 0,15—0,20 0,20—0,30 значения бв возникают газовая пористость, неспаи и другие дефекты поверх- поверхности отливки. Для круглой пластинчатой отливки нежелателен подвод ме- металла по касательной (рис. 3.27, д). Лучшие условия вытеснения воздуха и газообразных продуктов смазочного материала созда- создаются при радиальном подводе питателя, причем его ширина дол- должна быть не менее 0,5 диаметра отливки. Наоборот, если круглая отливка имеет центральное отверстие (рис. 3.27, е), то лучше под- подводить питатель по касательной, избегая тем самым раздвоения по- потока заполнения и образования внутренних дефектов в месте столкновения отдельных струй. При получении коробчатой отливки, имеющей сплошное до- донышко, металл следует подводить в донную часть (рис. 3.27, ж), так как при подводе металла в торец поток дважды изменяет на- направление движения, теряет кинетическую энергию, что приводит к плохой заполняемости донной части отливки и не дает возмож- возможности осуществления качественной подпрессовки. Если высота Н значительно больше диаметра D, то подвод металла к донной части отливки не обеспечивает заполнения цилиндрической стенки. В этом случае применяют торцевой подвод через дополнительный коллектор (рис. 3.27, з). Один из главных принципов конструирования литниковых си- систем —¦ принцип сужения каналов от камеры прессования к по- полости формы. Например, на машинах с вертикальной камерой изменить нежелательное расширение потока в коническом литни- литниковом ходе практически невозможно. На машинах с горизонталь- горизонтальной камерой прессования всегда можно сузить литниковые каналы, что будет способствовать созданию установившегося движения в питателе. Обычно сечение питателя имеет прямоугольную конфигурацию, а сечение подводящего канала — трапецие- трапециевидную. Площадь поперечного сечения подводящего канала /шдв = A,2-7-1,5) /щи. Высоту /гподв подводящего канала Е. Брунгубер [88] предлагает определять по эмпирической фор- формуле /1ПОдв = 0,77 Vh^- Кромки питателя и подводящего канала, выходящие на пло- плоскость разъема формы, не должны иметь закруглений. Радиусы 80 Рис. 3.28. Вентиляционные наналн в плоскости вставная (б) и подвижны» стержня» (в) раеъема (а), иа специальный остальных углов должны бнггь не менее 1 мм. В щелях иредотвра- щения отламывания питателей от отливки при раскрытии пресс- формы рекомендуется делать для них индивидуальные выталкива- выталкиватели. Вентиляционная система. Трудность вытеснения воздуха и га- газов, образующихся при сгорании смазочных материалов, из по- полости пресс-формы в процессе ее заполнения жидким металлом является одной из основных причин образования раковин и по- пористости в отливках. Чем сложнее конфигурация отливки, тем труднее создать на- направленную систему вентиляции формы. Литниковая система и правильное расположение отливки в полости формы должны обеспечивать постепенное вытеснение воздуха и газов к вентиля- вентиляционным каналам. Последние должны быть такими,, чтобы брызги сплава при распылении струи не могли бы их закупорить. Встреч- Встречное движение сплава и воздуха не допускается. В этом случае воздух и газы, обладающие значительно меньшей инерцией, чем металл, не успевают уйти через каналы. Расположение вентиляционных каналов зависит от характера заполнения. При заполнении сплошными потоками их делают в местах, наиболее удаленных от питателя или места образования гидравлического подпора. При заполнении дисперсными или дисперсно-турбулентными потоками желательно иметь вентиля- вентиляционные каналы на всех участках заполнения. Вентиляционные каналы чаще всего выполняют в плоскости разъема формы. Они имеют вид прямоугольных проточек, глубина бв которых зависит от типа заливаемого сплава (табл. 3.2). 81
3 Ofr-0,5 A-A Рис. 3.29. Система вентиляции глубоких полостей формы Вентиляционные каналы могут располагаться как на пло- плоскости разъема (рис. 3.28, а), так и в специальных вставках (рис. 3.28, б), или же выполняться в виде проточек на подвижных стержнях (рис. 3.28, в). Ширина вентиляционных каналов опре- определяется частным от деления их суммарной площади ]С/Вна бв. Для глубоких н узких иолоетей рекомендуют делать индиви- индивидуальные вентиляционные каналы. Их протачивают в элементах вкладышей, которые для этих целей делают составными (рис. 3.29, а). Для уменьшения сопротивления при входе газов в вентиляционный канал применяют промежуточные трапецеи- трапецеидальные полоети (рие. 3.29, б). Такая система вентиляции сни- снижает возможность закупоривания каналов дисперсными части- частицами расплава или нагара. Для увеличения суммарной площади вентиляционных каналов рекомендуется устанавливать газовые фильтры, изготовленные из пористой металлокерамики или собранные из металлических игл. В отличие от проточек они могут быть расположены в любой части формы, в том числе в глухих поднутрениях. Игольчатые фильтры обладают в несколько раз большей пропускной способ- способностью, чем фильтры, изготовленные из металлокерамики. Мак- Максимальный зазор между иглами при их плотной упаковке состав- составляет 0,35 диаметра иглы. Диаметр игл не должен превышать 0,6 мм. Для сплавов е повышенной жидкотекучестью применяют иглы диаметром 0,15 мм. При раскрытии формы фильтры необхо- необходимо иродуть вжатым воздухом для очистки и охлаждения (рие. 3.30). Фильтры (рие. 3.30), изготовленные из металлических цилиндричееких игл или стержней /, екрепляют? между еобой кольцом 2. Промывники. Для уменьшения пористости отливок рекомен- рекомендуется применять перегонные резервуары—промывники, в кото- которые металл попадает вместе с газами, захваченными высокотур- буденшным или диеиереным потоком. Промывники также способ- 82 Рис. 3.30. Пресс-форма с игольчатым фильтров етвуюю еохранению оп- оптимального теплового баланеа форма, оеобен- но ври изготовлении тонкостенных отливов. Например, ври умень- уменьшении толщина етении цинковой отливки от 1,52 до 0,76 ии требу- етея двукратное уве- увеличение объема про- мывников. Толщина боедини- тельных каналов между оформляющей полостью и промывником должна быть не менее 0,5 мм; она зависит от назначения промывника. Если промывник пред- предназначен для удаления загрязненного газами металла, то толщина соединительного канала должна составлять 0,7—0,8 толщины стенки отливки, а если его используют как теплоноситель, то меньше 0,4 толщины стенки отливки. Соединительные каналы так- также выполняют роль дополнительных вентиляционных каналов. В процессе заполнения пресс-формы часть воздуха и газов удаляется через вентиляционные каналы, а оставшаяся часть по- попадает через соединительные каналы в промывник вместе с ме- металлом. Если по расчету требуется суммарная площадь сечений вентиляционных каналов JjtB, а площадь вех каналов, располо- расположенных по периметру отливки, меньше и составляет 2j/b« to эту разницу компенсируют соединительные каналы, суммарная пло- площадь 2j/с. к поперечных сечений которых Jjf0. «= Jjfn — 2/в. В зависимости от назначения и места установки промывники подразделяют на общие и местные. Общие промывники предусмат- предусматриваются при проектировании пресс-формы и могут располагаться не только во вкладышах матриц и пуансонов, но и в плитах полу- полуформ. Суммарный объем общих промывников, предназначенных для удаления металлогазовой смеси, составляет 20—40% объема отливки, а объем промывников, предназначенных для стабилизации теплового режима, можно менять от 50 до 100% объема отливки. Местные промывники устанавливают в зоне слияния двух или нескольких потоков расплава. Они имеют небольшой объем (от 5 до 20% объема отливки) и предназначены в основном для до- дополнительного разогрева формы в местах образования таких де- дефектов, как неслитины и неспаи. Типичный пример расположения промывников в пресс-форме для отливки «Основание» приведен на рис. 3.31. В плоскости разъ- разъема пресс-формы находятся три промывника, соединяющихся 83
Рис. 3.31. Расположение промывников в пресс-форме для отливки «основание> с периметром отливки четырьмя соединительными каналами: промывник / — двумя каналами, промывники 2 и 3 — каждый своим каналом. Хотя резервуары под промывники имеют литей- литейные уклоны, иод каждый промывник подводят выталкиватели. На рис. 3.32 показано принятое В. М. Каиновым и В. В. Тру- даевым расположение промывников на крупногабаритной толсто- толстостенной отлийке со стенками неравномерной толщины, заполняе- заполняемой через питатель / толщиной 16 мм, расположенный по длине полости формы. В гсакой отливке отмечается ухудшение механи- механических свойств в зоне А, соответствующей резкому переходу и повышению гидравличеекого сопротивления полости формы. Про- Промывник 3 толщиной 16 мм соединен с наиболее узкой полостью каналом 2 толщиной 0,4—0,8 мм. Толщина вентиляционных ка- каналов 4, идущих от промывников, 0,2—0,25 мм. Промывники для удаления металлогазовой емееи можно одно- одновременно располагать по наружному контуру отливки /, выпол- выполняющему роль общего промывника, и внутреннему 2, выполняю- выполняющему роль местного промывника, препятствующего образованию неслитин в теле отливки (рис. 3.33, а). При расположении лит- литниковой еиегоеми внутри контура отливки (рие. 3.33, б) наилуч- наилучший эффекш дают промивники /, раеположенные по наружному вонфуру офливви. 84 0,2-0,25 Рис. 3.32. Располошение в пресс-форве промывнвков для крупногабаритной тол- толстостенной отливни Промвганикк-теплоноеители, предназначенные для выравни- выравнивания температурного поля пресс-формы одновременно служат и для вытеснения в них смеси металла с воздухом и газообразными продуктами смазочных материалов. Их особенно широко приме- применяют в многогнездных пресс-формах (рис. 3.34). В целях создания равномерного распределения металла все промывники соединяют друг с другом дополнительными каналами. Необходимо отметить, что использование системы промывников большого объема в целях регулирования температурного поля пресс-формы приводит к рез- резкому увеличению расхода металла. Более рентабельно регули- регулировать температуру созданием системы направленного охлажде- охлаждения пресс-формы при одновременном повышении темпа работы. Для обеспечения одновременного удаления промывников вместе с отливкой под промывник подводят выталкиватель (рис. 3.35, а). Такая конструкция предотвращает отламывание соединительных каналов 3. Если выталкивание в тело отливки недопустимо, то конструируют специальные промывники-при- 0.05 Рнс. 3.33. Рааличные конструкции промывнкков 86
Рис. 3.34. Проынвниии-теплоносители в двуж- (а) и шестигнездной (б) пресс- формах: 1 — отливка; 2 — промывннк; 3 — подводящие каналы литниковой онотемы; 4 до- полннтельные эоедиинтельные каналы Рис. 3.35. Выталииватели для обычных промывников (а) к промшвнкков-прилн- вов (б): / — выталкиватель; 2 — промшвивк; 3 — еоединительивй канал ливни, через которые и происходит выталкивание (рие. 3.35, б). Вентиляция таких промывников осуществляется через зазоры между выталкивателями и пресе-формой. 3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛИТЕЙНОГО ПРОЦЕССА Технологический цикл литья под давлением состоит из процессов заполнения и подпрессовки. Наилучшие условия формирования отливки — заполнение с наименьшим захватом газов из полости формы g последующим уплотнением металла при направленном затвердевании отливки. Теория процессов заполнения и под- оревеовки изложена в трудах Л. Фромера, В. Бранта, X. К- Бар- 86 тона, А. К. Белошухова и др. В работах А. К- Белоиухова на основе изучения гидродинамических и тепловых процессов в лит- литниковой еиетеме и форме дан теоретический анализ движения и затвердевания металла на стадиях заполнения и подпрессовки, разработана аналитические методы расчета технологических режимов литья. Продолжительность заполнения пресс-формы определяется про- процессом теплообмена между заливаемым сплавом и самой пресс- формой. Продолжительность заполнения, обеспечивающую сва- риваемоеть отдельных потоков металла, определяют из уеловия, что температура металла в наиболее удаленном от питателя месте не должна падать ниже температуры окончания затвердевания отливки, т. е. ниже температуры солидуса. Если предположить, что сплошной или дисперсный поток последовательно заполняет оформляющую полость, распространяясь по ней от места удара свободной струи, то в зависимости от характера потока продол- продолжительность заполнения чгвап можно рассчитать по формулам. Для сплошного потока <W о = 0,196 (ботлРм/&фJ {(с; In [(*вал - *ф)/(*лик - *Ф)])а + + (с; + г/Д*крJ + (In [(*лик - <ф)/(*вол - *Ф)]JЬ C.16) где ботл — толщина стенки отливки; &ф — коэффициент теило- аккумуляции формы; с« — удельная теплоемкость заливаемого сплава; t3aa — температура заливаемого сплава; ^оф — темпера- температура формы (температурный фон, замеряемый на глубине 6—8 мм от рабочей поверхности); г — удельная теплота кристаллизации сплава; AtfKp — температурный интервал кристаллизации. В реальных условиях создание сплошного потока возможно только для отливок простой конфигурации, не имеющих локаль- локальных утолщений и резких переходов. При этом толщина питателя должна быть равной толщине стенки отливки в наиболее толстом сечении, а скорость впуска металла не должна превышать 0,5 м/с. При заполнении формы твердожидким сплавом возможно сохра- сохранение ламинарного движения при скоростях потока до 10—12 м/с. Для дисперсного потока %вап.„ = @,3/&ф)К(б^р; Си In l(tsaa - + у (с; + г/агкрK {in [(*лик В частном случае для эвтектических сплавов C-17) + Vlr/(tKp-W), C.18) где. Вф — термичеекая проводимость формы в пределах характер- характерного размера. Чаще всего приходится иметь дело с заполнением турбулент- турбулентными и дисперсными потоками. Поскольку реальные отливки 87
сложной конфигурации имеют локальные утолщения, резкие пе- переходы, отверстия и окна различной формы, нарушающие сво- свободное продвижение потока в полости формы, осуществить дис- дисперсное заполнение практически невозможно. При скоростях впуска 20 м/с и более невозможно осуществить и турбулентное заполнение, так как происходит разрушение свободной струи. Особенно еильное разрушение струи наблюдается в тех случаях, когда екорость прессования и давление в процессе впуска возра- возрастают. Такие режимы заполнения возможны при литье под дав- давлением на машинах с горячей камерой прессования. Возможно нарушение еплошности впускной струи даже при постоянных ус- условиях истечения. Такое нарушение объясняется возникновением в свободной струе возмущающих сил. Один из видов разрушения впускной струи связан с взаимодействием сил инерции и поверх- поверхностного натяжения сплава, обусловливающих возникновение поперечных волновых колебаний (зафиксированных скоростной киносъемкой при скоростях 4000—5000 кадр/с). Фиксируемая длина устойчивой части впускной струи L = 2 V2CvBa VfrMZ, C.19) где С — постоянная, определяемая для различных сплавов экс- экспериментальным путем, С = ф (v); здесь v — кинематическая вязкость; ивп — скорость впуска или ее среднее значение за период заполнения; бдит—толщина питателя, равная толщине свободной впускной струи. Например, для алюминиевого эвтектического сплава типа АЛ2, заливаемого при температуре ~630 °С, при бпит = 1 мм зависимость длины устойчивой части струи от скорости впуска принимает вид L == 0,04ивп. Для того же сплава, заливаемого без перегрева при температуре 590 °С, L = 0,15овп,"т. е. устойчивость впускной струи повышается почти в 4 раза.- При больших скоростях впуска (выше 40 м/с) возможен другой вид разрушения свободной впускной струи, связанный с возник- возникновением в ней продольных синусоидальных колебаний. Возник- Возникновение таких колебаний можно объяснить тем, что сопротивление газов в полости формы становится более существенным, чем по- поверхностное натяжение сплава. Этому способствует недостаточная вентиляция формы, которая часто имеет место при заполнении крупногабаритных тонкостенных отливок, требующих большого количества смазывающего материала. Условия движения свободной струи и возможность сохранения сплошности потока заполнения в значительной степени определя- определяются конструкцией литниковых каналов — струя стремится к сох- сохранению постоянной толщины только при наличии сужающейся литниковой системы. В расширяющихся литниковых системах возможно нарушение устойчивости впускной струи не только из-за волновеях возмущений, но и вследствие кавитации. ¦ , м/с W - Рис. 3.36. Зависимость кри- критической скорости перевода к турбулентному заполиеикю от отношения бпит/ботл для сплавов в жидком (а) и твердожидком (б) состояниям: / и /' — сплав ЦАМ4-3 при 440 и 395 °С; 2 и 2' — сплав АЛ2 при 630 и 590 °С; 3 и 3' — сплав АЛ 10В при 630 и Б70°С Одним из основных способов повышения устойчивости впуск- впускной струи следует считать сокращение ее длины. Питатель жела- желательно подводить к отливке таким образом, чтобы длина устойчи- устойчивой части струи не превышала значений, определяемых формулой. Если обеспечивается устойчивость впускной струи, то отливка может заполняться сплошным турбулентным потоком. Нижняя граница скорости, при которой возможно турбулентное запол- заполнение, так называемая критическая скорость окр. т турбулентного движения, подсчитывается по следующей формуле: Окр. т = Re v/[26OTa A — б^/ботл)], C.20) где Re — критерий Рейнольдса, значение которого завиеит от шероховатости поверхности формы и изменяется от 2300 до 10 000; ботл —толщина стенки отливки в месте подвода питателя. Из выражения 3.20 и графиков на рис. 3.36 видно, что с уве- увеличением толщины отливки критическая скорость уменьшаетея. Турбулентное заполнение приводит к захвату крупных газо- газовых включений. Другой недостаток турбулентного заполнения — малая скорость движения потока, недостаточная для четкого оформления рельефа отливки. Турбулентное заполнение можно рекомендовать лишь для отливок достаточно простой конфигура- конфигурации, изготовляемых с использованием вакуумирования или за- замещения газов в форме кислородом. Отливки сложной конфигурации заполняются при высоких скоростях впуска, вызывающих дисперсное раздробление впуск- впускного потока. Реальная схема заполнения таких отливок представ- представляет собой последовательное превращение дисперсного потока, образовавшегося в месте удара впускной струи о преграду (стер- (стержень), в сплошной турбулентный гидравлический подпор. Таким образом, часть полости формы заполняется дисперсным потоком, а удаленные от питателя сечения полости — сплошным турбулент- турбулентным потоком. Соотношение дисперсных и турбулентных потоков
завиеит от екорости впуска, толщины отливки и сложности ее конфигурации и главном образом от числа иоворотов шотока в шо- лости форми. Такая схема названа коследовательным дисиерено- турбулентним заполнением. Ошшимальное значение екороети од_т дисшерено-турбулентного зашолнения ¦ оодечитааваетея по эмиири- чеекой формуле П. П. Моеквиназ ид., = к где К — коэффициент, зависящий от типа еилава, для алюминие- алюминиевых и медных сплавов К = 0,015ч-0,03, для магниевих К = = 0,018-j-0,035, для цинковых К = 0,013-7-0,02; L0TJI — длина отливки или расстояние, проходимое потоком от питателя до промывника; J^n — число поворотов потока в иолости форми; %ап — продолжительность заполнения. Критические скорости tftp начала дисперсно-турбулентного заполнения определяются на основании скоростной киносъемки следующими эмпирическими формулами соответственно для цин- цинковых, алюминиевых и магниевых сплавов: °A2fM C.22) vM6 p* = 0,82vM6 (бп v0'52 (б т/ботл) 0'61; C.23) p = 0,75v0'52 (бш^/бо™H'65. C.24) Эти формулы выведены для отливок с толщиной стенки 2—4 мм при отношении (*вап — г^/^щ, — *ф) < 1,2. Так как при последовательном дисперсно-турбулентном запол- заполнении наиболее выгодным, с точки зрения захвата воздуха и газов и распределения газовой пористости, является первый этап — дисперсное движение, следует стремиться к увеличению его про- продолжительности. Для этой цели питатель следует подводить в наи- наибольшую по объему полость формы, а наиболее удаленной поло- полостью формы должен служить промывник, объем которого позво- позволяет вывести из отливки турбулентный поток, насыщенный газами и создающий в металле, затвердевающем в промывнике, крупную газовую пористость. Продолжительность %П0С31 последователь- последовательного дисперсно-турбулентного заполнения определяется при ус- условии, что дисперсный характер движения соответствует первому периоду заполнения, а турбулентный (сплошной) — второму: 0,196 {(лР/ф) ( + /р)/( № ф)/( ф)Н C.25) Формула выведена для сплавов, затвердевающих в интервале температур кристаллизации. При заполнении формы эвтектиче- эвтектическими сплавами значение ягпоол подсчитывается по следующей формуле: = @,3/&ф) У (ботлрмOЯф { + 0,196 {(бо/& + C.26) 90 иотл,' ^зап.д, С AtSidCuJ ALMq9Zn1 0,01X-L. 0,01 0,020,04 0,080,1 О,? 0,4 ТЗШС,С 0,8 1 *) 6orJllMM Рис. 3.37. Экспериментальные зависимости т8ап от ботл для сплошного (а) в дисперсного (б) потоков На практике часто необоснованно увеличивают продолжитель- продолжительность заполнения, особенно при изготовлении крупногабаритных отливок. Анализ формул C.16)—C.18) показывает, что продол- продолжительность заполнения зависит от вида потока, толщины от- отливки и не зависит от ее габаритных размеров. Результаты рас- расчетов по этим формулам подтверждаются экспериментально. На рис. 3.37 показаны зависимости тзап. с от ботл для различных сплавов. Экспериментальные значения отличаются от расчетных не более чем на 20%. При дисперсном заполнении с увеличением ботл значение <сзап. л становится для алюминиевых сплавов раз- различных типов почти одинаковым. При литье магниевых сплавов, в отличие от алюминиевых и цинковых, на продолжительность заполнения в значительной степени влияют не только толщины отливки, но и температура пресс-формы (табл. 3.3). Данные, приведенные в таблице, отли- отличаются от данных, не учитывающих возможность дисперсного движения при охлаждении сплава от ^лик до ^кр на 30 —40% в сто- сторону увеличения продолжительности заполнения. При определении технологического времени заполнения пресс- формы необходимо также учитывать продолжительность свобод- свободного полета впускной струи до момента ее удара о стержень или стенку. Продолжительность свободного полета тсв, п с учетом рас- растекания струи определяют по формуле ^ов. п = (^ов. п + ботл — бпиТ)/0вп, C.27) где LCB, п — длина свободного полета. Значение тов, ш найденное по формуле C.27), прибавляют к значениям тзап, определяемым по формулам C.25) и C.26). Технологически необходимая продолжительность заполнения пресс-формы обеспечивается соответствующей скоростью переме- 91
3.3. Зависимость продолжительности заполнения пресс-формы магниевым сплавом MgA118ZnO,5MnO,4 от ее температуры (температура заливки 640сС) Температура пресс-формы, °С 50 100 150 200 Продолжительность заполнения, с, при толщине стенки отливки, мм 1 0,003 0,006 0,011 0,019 :,5 0,007 0,009 0,016 0,025 2 0,010 0,013 0,019 0,029 3 0,021 0,025 0,037 0,054 4 0,044 0,048 0,073 0,102 5 0,046 0,072 0,095 0,132 щения прессующего поршня (скоростью прессования) опр, кото- которую определяют по следующей формуле: = 4Уотл/[я?>пр (тзап + тс C.28) где Уотл — объем отливки с промывниками. Для многогнездных пресс-форм при подсчете опр в формулу C.28) подставляют суммарный объем всех отливок и промывников. После окончания заполнения и до полного затвердевания от- отливки на металл, находящийся в полости формы, продолжает действовать давление. Этот процес называется подпрессовкой. В какой-то степени подпрессовка всегда имеет место при литье под давлением. Полное ее осуществление возможно только при создании благоприятных тепловых условий, обеспечивающих сохранение жидкотекучести металла в литниковых каналах и полости формы, особенно в наиболее тонких сечениях. Эффектив- Эффективность подпрессовки повышается при использовании машин с го- горизонтальной камерой прессования, имеющих более короткую литниковую систему и обеспечивающих наименьшие потери теп- теплоты в ней по сравнению с машинами с вертикальной камерой прессования. Практически теплота перегрева при литье под давлением отводится от заливаемого сплава в процессе заполнения, поэтому при обеспечении направленного затвердевания отливки продол- продолжительность действия подпрессовки будет совпадать с продол- продолжительностью затвердевания: = 0,196 C.29) В формуле C.29) под t$ подразумевается средняя температура пресс-формы за период подпрессовки. Эффективность подпрес- подпрессовки, подтверждаемая повышением твердости структурных со- составляющих сплава, зависит от толщины стенки отливки. Гра- Графические зависимости тватв = <рботл, построенные для различных сплавов по формуле C.29), указывают на резкое снижение тех- 92 нологичееки допустимой продолжи- ботл,мм тельности затвердевания магниевшх сплавов (рис. 3.38) по сравнению to с алюминиевыми и цинковыми спла- сплавами. Поэтому для изготовления * отливки из магниевых сплавов тре- требуются машины с высокой скоро- скоростью перемещения поршня и мало- малоинерционным механизмом подпрес- подпрессовки. Возможность эффективной под- подпрессовки определяется тепловыми 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 T3ttmtlC УСЛОВИЯМИ не ТОЛЬКО В ПОЛоети рис. 3.38. Зависимость продол- пресс-формы, НО И В ЛИТНИКОВЫХ жительиости затвердевания от- каналах, главным образом в пита- ливок от толЩины кк стеной к теле, имеющем наиболее тонкое се- ™я ™*?_ Лц4ос; , _ ал* чение. Температуру металла в пита- 4 — цам4-1 теле в момент начала действия под- подпрессовки можно принять равной температуре заливки. В этом случае продолжительность отвода теплоты перегрева Тдер и продолжительность затвердевания т°ат металла в питателе рассчитывают по формулам: Сир = 0,196| С;в = 0,196|(бпитрмг)/[&ф(^ :-W)]2; C.30) И2, C.31) где ^пит — средняя температура стенок питателя в период под- подпрессовки, °С. Значение ^т можно определить, зная температуру пресс- формы, из следующего уравнения: Максимальный эффект от подпрессовки наблюдается в том случае, если технологически допустимое время обеспечения под- подпрессовки ч?иод, называемое также временем срабатывания под- прессовочного механизма, определяется неравенством 'под <¦ (^пер -+- ^ва* — Ч*8ат )• После подстановки Япод ¦< бпи« \Kl [Dал — ^лик)/Dал — ^пит)]2} + + K%l{tKV ~ *пиТJ1 ~ К, ]60Тр/(*Кр - *ф)]2, C.33) где Ki и Кг — коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств сплава и пресс-формы (табл. 3.4). При отсутствии перегрева металла Тпод C.34) 93
3.4. Значение Сплав Динновый Алюминиевый коэффициентов Кг 0,015 0,012 Л\ и Kt К, 550 1225 для стальной Сплав Магниевый Латунь пресс-формы Кг 0,006 0,025 К, 289 2300 Если значение тпод окажется отрицательным или равным нулю, то полное действие подпрессовки становится невозможным. Для таких тепловых условий следует прежде всего увеличить толщину питателя, а если это неосуществимо — повысить тем- температуру пресс-формы и питателя. Скорость впуска и скорость прессования при условии устано- установившегося движения связаны между собой уравнением неразрыв- неразрывности потока. Средняя за период заполнения формы скорость впуска определяется выражением ^вп = ^пр*пр//пит> (о.оо) где Fnp — площадь прессующего поршня. Скорость и"п впуска в момент начала заполнения, пренебрегая потерями в камере прессования и литниковой системе, можно подсчитать, зная скорость ихол холостого хода преес-поршня: ^вп — Vxoar пр//пит- C.36) Экспериментально значение vlD можно определить по замеру (например, с помощью скоростной киносъемки) времени, затра- затраченного впускной струей на преодоление расстояния от пита- питателя до места удара. Экспериментальные данные показывают, что действительные значения иВп отличаются от расчетных всего на 10—15%. Для тонкостенных отливок сложной конфигурации хо- хорошие результаты дает приближенный метод расчета средней ско- скорости впуска, разработанный П. П. Москвиным на основе опытных замеров [см. формулу C.21)]. Определив среднее значение скорости впуска за период за- заполнения и зная диаметр камеры прессования, можно с помощью выражения C.35) найти технологически необходимую среднюю скорость tup прессования за время <вваи: C.37) По формуле C.37) определяют технологически необходимую скорость холостого хода пресс-поршня и записывают ее в техно- технологическую карту отливки. Давление в потоке металла зависит от характера движения: чем выше турбулентность и дисперсность потока, тем больше давление. При входе металла в полость формы 94 • _ начало заполнения А- начало уплотнения ¦А.- 0 0,01 0,02 0,03 0,04- 0,05 0,06 0,07 0,08 0,03 0,1 0,11 0,12т,С Рис. 3.39. Изменение давления ие- талла (а) в процессе заполнения спиральной пробы (б) после удара впускной струи о преграду возникает гидравлический подпор. Для определения давления в гидравлическом подпоре, образующемся при турбулентном и дисперсно-турбулентном дви- движении в полости формы, сделаем предположение, что вся вытекаю- вытекающая масса металла остается в подпоре. В этом случае гидродина- гидродинамическое давление рпод в подпоре рассчитывается по формуле Рпод — Рм^пр [**пр/(/пит*1отл)] П — (/пит/*отл)]> C.38) где F0Tn — площадь поперечного сечения отливки. Расчеты по этой формуле подтверждаются экспериментальными данными. Например, на осциллограмме (рис. 3.39), записанной при заполнении спиральной пробы, видно, что по длине полости от точки 1 до точки 5 гидродинамическое давление металла зна- значительно снижается от р2 до р6 [89]. Точки перегиба на осцилло- осциллограммах означают начало и окончание заполнения того или иного участка. В конце заполнения наблюдается резкое падение давле- давления, фиксирующее процесс уплотнения отливки при подпрессовке. Разность давлений металла в форме и камеры прессования значительна вследствие гидродинамических сопротивлений в лит- литниковой системе. На осциллограмме (рис. 3.40) видно, что запол- заполнение литниковой системы сопровождается снижением скорости ипр перемещения пресо-поршня на 0,2 м/с и соответствующим повы- повышением давления рпр в камере прессования на 20 МПа по сравне- сравнению с давлением рф в форме. В конце заполнения формы зафик- зафиксирован пик давления, который происходит в момент внезапной остановки пресс-поршня в результате гидравлического удара в напорном трубопроводе механизма прессования. Пик давления 95
Рпр.МПа 60 40 20 О О 40 ВО 1Z0 160 fsan-iu ,t Рис. 3.40. Ивмеиение скорости опр в давления рпр в камере прессования и давления р* в форме приводит к резкому ухудше- ухудшению качеетва отливок, обра- образованию облоя, выбрызгиванию металла по разъему формы, а в некоторых случаях — к разры- разрыву напорного трубопровода. Для уменьшения гидравличес- гидравлического удара под действием ки- кинетической энергии, накоплен- накопленной подвижными элементами пресс-поршня и жидкостью в трубопроводе, передаваемой в полость формы, наибольшее распространение наряду с другими конструктивными мероприятиями нашел способ торможения пресс-поршня в конце его движения. Всеми зарубежными и оте- отечественными фирмами, изготовляющими машины литья под да- давлением, разработаны механизмы прессования, направленные на снижение гидравлического удара. Подробно это изложено в ра- работах Б. Ф. Ноговицина, Н. Н. Белоусова, А. А. Крейцера, А. А. Мандрика и др. Разработчики машин литья под давлением пытаются преодо- преодолеть нежелательные пики давления, например, путем уменьшения подводящих масс. Новый способ уменьшения динамических пиков основан на уменьшении кинетической энергии путем гидравличе- гидравлической амортизации удара в прессующем плунжере. Особенности системы, разработанной и внедренной фирмой Biihler (Швейца- (Швейцария) (рис. 3.41), заключается в том, что между поршнем и штоком плунжера находится жидкость, которая служит амортизатором и охлаждающей средой. До момента заполнения формы металлом жидкость находится во внутренней полой части прессующего поршня в замкнутом объеме и движется вместе с ним (рис. 3.41, а). Как известно, в конце заполнения полости формы металлом при остановке плунжера / z j 2 J 4 а) 5) Рис. 3.41. Схема прессующего плунжера с демпфирующей жидкостью перед за- заполнением (а) и после заполнения (б) формы металлом: / — металл; 2 — демпфирующая жидкость; 3 — прессующий плунжер; 4 — камера прессования; В — шток 96 Рис. 3.42. Осциллограммы пика давленая прк гид- гидравлическом ударе, полу- полученные при использова- использовании традипиоииого (а) и нового (б) узлов пресс- плунжера 2 - происходит гидравлический удар, сопровождающийся увеличением давления. На осциллограмме этот момент фиксируется пиком давления (рис. 3.42, а). В предлагаемом устройстве в момент заполнения формы метал- металлом происходит перетекание жидкости из полости прессующего плунжера (рис. 3.41, б). Жидкость выполняет роль демпфера между плунжером и штоком. При этом кинетическая энергия демп- демпфируемой массы прессующего механизма сокращается, благодаря чему уменьшается величина пика давления (рис. 3.42, б). Шток прессующего поршня продолжает движение, при его остановке происходит некоторое повышение давления. Однако пики давле- давления в этом случае значительно меньше, чем при использовании традиционного прессующего механизма, что обусловливает умень- уменьшение или исчезновение облоя. Питатели и вентиляционные каналы во многом определяют ка- качество отливки. От площади поперечного сечения питателя зависит скорость впускного потока, а от его толщины — характер запол- заполнения пресс-формы. Удельный расход металла в питателе равен отношению объема Уотл отливки с промывниками ко времени за- заполнения %ап или же произведению скорости впуска потока овп на поперечное сечение питателя /пит в самом узком месте. Поэтому можно записать ' отлЛ'вап == увп/пит- (о.39) Заменяя объем через массу тотл отливки с учетом тпр массы промывников и плотность рм сплава, получим формулу для рас- расчета площади /пи,,: /пит = («отл + /"пром)/(РмивпТ?вап)- C.40) Расчет площади поперечного сечения питателя основан на подстановке в формулу C.40) значений vBn из формулы C.21) и значений тзап из формул C.25) и C.26). В практике работы некоторых заводов расчет питателей ос- основан на обобщении производственного опыта: /пит = Нотл + Ю„юм)/(/Срм). C.41) где К — коэффициент, заменяющий произведение скорости впуска на время заполнения, которое для отливок массой до 0,5 кг и со стенками толщиной до 5 мм считают постоянным (табл. 3.5). 4 Заказ 66 97
3.5. Завксимость коэффкцкеита К от ковфкгурацкк отливкк к типа сплава Конфигурация ОФЛИЦКИ Простая Сложная Очень сложная К для еплава цинкового 2,16 1,87 1,57 алюмииие- ВОРО 6,09 5,25 4,41 магниевого 7,32 6,05 4,78 медного 1,89 1,63 1,37 3.6. Завксимость коэффкцкеита К от толщкиы стеики отлквки, давления металла а камере прессования к ткпа сплава рпр, МПа 20—40 40—60 60—80 80—100 Св. 100 цинкового 3,37/2,70 1,69/1,35 1,35/1,05 1,02/0,82 0,68/0,54 К для алюминиевого 3,04/2,43 1,52/1,21 1,21/0,97 0,91/0,73 0,61/0,49 сплава магниевого 2,70/2,16 1,35/1,10 1,10/0,86 0,80/0,65 0,54/0,43 медного 3,00/2,40 1,50/1,20 1,20/0,96 0,90/0,72 0,60/0,48 Примечание. В числителе • меиателе — для ботл == 4-е-8 мм. ¦ значение К для ботл = l-j-4 мм, в зиа- Иногда при существующем парке машин литья под давлением значения коэффициента К выбирают в зависимости от толщины стенки отливки ботл и давления металла рпр в камере прессований (табл. 3.6). Дальнейшее развитие метода коэффициентов основано на вы- выборе значения средней скорости впускного потока, за которую принята скорость 15 м/с при продолжительности заполнения 0,06 с. Скорость впуска vBn = 1ВДС,, C.42) где /<Ci и iCa — коэффициенты, учитывающие соответственно кон- конфигурацию отливки и давление металла. Продолжительность заполнения пресс-формы можно пред- представить в виде произведения среднего времени ее заполнения @,06 с) на коэффициенты Kg и ^С*> учитывающие соответственно вид сплава и среднюю толщину стенки отливки: т8ап = 0,06/С3/С4. C.43) Подставив значения vBn и <р8ап в формулу C.40), получим /„„ = 1,11 («0.» + ^ром)/(Я1адЛ4Рм). C.44) Ниже приведены значения коэффициентов Къ К.2, Ks и Kit полученные на основе экспериментальных и статистических ис- исследований для отливок объемом до 1000 см8. Ткн отливки Ki Толстостенная простой конфигурации 0,75 Коробчатого сечения 1,00 Сложной конфигурации 1,50 Очень сложной конфигурации с тон- тонкими ребрами толщиной 0,5—0,8 мм 2,00 Сплавы К3 Счинцово-оловянистие 1,10 Цинковые 1,00 Алюминиевые 0,90 Магниевые 0,85 Медные 0,75 Сталь и чугун 0,50 Зная / Давление, МПа /Са До 20 2,50 20—40 2,00 40—60 1,75 60—80 1,50 80—100 1,25 Св. 100 1,00 Средняя толщина стеики, мм До 1 1—2 2—4 4—6 6—9 Св.9 К, 0,50 0,75 1,00 1,15 1,30 1,50 т для одного гнезда пресс-формы и vBn, можно, ис- используя уравнение неразрывности, провести поверочный расчет скорости прессования: ипр = vBn WmKaDlp)]. C.45) Для многогнездных пресс-форм находят суммарную площадь сечений всех питателей, и если скорость пресования превышает допустимую, то увеличивают диаметр камеры прессования. Для определения площади поперечного сечения питателя можно поль- пользоваться номограммами [88]. - На рис. 3.43 представлена номограмма для определения /диТ при заливке алюминиевых и магниевых сплавов в зависимости от толщины стенки отливки 6ОТЛ, ее массы тотл, а также от скорости впуска vBn. Основные принципы термодинамического расчета вентиляцион- вентиляционного режима формы разработаны А. И, Вейником. В основу рас- расчета положено условие, что суммарная площадь поперечного се- сечения вентиляционных каналов должна обеспечивать удаление газов из формы при заданной величине противодавления [70]. Термодинамический расчет вентиляционных каналов ведется при допущении, что пресс-форма заполнена каким-либо одним газом, в данном случае таким однородным газом является воздух. Суммарная площадь 5j/b вентиляционных каналов при условии пренебрежения трением определяется из уравнения неразрыв- неразрывности: <7Г = GppFoB 2 /в = vr 2 /в/Vr = const, где 7Г — максимальный секундный расход газа через вентиля- вентиляционные каналы; Сг — вес газа; рг — плотность газа; ор — ско- скорость истечения газа через вентиляционные каналы; Vr — объем газов. 99
"атл, мм 7 - 6 - 5 - k - 3,5 - тотл> ven, /пат, г А кг м/с Мд | AL 10 4- 30 \- 20 10 8 6 4 5 2 см1 0,8 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1 0,06 0,ОЦ - 30 h 50 - W - в - 6 - k - 3 - 2 1,5 - 0,8 - 0,6 -0,t - 0,2 г 0,1 Рис. 3,43. Номограмма для оп- определения площади попереч- поперечного сечення питателей при литье алюминиевых в магние- магниевых сплавов Рис. 3.44. Номограмма для оп- определения суммарной площади вентиляционных каналов J}nPjMM 110 100 90 SO 70 If/,MM1 l/np,M/C 6,5 '6,0 5,0 4,0 • \3,5- \3.0 Т 400- 300- - - 150- 125- / / - / . / / С 24,5. 450 - 350 : 150 у гоо /- 175/ - / 100 75 50 40 30 15 J Исходя из показателя адиабаты k для воздуха, равной 1,4, можно по правилу максимума функции найти отношение р0. с давления окружающей среды к р„ давлению в полости формы р. Для воздуха ркр = 0,528, а критическое давление ркр = р0. с/§кр. При давлении окружающей среды, равном атмосферному, рКр= = 0,19 Па. Если противодавление в форме превышает это зна- значение, вентиляционный режим называется закритическим, а если рг < ркр, то режим называется докритическим. Максимальный расход qrmsx газов через вентиляционные ка- каналы площадью S/B для закритического режима определяется по формуле фкр = 0,528) <7гшаХ = 0,4 2/вРг/УТг) C.46) где tv — температура газовой смеси в форме. Заменяя qv шах отношением Сгр„К0ТЛ/т (здесь т — продолжи- продолжительность истечения газа, соответствующая продолжительности заполнения формы). Найдем формулу для определения суммарной площади 2/в вентиляционных каналов: 2 /в = 2,5Сгрр1/отл VTA*Pv). C,47) Для докритического режима вентиляции 2 U = 0,65СгРр1/от Значения рг, входящие в формулы C.47) и C.48), для воздуха при различных температурах приведены в табл. 3.7. 100 3.7. Зависимость от температуры воздуха при нулевой влажности и атмосферном давлении -с 0 20 50 Ргч нг/м» 0Д252 0,1164 0,1056 t, °с 100 200 300 400 Рг- кг/м" 0,0916 0,0723 0,0596 0,0508 *, -с 500 600 700 Рг- нг/м" ооо и °с 800 900 1000 1400 Pr- нг/м1 0,0325 0,0290 0,0268 0,0204 Значение tp в формулах C.47) и C.48) зависит от характера заполнения полости формы металлом. При заполнении ламинар- ламинарным или турбулентным сплошным потоком можно пренебречь теплообменом газов с расплавленным металлом и определить 4 по уравнению " \ C.49) где t0 — начальная температура газов в полости формы; Vo — начальный объем газов в полости формы. В условиях дисперсного движения металла газы достаточно' сильно конвертируют с рас- расплавом и температуру можно считать равной температуре зали- заливаемого расплава. Величина противодавления р„ в формулах C.47) и C.48) не- непостоянна, она постепенно нарастает в процессе заполнения, так как нарастают гидродинамические сопротивления. Поэтому при расчете 2 /в следует задавать давление газов форме, среднее эа время заполнения. Для определения значения JJ /в в зависимости от скорости опр прессования можно использовать номограмму (рис. 3.44), со- составленную К. Н. Гасселем и другими исследователями для тонко- тонкостенных отливок A—1,5 мм). На номограмме значение 2/в свя- связано со значением выбранного диаметра Dnp камеры прессования и скоростью ипр перемещения пресе-поршня. При вакуумирова- нии полости пресс-формы площадь поперечного сечения венти- вентиляционных каналов может быть уменьшена на 50% [21 ]. 3.5. СМАЗЫВАНИЕ ПРЕСС-ФОРМЫ В совершенствовании технологического процесса литья под дав- давлением все большее значение приобретает операция смазывания пресс-формы, которая осуществляется в целях уменьшения уси- усилий, необходимых для удаления отливок из пресс-формы и стерж- стержней из отливок, предотвращения образования задиров на отлив- отливках и приваривания их к поверхности пресс-формы, т. е. в це- целях обеспечения бесперебойной работы пресс-формы. Смазочный материал влияет на качество отливок. Обильное смазывание при- 101
3.8. Смазочные материалы для пресс-формы Сыаэочный материал На основе нефтепродуктов нлн жнров с наполнителями, на- например масло Вапор с 3—10% графита Раствори остаточных масел в органическом растворителе с протнвозадирннмн добавками, например состав ЛД на основе масла МС-20, растворяемый в керосине Эмульсин остаточный масел в воде с графитом н без него: Графнтолы и Прессолы (Элн- толн) На солевой основе (например, 5% фтористого натрия н 95% воды) Комбинированный: на жировой основе (первый слой) фтористый натрий в воде (второй слой) Споеоб нанееення Вручную помазком На простые отливки автомати- автоматически с помощью форсунок, на сложные вручную распыли- распылителем Вручную распыли- распылителем Первый слой вручную помазком, второй — распыли- распылителем Харантернетнка Высокая смазшвающая способ- способность, сильное выделение газов в атмосферу и отлнвиу Хорошая смазывающая способ- способность, среднее выделение газов в атмосферу и отлнвку Удовлетворительная смазыва- смазывающая способность, выделение газов ниже среднего, дополни- дополнительно оилаждает пресс-форму Удовлетворительная смазыва- смазывающая способность прн повы- повышенных температурах, отсут- отсутствие газотворной способности, затрудняет очистку н снижает стойкость пресс-форм Высокая смазывающая способ- способность при пониженной газо- творностн, снижает производи- производительность процесса лнтья водит к образованию неспаев, узорчатости и пятен на поверх- поверхности отливок, а также повышает их пористость, снижает проч- прочность и герметичность [40 3. В большинстве отечественных цехов литья под давлением используются смазочные материалы собственного изготовления самых различных составов. В табл. 3.8 приведена характеристика некоторых смазочных материалов. При нанесении на нагретую поверхность пресс-формы смазочных материалов на основе ми- минеральных масел, технических жиров, вазелина и различных фрак- фракций нефти выделяется много паров и продуктов окисления, что приводит к ухудшению санитарно-гигиенических условий труда литейщиков. Кроме того, смазочные материалы этой группы по- пожароопасны. В 60-х годах за рубежом более 70% цехов литья под давле- давлением стали использовать водные эмульсии масел, централизо- централизованно изготовляемые фирмами Acheson (Англия), КШЬег Lubri- Lubrication (ФРГ) и др. Особенность водоэмульсионных смазочно- охлаждающих жидкостей (СОЖ) заключается в том, что после испарения воды на горячей поверхности пресс-формы остается тонкий, но достаточный для смазывания слой смазочного мате- материала. Вследствие этого резко уменьшаются расход СОЖ и выброс аэрозолей в атмосферу, осуществляется дополнительное охлаж- охлаждение пресс-формы. Количество теплоты, отводимой СОЖ, по- повышается от 15 до 45% в зависимости от конфигурации отливки. Однако следует учитывать, что в новых пресс-формах водяное охлаждение должно быть таким, чтобы доля теплоты, отводимой СОЖ, всегда была бы ниже 45%. В нашей стране налажено производство водоэмульсионных СОЖ, разработанных Государственным институтом прикладной химии (ГИПХ). Для литья алюминиевых, цинковых и медных сплавов рекомендуется использовать «Элитол Э13М1» и «Элитол Э1ЭМ1-С», для цинковых отливок любой сложности — «Эли- «Элитол 377». Данные элитолы представляют собой высокодисперсные, концентрированные составы на основе термостойких трудно- эмульгируемых компонентов (цилиндровое масло 52, органо- силоксановая жидкость 133—165), в качестве эмульгирующей системы использована система «стеарин—6—керосин», обеспечи- обеспечивающая стабильность состава при хранении до 1 г. Эти Элитолы морозостойки, малотоксичны и пожаробезопасны. Из прежних разработок ГИПХ находят применение «Прессол Э74» и «Элитол ЭТ-21». На отдельные места пресс-форм, приводящие к образованию задиров на отливке, через определенное число циклов дополни- дополнительно вручную помазком наносят густые безводные составы. При литье алюминиевых сплавов для этих целей применяют со- состав «Антивар», разработанный ВНИИПКнефтехим (г. Киев). При использовании «Антивара» на поверхности пресс-формы образуется слой из мальтенов, асфальтенов, карбенов и карбаи- дов. Мальтены — смесь углеводородов, находящихся в жидком состоянии, а асфальтены, карбены и карбаиды — высокомолеку- высокомолекулярные соединения, представляющие собой твердые частицы. При смазывании пресс-формы после ее механической обработки эти частицы, заполняя углубления, выравнивают шероховатости поверхности. При опробовании новых водоэмульсионных СОЖ вначале не- нередко получали не улучшение, а ухудшение качества поверх- поверхности отливок. Одной из причин этого являлось то, что СОЖ типа Г^эафитолов и Элитолов удовлетворительно наносятся на поверх- поверхность пресс-формы только в определенных интервалах темпера- температур. При литье мелких отливок (масса дозы расплава до 0,25 кг), когда заливаемый металл вносит незначительное количество теп- 103
3.9. Результаты измерений температур пресс-форм при литье лодочного мотора иа машинах с вертикальной камерой прессования Отливаемая деталь Корпус помпы Патрубок левнй Корпус стартера Кронштейн Блок Вирт гребной Температура пресс-формы, °с Подвижная часть 155—305 240—300 180—270 190—330 170—320 220—450 Неподвижная часть 160—260 180—270 180—220 180—300 170—230 205—290 лоты в нетермостатируемую пресс-форму, нанесение СОЖ при- приводит к переохлаждению последней. На отливках появляются неслитины и незаливы. При чрезмерно высокой температуре пресс-формы имеет место эффект Лейденфроста. Под действием тепловой радиации образуется паровая подушка и распыленные капли СОЖ" не достигают поверхности горячей пресс-формы. Вследствие этого пресс-форма охлаждается медленно, что при- приводит к образованию задиров на отливках. За температуру сма- смачивания пресс-формы принимается та минимальная температура ее поверхности, при которой распыленные капли СОЖ расте- растекаются, а не скатываются. При этой температуре разбавитель СОЖ (вода) испаряется, вызывая интенсивное охлаждение пресс- формы, а на ее поверхности остается тонкий сплошной слой сма- смазочного материала. Экспериментально установлено, что темпе- температура смачивания для «Прессола Э73», «Прессола Э74» и «Гра- фитола Э21» находится в пределах 165—220 °С [15]. На практике разброс температур пресб-форм значительно выше. Особенно не- неравномерным тепловым режимом отличается литье под давлением на машинах с вертикальной камерой прессования. Это связано, в частности, с возникающими перерывами в работе из-за случаев невыталкивания пресс-остатка из камеры прессования или отрыва литника, который приходится выбивать из литниковой втулки. Результаты замеров температуры пресс-форм при литье под дав- давлением деталей лодочного мотора, приведенные в табл. 3.9, пока- показывают, что имеют место отклонения от ±20 до ±75 °С, а в одном случае ±115 °С из-за сильного перегрева (до 450 °С) центрального стержня пресс-формы гребного винта. Такой разброс темпера- температур затрудняет успешное использование водоэмульсионных СОЖ и определяет необходимость предварительного внедрения термо- статирования пресс-форм для нанесения равномерного слоя СОЖ- На практике же толстый слой СОЖ образуется на холодных местах пресс-формы, где этого не требуется, а не на горячих мевтах, где он необходим. 104 Качество поверхности отливки зависит не только от равно- равномерности нанесения слоя СОЖ, но и от его физического состоя- состояния: сплошности и прочности. Если не принять специальных мер, то мельчайшие частички неполярного масла, находящиеся в по- полярной воде, ухудшат условия смачивания и получится несплош- несплошная пленка, как, например, при применении состава ЛД. Уста- Установлено, что получение сухих твердых пленок достигается добав- добавлением в СОЖ в качестве поверхностно-активного вещества (ПАВ) 0,5% технического желатина сорта II (ГОСТ 4821—77). Можно подобрать ПАВ, которые повысят температуру смачивания СОЖ и изменят скорость охлаждения, что очень важно. В последнее время наблюдается тенденция отказа от суспен- суспензий, содержащих графит, из-за образования значительного коли- количества отложений на поверхности пресс-формы и самой машины литья под давлением, на полу цеха, а также необходимости про- проведения дорогостоящей зачистки всей пресс-формы через относи- относительно короткие промежутки времени. Создающиеся новые во- водоэмульсионные СОЖ состоят почти из одних органических ве- веществ, которые во время затвердевания отливки и еще при закры- закрытой пресс-форме распадаются или расщепляются. В этом заклю- заключается их существенное отличие от графитовых разделительных материалов. При внедрении СОЖ важно также подготовить средства их нанесения. При литье отливок сложной конфигурации целесо- целесообразно применение распылителя по типу английской фирмы Acheson, в котором в выходной трубке перед соплом находится зона распиливания, куда одновременно подаются СОЖ и сжатый воздух. Рекомендуется соотношение расхода СОЖ и сжатого воздуха 1 : 10. Подачу СОЖ целесообразно осуществлять не само- самотеком из бачка, а под давлением. Весьма удобным для этих целей оказался краскораспылительный бак вместимостью 20 л с рабо- рабочим давлением на жидкость 0,4 МПа. Его применение позволило не только изменять расход СОЖ в требуемых пределах от 5-Ю до 30-10"8 л, но и повышать скорость ее подачи в зону распили- распиливания. Экспериментально было установлено 114], что при малом расходе СОЖ и низкой температуре пресс-формы необходимая плотность орошения стержней диаметром 6 мм и менее не обеспе- обеспечивается. Для повышения плотности орошения и полного смачи- смачивания стержней при данном расходе СОЖ нужно повысить ско- скорость подачи жидкости в зону распыливания 2 с помощью на- насадки 1 на трубку, подводящую СОЖ в эту зону (рис. 3.45). При уменьшении диаметра сопла 3 увеличилась дисперсность и повы- повысилась скорость распыливаемого потока, что позволило полу- получать бездефектные литые детали лодочного мотора (брак по ра- раковинам снизился в 1,5 раза), качество их поверхности повысилось в 1,5—2 раза. 105
Воздух Рнс. 3.45. Распылитель смазочного материала В СССР разработан принципиально новый способ автомати- автоматического смазывания пресс-форм в закрытом состоянии, не имею- имеющий аналогов в мировой практике. Способ применяется на ма- машинах с холодной горизонтальной камерой прессования. На ка- камеру прессования между плитой машины и заливочным окном устанавливается форсунка для подачи смазочного материала. Заданная доза смазочного материала не наносится на рабочую полость пресс-формы, а подается в камеру прессования машины после заливки в нее металла и прохождения пресс-поршнем за- заливочного окна. Под действием теплоты расплава смазочный ма- материал испаряется и по каналам литниковой системы в виде пара поступает в рабочую полость пресс-формы, которую смазывает, конденсируясь тонким равномерным слоем [31 ]. При дальней- дальнейшем движении поршня (после прохождения им форсунки) рас- расплав доходит до литниковой системы и заполняет пресс-форму. Обычные стационарные или вводящиеся в разъем пресс-формы форсунки не обеспечивают смазывание труднодоступных зон по- полости формы и равномерное нанесение слоя смазочного материала на поверхности, находящиеся под углом по отношению к факелу смазочного материала. Затруднено также смазывание подвижных стержней формы. МВТУ им. Н. Э. Баумана совместно е Молдавским ПО «Точ- литмаш» разработало устройство СПЗС-4, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.46. Устройство работает следующим образом: по сигналу конечного выключателя 10, после перекры- перекрытия пресс-поршнем / заливочного окна камеры прессования 3, срабатывает гидрораспределитель _, обеспечивающий подачу гидрожидкости из системы машины литья под давлением в нешто- ковую полость П насоса 5. С этого момента начинается вытесне- вытеснение смазочного материала через форсунку 2 в свободный объем камеры прессования над зеркалом расплава. Масса дозы смазоч- смазочного материала, вытесняемого насосом за цикл, устанавливается регулировочным винтом 7. Лампочка 9 загорается по сигналу 106 Рис. 3.46. Принципиаль- Принципиальная схеиа устройства СПЗС-4: / — пресс-поршень; 2 — форсунка; 3 — камера прео- совання; 4 — конечный вы- выключатель; б — распреде- распределитель; 6 — насос; 7 — баи \ ______^ _____ _____ I — 1 ___ _____ I реле давления 5, фиксирующего повышение давления емазочного материала в трубопроводе, соединяющем насос с форсункой 2. По истечении времени, заданного реле, гидрораспределитель 4 возвращается в исходное положение, соединяя полость П со сли- сливом, а штоковую полость — с давлением привода машины. Плун- Плунжер насоса, возвращаясь в исходное положение, засасывает? сма- смазочный материал из бака 6 в рабочую полость насоса 5 для сле- следующего цикла. Работу устройства в цикле работы машины обе- обеспечивает его электрическая часть. Устройство поставляется в ком- комплекте с машинами литья под давлением. Способ автоматического смазывания пресс-форм в закрытом состоянии успешно используется в производственных условиях при изготовлении простых отливок и отливок средней сложности со стенками толщиной 3—6 мм из алюминиевых сплавов (рис. 3.47). Гидродинамические и тепловые параметры технологического ре- режима литья не претерпевают изменений. Впервые способ был испы- испытан и применен на КамАЗе, а затем внедрен на Уфимском моторо- моторостроительном ПО при литье деталей двигателя автомобиля «Москвич-412» на автоматизированных робототехнических ком- комплексах о усилием запирания 4000 кН [44]. Ежегодно с приме- применением нового способа смазывания отливалось для двигателя «Москвич-412» 950 тыс. отливок крышек (рис. 3.47, а, б), патруб- патрубков (рис. 3.47, е) и корпусов генераторов (рио. 3.47, г), по кото- которым ранее был самый высокий процент брака. Снижедие брака при переходе на смазывание в закрытую пресс-форму послужило одним из оснований для внедрения способа. Было установлено, что для успешного его внедрения с обеспечением работы в авто- автоматическом режиме конструкция пресс-формы должна обеспечи- обеспечивать легкий съем отливок за счет достаточных литейных уклонов, 107
A-A Рнс. 3.47. Отлнвкн, полученные прн вспользовавви способа автоматического смазывания пресс-формы в закрытом состоянии рационального расположения отливок в пресе-форме и эффектив- эффективной системы выталкивания. В ряде случаев требуется шлифовка вентиляционных каналов. Очень важен постоянный контроль установленной дозы смазочного материала. Оптимальный его расход определяется следующим образом: при наличии задиров увеличивают расход смазочного материала, а при появлении несли- тин — уменьшают. В среднем доза смазочного материала на цикл при литье на машинах с усилием запирания 4000 кН состав- составляет 0,4—0,6 г. Установлено также, что коэффициент заполне- заполнения камеры прессования не должен превышать 60% в целях пре- предупреждения забивания форсунки и обеспечения достаточного времени для перетекания паров смазочного материала в полость пресс-формы. Эксплуатационные достоинства процесса смазывания пресс- форм в закрытом состоянии характеризуются уменьшением числа отказов литейной машины в результате упрощения конструкции устройства для смазывания по сравнению с устройствами, вводя- вводящими форсунки в зону смазывания. Расход смазочного материала уменьшается в среднем в 9 раз, улучшаются условия труда в ре- результате почти полного исключения выбросов аэрозолей в атмо- атмосферу цеха. Себестоимость примененного состава ЛД в б—10 раз ниже себестоимости водоэмульсионных смазочных материалов. 108 Состав разработан НПО «Маема» (г. Киев) для нанесения распы- распылителем. В настоящее время ведутся исследования по подбору новых смазочных материалов применительно к рассматриваемому процессу. Вследствие резкого сокращения выброса аэрозолей в атмосферу появляется возможность более широкого использо- использования химически активных присадок. Перед тем как приступить к литью со смазыванием в закрытую пресс-форму, рекомендуется подготовить пресс-форму, исполь- используя ее в течение одной-двух смен с противозадирным смазочным материалом «Антивар». Также необходимо проверить и, если потре- потребуется, усилить охлаждение пресс-формы, поскольку состав ЛД в отличие от СОЖ не обладает охлаждающим действием. 3.6. ОСОБЫЕ ВИДЫ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Вакуумирование полости пресс-формы. В настоящее время су- существует несколько десятков технологических и конструкторских решений использования вакуума для литья под давлением. Однако недостаточная надежность работы вакуумных устройств в усло- условиях литейного цеха, а также сложность их наладки и обслужи- обслуживания снижает производительность машин. Поэтому литье с при- применением вакуума нужно применять только в тех случаях, когда к отливке предъявляют повышенные требования, которые не- невозможно или очень трудно обеспечить при обычном литье под давлением. Прежде чем применить вакуумирование пресе-формы, следует использовать все возможные технологические приемы улучшения качества отливок, обращая особое внимание на кон- конструкцию литниково-вентиляционной системы. , гПри конструировании деталей следует учитывать дополни- дополнительные возможности, которые дает вакуумирование пресс- формы: толщина стенки может быть уменьшена на 30—40%, меха- механические свойства отливок, главным образом относительное удлинение, повышаются на 20—50%, улучшается качество по- поверхности и товарный вид отливок, особенно после полирования, появляется возможность высокотемпературной термообработки отливок, повышается их коррозионная стойкость. При разработке технологического процесса литья под давле- давлением следует учитывать, что вакуумирование пресе-форми и ка- камеры прессования дает следующие преимущества: брак отливок снижается до 1% вместо 5—10% при обычном литье под давле- давлением; необходимое давление на металл в пресс-форме умень- уменьшается почти в 2 раза (при той же продолжительности заполне- заполнения и выдержки отливки в пресс-форме, а также продолжитель- продолжительности литейного цикла); создается возможность для автоматиза- автоматизации подачи жидкого металла в камеру прессования путем ва- вакуумного всасывания; параметры литниково-вентиляционной си- етемы меньше влияют на качество отливки, поэтому ее доводка и корректирование занимают меньше времени, что особенно важно 109
У//////////////?//, Рис. 3.48. Схема вакуумирования пресс-формы и камеры прессования с пред- предварительной вакуумной дегазацией расплава в раздаточной печн при освоении новых отливок; вследствие отсутствия облоя и устранения дополнительной механической обработки значительно снижается себестоимость отливок. В то же время применение вакуумирования требует соблюде- соблюдения определенных требований: заливаемый сплав необходимо тщательно очищать от неметаллических и газовых включений; пресс-форму заполнять сплошным, а не дисперсным потоком; обеспечивать быстрое и полное удаление воздуха из полости пресс- формы; осуществлять отсос воздуха и газообразных продуктов, образующихся при нагреве смазочных материалов, смазочных ма- материалов из полости пресс-формы в том месте, куда металл по- поступает в последнюю очередь. Конструкции вакуумных систем можно классифицировать по наиболее характерному признаку — месту удаления воздуха. Существует также классификация систем по типу машин литья под давлением или степени автоматизации вакуумных устройств. Подробное описание конструкций различных вакуумных систем, их классификация приведены в работах Н. Н. Белоусова, Л. И. Неверова, Н. Ф. Мухамеджанова, В. Н. Зеленова, В. С. Лех- терова и др. Система для удаления воздуха из кожуха пресс-формы и ка- камеры прессования с включением вакуума до Начала движения поршня. Существует несколько конструкций таких систем. Система с пред- предварительной вакуумной дегазацией сплава в раздаточной печи представлена на рис. 3.48. Пресс-форма / заключена в обшитый 110 из алюминиевого еплава кожух 2, который состоит из двух по- половин, закрепленных на подвижной и неподвижной плитах. Линия разъема кожуха 2 совпадает с плоскостью разъема пресс-формы. Кожух герметизируют в местах крепления и по линии разъема прокладками из вакуумной резины толщиной 4 мм. Полости кожуха 2 и кожуха 10 камеры прессования соединены трубопро- трубопроводами 3 и 8 через клапаны 6 и 9 и трубопровод 11 с ресивером 12. Воздух откачивает вакуумный насос 13, который по возможности нужно устанавливать в отдельном отапливаемом помещении с тем- температурой окружающей среды 10—30 °С. Объем ресивера дол- должен быть не менее 1 м8, так как он предназначен для быстрого создания стабильного вакуума в полости пресс-формы и камере прессования. Заливочное отверстие после подачи порции жидкого еплава закрывается крышкой 4. Движение крышки обеспечивает пор- поршень с тягой пневмоцилиндра 5, воздух в которому подается по пневмопроводу 7 от цеховой воздушной магистрали. Дегазация жидкого сплава в тигле 16 раздаточной печи 17 осуществляется созданием вакуума над его поверхностью. Для этого полость тигля соединяется трубопроводом 14 с ресивером 12. Тигель гер- герметизируется водоохлаждаемой крышкой 15. По разъему между бортом тигля и крышкой ставят прокладку из термостойкой ре- резины, которую защищают от сгорания специальными каналами водяного охлаждения. Такая конструкция создает остаточное дав- давление над зеркалом металла 19,4 • 10а Па. Применение вакуумирования при изготовлении нескольких корпусных отливок коробчатого типа из сплава АЛ2 снизило брак по воздушной пористости более чем в 5 раз. Результаты рентгеновского контроля партии отливок показали, что на сня- снятых на рентгеновскую пленку отливок 90% не имеют раковин и пористости. Все отливки были испытаны на герметичность и признаны годными. Отливки подвергались натреву до 535 °С. На поверхности 98% отливок дефектов не наблюдалось и только 2% отливок имели небольшие вздутия поверхности размером 0,5 мм. Временное сопротивление разрыву повысилось на 20%, а относительное удлинение увеличилось в 1,5 раза. Система для удаления воздуха непосредственно из пресс-формы. Такую систему выполняют в двух вариантах: о остановкой прес- прессующего поршня (разработана фирмой Biihler) и без остановки прессующего поршня (система, предложенная Р. М. Калишем, и система, разработанная фирмой Idra). При такой схеме вакууми- вакуумирования рабочей полости отсутствует специальный кожух, закры- закрывающий пресс-форму и камеру прессования, что упрощает кон- конструкцию вакуумной установки. Воздух отсасывается из полости формы по просверленным в ней каналам. В системе, предложенной фирмой ВйЫег, воздушный канал перекрывается запорным клапаном, который приводится в дви- движение от гидросистемы машины. Для соединения полости формы 111
с вакуумпроводом имеется магнитный клапан, который вклю- включается автоматически в момент подхода металла к питателю. При этом прессующий поршень останавливается. Повле отсоса воздуха из оформляющей погости поршень продолжает переме- перемещаться, осуществляя запрессовку. Когда поток металла прибли- приближается к запорному клапану, стержень этого клапана по сигналу реле времени перекрывает вентиляционный клапан, препятствуя выбросу металла в вакуум-провод. Недостатками этой схемы являются сложность настройки запорного клапана и необходи- необходимость тщательной подгонки пресс-формы по плотности разъема. Схема фирмы Idra отличается от рассмотренной выше тем, что вакуумирование полости пресс-формы происходит одновре- одновременно с движением прессующего поршня. Это упрощает наладку вакуумной системы. Но следует учитывать, что воздухоотводные каналы, выполненные в пресс-форме, должны обеспечивать пол- полное удаление воздуха из рабочей полости. Схема, предложенная Р. М. Калишем, промышленного при- применения не нашла. Система для удаления воздуха из кожуха пресс-формы без спе- специального кожуха на камере прессования. Наиболее приемлемы две системы: с вакуумированием после и до смыкания пресс-формы. В первой системе, предложенной Н. Ф. Мухамеджановым, конеч- конечный выключатель производит остановку поршня и специальный клапан соединяет полость формы с вакуумпроводом в момент под- подхода металла к питателю, когда доступ воздуха через заливочное отверстие преграждается не только прессующим поршнем, но и самим металлом. После выдержки, достаточной для полного удаления воздуха из полости пресс-формы, реле времени вклю- включает движение поршня и клапан перекрывает отверстие, соединяю- соединяющее полость пресс-формы с вакуумпроводом. Во второй системе, разработанной фирмой Idra, поршень при движении на прессование не останавливается, а воздух из оформляющей полости начинает отсасываться раньше, чем про- произойдет полное смыкание пресс-формы. Это обеспечивает лучшую вентиляцию пресс-формы. Такую систему широко применяют на машинах с горячей камерой прессования. В СССР для вакуумного литья под давлением Молд. ПО «Точ- литмагш изготовлена машина литья под давлением, где подача металла осуществляется вакуумным всасыванием из тигля элек- электропечи, установленной под камерой прессования и заключенной в герметичный кожух. Подача металла вакуумным всасыванием осуществлена также в ряде конструкций машин вертикальной компоновки с гори- горизонтальным расположением пресс-формы. Такая машина мод. АЛ72В09 изготовлена Мол. ПО «Точлитмаш». Литье в среде кислорода. При литье в среде кислорода воздух в полости пресс-формы замещается кислородом. Исследования по замещению воздуха газами были начаты в США М. Эриксеном, 112 От баллона 02 Рнс. 3.49. Система автоматической подачн кислорода в пресс-форму который установил, что при заполнении пресс-формы магниевым сплавом в среде негорючих газов (SOa, CO2) резко уменьшается пористость отливок. Практикой литья было подтверждено, что в порах отливок из алюминиевых сплавов кислород полностью отсутствует, ибо переходит в А12О3, остается азот и водород. При этом доля азота составляет до 90% общего объема газов в порах. Способ литья под давлением с замещением воздуха и газов в пресс-форме реактивным газом (кислородный процесс) был впер- впервые практически реализован А. А. Рыжиковым и С. 3. Злотиным. Однако широкого применения в промышленности не получил. Кислородный процесс вначале осуществляли на обычных ма- машинах литья под давлением о холодной камерой прессования. Кислород под давлением 0,5 МПа вдувался в полость пресс- формы, вытесняя воздух. В некоторых случаях продувалась и камера прессования, и литниковые каналы. Кислородный способ был внедрен при литье из сплава АЛ4 корпуса гидротрансформатора трансмиссии легкового автомобиля. Разработка новой технологии была проведена с учетом следующих требований: безопасности процесса, полного вытеснения кислоро- кислородом воздуха из оформляющей полости и литникових каналов; автоматической подачи кислорода в пресс-форму, применения негазотворных материалов. Гидропневматическая схема про- процесса приведена на рис. 3.49. За 50—60 мм до смыкания полуформ срабатывает конечный вы- выключатель / от копира 2, перемещающегося вместе с подвижной полуформой. При движении нижнего поршня пяткой 10 вклю- включаются электрозолотники 13 и 12, встроенные параллельно в си- систему управления 8, 11. Кислород подается из баллонов по тру- трубопроводу 5 к распределительному кожуху 6, в котором по пе- 113
риметру расположено двадцать отверстий диаметром 3 мм. Ко- Кожух 6 надет на подвижную полуформу 4 (скользящая посадка), его движение связано с движением плиты выталкивателей 3 так, что при съеме отливки он перемещается к неподвижной полу- полуформе в крайнее правое положение. Во время продувки кислоро- кислородом кожух перекрывает зазор между полуформами и от упора 14, закрепленного на неподвижной полуформе 7, возвращается в край- крайнее левое положение при продолжающемся перемещении полу- полуформы. Кислород вытесняет воздух через мундштук при опущен- опущенной пятке 10 в камеру 9. При закрытии пресб-формы от упора 16 срабатывает конечный выключатель 15 подачи кислорода, выклю- выключающий электрозолотники 13 и 12, а пятка 10 возвращается в исходное положение для заливки металла. Продувка пресс-формы кислородом не удлиняет литейный цикл и не снижает производительности машины. Перед каждой заливкой на рабочие поверхности оформляющей полости и лит- литниковых каналов наносится водный раствор фтористого натрия. Камера прессования смазывается смесью серебристого графита с глицерином. Практика показала полную безопасность работы установки. В процессе заполнения формы сплав контактирует с газо- газообразным кислородом, превращая его в твердый окисел А12О3. В результате уменьшается пористость в отливках, так как объем твердого окисла во много раз меньше объема кислорода. Эти окислы находятся в мелкодиспе'рсном состоянии и их удается обнаружить только при увеличении свыше 40 000 раз е помощью электронного микроскопа. Хотя содержание окислов и увели- увеличивается при кислородном литье теоретически в 4,5 раза по сравне- сравнению с обычным литьем под давлением, но они находятся внутри твердого раствора в виде мелких локальных включений, не сни- снижающих механических свойств отливки. Литье высокотемпературных сплавов. В СССР и за рубежом не ослабевает интерес к литью под давлением высокотемператур- высокотемпературных сплавов. Широкое внедрение этого процесса сдерживается отсутствием материалов для оформляющих частей пресс-форм, способных длительное время надежно работать при высоких температурах и скоростях впуска металла. Экономическая эффективность производства достигается при переводе на литье под давлением только тех деталей, которые имеют больший объем механической обработки. Это связано о вы- высокими расходами на пресс-формы, рабочие части которых изго- изготовляют из молибденовых или вольфрамовых сплавов. Стойкость рабочих частей пресс-форм составляет от 1000 до 5000 запрессо- запрессовок в зависимости от конструкции детали. По данным фирмы General Elektric (США), при литье стали 304 в пресс-форму, изготовленную из металлокерамичеекого молибденово-вольфра- мового сплава, достигнута' стойкость 5000 запрессовок, а при изготовлении пресс-формы из литого молибденово-вольфрамового сплава — более 15 000 запрессовок. 114 Работы В. М. Белова показали, что при изготовлении оформ- оформляющих частей пресс-форм из деформируемого молибденового сплава стойкость составила 4000 тыс. запребсовок. Исследования, выполненные в СССР, и опыт промышленного производства показали, что этот еповоб может быть ивпользован для изготовления широкой номенклатуры деталей из етали, чу- чугуна, титана и друрих материалов. По данным В. М. Белова, В. И. Малярова, Э. Н. Кабакова и В. М. Каинова, стальные от- отливки должны иметь толщину втенок 1,0—6,0 мм, литейные уклони 3—5° и не должны иметь глубоких полостей. Отливки должна иметь екрурленнвге углы радиусом более 1 мм. Точность размеров отливок, получаемых литьем под давле- давлением, до 10-fo квалитета, а шероховатость их поверхности еоот- вететвует Rz =20 мкм [64]. В США литьем под давлением изготовляют детали из чугуна е шаровидным графитом D,4% С; 0,1% Мп; 0,63% Si и 0,29% Р). Отливки подвергают отжигу при 930 °С в течение 30 мин. В Япо- Японии звездочки для цепншх передач, крышки пневматических вентилей и компреееоров получают из чугуна, содержащего 3,8% С; 0,37% Мп; 2,0% Si, 0,07% Р и 0,05% S. Отливки в за- зависимости от требований к их прочности отжигают в течение 15—30 мин при 900—1000 °С. Для литья под давлением не окисляющихся при плавке на воздухе сталей в СССР применяют машины мод. С71108 и С71109 с горизонтальной камерой прессования. Металл в камеру прес- прессования заливают из порционной поворотной индукционной плавильной печи вместимостью 2 кг жидкого металла. Печь под- подключена к машинному генератору ВПЧ-100/2400. В нее загру- загружают мерные заготовки, нарубленные из прутка диаметром 30— 40 мм. Время расплавления одного килограмма 'металла опреде- определяет цикл работы машины. Практически продолжительность цикла в зависимости от массы заготовки колеблется от 1,5 до 2,5 мин. Порционная плавка обеспечивает высокую точность до- дозирования, уменьшает угар элементов сплава из-за быстроты про- процесса плавки. Для сталей и сплавов, окисляющихся на воздухе при плавке, разработана специальная машина мод. ВМЛС-25/350. В простран- пространстве вакуумной камеры этой машины создается разрежение до 4 Па. Рабочий цикл без охлаждения отливки в вакууме состав- составляет 3—4 мин, а при ее охлаждении в вакууме увеличивается примерно в 2 раза. В СССР организовано производство заготовок размером 300 х200 хЗО и 300 х200 х50 мм из молибденового сплава. По сравнению со сталью 4Х5МФС, применяемой для изготовления пресс-форм при литье цветных сплавов, молибден имеет в 1,6 раз больший модуль упругости, в 3 раза меньший коэффициент теп- теплового расширения и в 2,5 раза большую теплопроводность. Для повышения стойкости молибденовых пресс-форм требуется их 115
предварительный подогрев до 370—430 °С. При подогреве до 480—540 °С обеспечивается более высокое качество поверхности отливок. Следует учитывать, что молибденовый сплар склонен к окислению на воздухе при нагреве выше 500 °С, поз/тому опти- оптимальная температура эксплуатации 400—450 °С. < В целях увеличения стойкости молибденовых преср-форм при- применяют также диффузионное азотирование и карбоазотирование, повышающие в 2 раза поверхностную твердость матриц. При конструировании пресс-формы недопустимы острые углы в ее рабочих частях, так как они вызывают резкое снижение стой- стойкости. Вкладыши пресс-форм нежелательно изготовлять из от- отдельных вставок, поскольку в стыки затекает жидкий металл, образуя заливы, поэтому зазоры между подвижными частями пресс-форм из молибденовых сплавов не должны быть больше 0,075 мм. По данным В. М. Каинова, поверхности оформляющей полости, расположенные перпендикулярно к плоскости разъема пресс-формы, делают с уклоном 3—5°, а стержни — g уклоном не менее 5°. Металл подводят к утолщенным частям отливки. При плавке металла в индукционных печах предусматривают перегрев на 100 °С выше температуры ликвидуса A290—1330 °С — для чурунов, 1565 °С — для углеродистой стали и 1530—1540 °С — для хромоникелевой стали 12Х18Н9Т). Залитая в камеру прессо- прессования сталь теряет запас теплоты и поступает в пресс-форму е перегревом всего лишь на 20—30 °С. Чем ниже скорость прессо: вания и меньше порция металла, тем выше должен быть перегрев. В процессе заполнения пресс-формы скорость потока должна быть такой, чтобы не было разбрызгивания, которое приводит к образованию в отливке неспаев, а также раковин и пор с окис- окисленной поверхностью. Для получения плотных отливок с высоким качеством по- поверхности нужно предупреждать преждевременное охлаждение металла путем поддержания достаточно высокой температуры пресс-формы и изоляции поверхности пресс-формы и камеры прес- прессования от непосредственного контакта с расплавленным метал- лом. Для этого пресс-форму смазывают, а в камеру прессования перед каждой заливкой вставляют полуцилиндрическую вставку из асбеста, которая остается в пресс-остатке. В качестве смазоч- смазочного материала применяют коллоидную суспензию графита или ацетиленовую копоть. Можно применять и дисульфидмолибден. В последние годы в СССР выполнены исследования по литью под давлением титановых сплавов. Однако широкого промышленного применения этот процесс пока не получил. ¦ 3.7. ДЕФЕКТЫ ОТЛИВОК Качественная отливка отличается однородностью, сплошностью всех сечений и отсутствием дефектов поверхности. Следует учи- учитывать, что не всякий дефект является браковочным признаком. Дефекты приводят к браку отливок в тех случаях, когда они снй- 116 жают служебные свойства литой детали. В основном дефекты в отливках возникают в интервайе температур кристаллизации сплава, поэтЩу важно правильно и полно использовать воздей- воздействие внешней давления при формировании отливки из твердо- жидкого сплава. Давление способствует однородности внутрен- внутреннего строения отливки и снижению ее пористости. Необходимо учитывать, что если при одном и том же технологическом режиме возникают различные дефекты, то это прежде всего следствие не- нестабильности работы машины. Все пустоты в теле отливки за- заполняются газами. Поэтому при нагреве отливок образуются вздутия на поверхности, что не позволяет производить упрочняю- упрочняющую термообработку. Газовая пористость является наиболее чаето ветречающимея дефектом при литье под давлением. Она может образовываться как внутри, так и снаружи отливки, а также располагаться под внешней коркой на небольшой глубине. Главной причиной воз- возникновения пористости является воздух и пары смазочного мате- материала, захваченные из полости пресс-формы, литниковых каналов и незаполненного объема камеры прессования. Если поры изо- изолированы друг от друга и размер их не превышает 0,1 мм, то их допустимость оговаривается в чертеже на литую деталь или тех- технических условиях. При скоплении пор отливку забраковывают. Для предупреждения образования дефекта отливку следует изго- изготовлять на машине с более высоким усилием прессования или обеспечить эффективную подпрессовку, увеличить ее выдержку, усилить охлаждение пресс-формы, особенно в области литнико- литниковой втулки, снизить температуру заливаемого металла, улучшить вентиляционную систему. Изолированные поры обычно образуются в сечениях отливки, более утолщенных, чем основная стенка, когда подпрессовка не- недостаточна. Для устранения дефекта следует увеличить толщину питателя и усилие подпрессовки. Кроме того, желательно умень- уменьшить гидросопротивление в полости пресс-формы и за счет плав- плавных скруглений, выравнивания толщины стенок и последователь- последовательного вытеснения воздуха к вентиляционным каналам. Газовая пористость часто проявляется в виде микропористости, вскрываемой только после травления полированного макро- макрошлифа. Многие исследователи считали, что микропористость является результатом пульверизации потока при выходе его из щелевого питателя. Киносъемки процесса заполнения не подтвер- подтвердили этого даже при больших скоростях впуска. Появление де- дефекта объясняется прежде всего дисперсностью скоростного по- потока жидкого металла при заполнении пресс-формы. Газовая пористость проявляется чаще в более толстых сече- сечениях отливки. В некоторых случаях она наблюдается в местах локального падения давления в потоке металла, в результате ко- которого газы, попавшие в металл вместе с оксидами, выделяются из раствора. В этих случаях необходимо обеспечить эффективное 117
удаление воздуха и газов за счет создания дополнительных вен- вентиляционных каналов и промывников. Последние способствуют выравниванию давления в потоке. Чем мельче и рарйомернее рас- распределена пористость по сечению, тем меньше ее влияние на проч- прочность отлнвки. Однако если мелкая пористость незначительно влияет на ов, она сильно уменьшает значение 6. Например, от- отливки из сплава АЛ9 при наличии дисперсной пористости имеют ов до 180 МПа н б» 1,5%, в то время как при отсутствии по- пористости 6 = 4,5%. Усадочные раковины имеют острые углы и образуются в наи- наиболее массивных частях отливки и местах резкого перехода от тонких к толстым. Так как усадочные раковины заполняются газами, то имеют гладкую матовую поверхность, трудно отличи- отличимую от поверхности газовых раковин, но в них нередко обнару- обнаружив аютея дендриты. Причиной возникновения усадочных раковин является раннее затвердевание питателя или тонкостенного участка на пути по- потока металла перед утолщением отливки. Предупреждение обра- образования этого дефекта обеспечивает утолщение питателя или изменение конструкции литой детали. Повышать температуру за- заливки не рекомендуется. Целесообразнее увеличивать скорость потока расплава путем увеличения скорости прессования при некотором повышении температуры пресс-формы и усилия под- прессовки. Усадочная пористость может возникать как в утолщенной части отливки, так и в тонкой, особенно если пресс-форма на этом участке перегрета. Этот вид пористости также весьма трудно отличить от газовой пористости по внешнему виду, поэтому изу- изучают характер распределения пор по сечениям отливки. Скопле- Скопление усадочных пор образует рыхлоту, которая воспроизводится на рентгеновских снимках белыми пятнами. Места их располо- расположения совпадают с местными утолщениями. Их легче удалить подпрессовкой, чем газовую пористость, их появление в мень- меньшей степени зависит от величины гидравлического удара. В целях предупреждения образования усадочной пористости обеспечивают направленное затвердевание и плавные переходы от толстых се- сечений отливки к тонким, выравнивают толщину стенок отливки и увеличивают усилие подпрессовки. Неслитины могут быть наружными и внутренними. Наружные представляют собой углубления, возникшие между двумя или несколькими несплавившимися потоками расплава. Их глубина 0,3—1,0 мм. Внутренние неслитины — это разрывы в теле от- отливки без нарушения поверхностного слоя. Неслитины обнару- обнаруживаются наружным осмотром, простукиванием (появление глу- глухого звука), на микрошлифах, при механических испытаниях и испытаниях герметичности. Причинами образования неслитин являются преждевременное охлаждение и затвердевание металла передних участков, встреч- 118 иых потоков, а также противодавление воздуха и газообразных продуктов сгорания смазочного ма- материала в полости преее- формы. Устранение неслитин достигается увеличением скорости впускного пото- потока, изменением конструк- конструкции литниковой системы с целью ликвидации встре- встречных потоков, увеличени- увеличением темпа работы, уеилия подпрессовки, а также применением оптимальной дозы смазочного мате- материала. Трещины бывают еиво- зными и несквозными, горячими и холодными. Обычно при литье под давлением несквозные го- горячие трещины образуют- образуются в эффективном интер- интервале кристаллизации. Они располагаются в местах резкого перехода от толс- толстых сечений отливок к тон- тонким, во внутренних углах и других местах концен- концентраций напряжений при недостаточной подпрессов- ке. Одним из основных средств борьбы с горячими трещинами является со- сокращение времени выдер- выдержки между температурой солидуса и температурой удаления отливки из пресс- формы. Холодные трещины воз- возникают в пластическом состоянии металла вслед- вследствие неподатливости ме- металлических стержней и при затрудненной усадке отливки на выступах пресс- о 5 о 3 о. ш а. ш - т х О о> п я о я * g g g я О Я Q * л _T b- f-* О О Ын та я 2 г1 o u ? да « ? О, о то сг 55 > я ч I О) w w ¦ I Р И щ ! QJ нн ! б | | п Н ы s я ч И о я к н 3 S ч S 3> и 5 У СО я) §•§- 2 а II С и О вар м И flj й ч s 5 § я и § « Я й 5 о. ¦ м о а Я — о*й°3 m-.S-I|s8 CQ О Ч m < И О. га в1 о. о 5 О о « S а, « 1119
формы. Для предупреждения дефекта следует повышать темпера- температуру стержней и выступающих элементов пресс-формы, обеспе- обеспечивать равномерность выталкивания и легкость сЪема отливки. Сквозные трещины могут возникать при чрезмерной пористости и несовершенстве конструкции отливки. Дефекты поверхности. Основные виды дефектов поверхности приведены в табл. 3.10. Хорошая поверхность отливки в общем случае не является показателем качества всей отливки. Если для борьбы g пористостью увеличивают продолжительность заполне- заполнения полости пресс-формы, что позволяет удалить воздух и газы, то для получения качественной поверхности, наоборот, прихо- приходится увеличивать скорость потока и сокращать продолжитель- продолжительность заполнения полости пресс-формы при одновременном повы- повышении ее температуры, например, путем увеличения темпа ра- работы. Это следует учитывать при выборе оптимальных значений параметров технологических режимов литья. Кроме дефектов, указанных в табл. 3.10, к дефектам поверх- поверхности относятся задиры, возникающие вследствие привара, иногда к ним причисляют и утолщенный облой по плоскости разъема пресе-формы. 4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕСС-ФОРМ Пресс-форма для литья под давлением имеет одну или несколько формующих полостей, очертания которых являются отпечатком отливки. Размеры оформляющей полости пресс-формы должны отличаться от размеров отливки на величину усадки заливаемого сплава. Собранная пресс-форма представляет собой прямоуголь- прямоугольный параллелепипед, иногда цилиндр. Обычно она состоит из не- неподвижной и подвижной частей, в которых смонтированы все остальные детали. Для того чтобы рассмотреть основные конструктивные эле- элементы пресс-формы, необходимые для дальнейшего анализа, вы- выберем типичную конструкцию, показанную на рис. 4.1. Непод- Неподвижную часть двухгнездной пресс-формы с помощью плиты 3 крепят к прессующему блоку машины с горизонтальной камерой прессования 27, а подвижную часть с помощью плиты 15 — к по^ стаменту 29, установленному на подвижном запирающем блоке машины. Расплавленный металл поступает в пресс-форму через лит- литниковую втулку 26, ударяется о рассекатель 18 и растекается по литниковым каналам в два гнезда, заполняя рабочую полость пресс-формы, образуя отливки 23. В плитах 2 я 11, называемых обоймами, смонтированы специальные вкладыши, в которых оформляется внешний контур отливки. Подвижной вкладыш 16 прижимается плитой 12 к обойме 11. Неподвижный вкладыш 6 крепят к обойме 2 винтами 4. При раскрытии пресс-формы отливка остается в подвижной части. Стержни 9, закрепленные штифтами 24 в ползунах 10, в первый момент после раскрытия пресс-формы снимают отливку с неподвижного стержня 5, а затем извлекаются из нее наклон- наклонными клиньями-пальцами 7. При перемещении подвижной полу- полуформы плита 14, соединенная с плитой 13 выталкивателей, на- наталкивается на неподвижные упоры 19 и останавливается. Вы- Выталкиватели 17 удаляют отливку. При закрытии пресс-формы обратные толкатели 20 упираются в неподвижную обойму 2 и возвращают выталкиватели в исходное положение. Центрирование неподвижной и подвижной полуформ осуществляется направляю- направляющими втулками 21 и колонками 1. Привернутые болтами 28 121
Подвижная часть Неподвижная часть I Рис. 4.1. Пресс-форма для литья под давлением корпуса датчика замки 8 служат для предотвращения отхода ползунов 10 и стерж- стержней 9 под давлением жидкого металла. Чтобы предотвратить пе- перемещение ползунов 10 при раскрытой npeGG-форме, применяют фиксаторы 25, иначе при закрытии пресс-формы клин-палец 7 может не попасть в отверстие ползуна 10. Во время работы пресс- форма охлаждается водой, которая поступает по резиновому шлангу к штуцерам 22. Детали пресс-формы, препятствующие удалению отливки во время ее выталкивания, должны быть подвижными для того, чтобы их можно было извлечь из формы до удаления отливки. Большая часть стержней и выступов, оформляющих внутренние и наружные контуры отливки, располагают в подвижной полу- полуформе таким образом, чтобы отливка при раскрытии пресс-формы всегда оставалась в последней. Поэтому в подвижной полуформе делают устройство для выталкивания или сбрасывания отливки. Конструкция пресс-формы зависит от конструкции отливки, свойств заливаемого сплава, типа машины и характера эксплуата- эксплуатации оборудования и оснастки. В зависимости от этих факторов пресс-формы классифицируют по схеме, приведенной на рис. 4.2. В зависимости от заливаемого сплава пресс-формы имеют различные конструкции и размеры литниковой системы, отли- отличаются материалами формообразующих деталей и их термообра- термообработкой, конструкцией вкладышей и других сменных деталей. Пресс-формы для отливок из алюминиевых, медных и черных сплавов изготовляют с запасными формообразующими деталями, 122 Классификация пресс-форм По типу заливаемого сплава На основе свинца, олова, сурьмы На основе магния J_ На основе алюминия На основе цинка По типу производства Мелкосерийное С ручным приводом Универсальные блок - формы Мату ни Сталь, чугун Массовое 1 Типовые пресс - формы 1 Специальные форм-пакеты Универсальные стандартные форм- пакеты По расположению капер прессования Гор из оитальм ые рюикальные 1 С внутренней лит- литниковой системой По числ 1 Одногнездные С внешней пит-, никовой системой Многогнездные По степени механизации _L Выталкивания Извлечения подвижных деталей Ручное Полуа В том атическае Особые Виды пресс-форм Крупногабаритные Т Для армированных отливок вакуумные С ручной закладкой арматуры С автоматической закладкой армагг'1оы Рйс. 4.2. Классификация пресс-форм Фиксации подвижных деталей Автоматическое Дпя отливок особой прочности и герметичности
в-в а это требует соблюде- соблюдения их строгой взаи- взаимозаменяемости, по- поскольку смену запас- запасных частей еледует про- проводить без дополни- дополнительной механической или слесарной обработ- обработки в короткие сроки. Пресс-формы для отли- отливок из сплавов на ос- основе цинка, олова и свинца можно изго- изготовлять без запасных частей. Раеемотрим пресс- форму для отливки корпуса поплавковой камеры карбюратора ав- автомобиля из сплава ЦАМ4-1 (рис. 4.3). Она имеет унифицирован- унифицированный узел удаления стержня 14 с помощью рейки. Неподвижную часть пресс-формы пли- плитой 8, а подвижную плитой 17 крепят к со- соответствующим плитам машины. Отливка офор- оформляется вкладышами 6 и 13, а также подвиж- подвижными щеками /. При раскрытии пресс-формы боковые стержни 12, наклонный стержень 14 и щеки /, 2 выдвига- выдвигаются с помощью не- неподвижной рейки 9 и клиньев-пальцев 3, 7. При дальнейшем дви- движении полуформы пли- плиты 15, 16 и выталки- „ ватели 18, 19 снимают отливку с неподвижных стержней 4, Ь, 23 и выступающей части вкладыша 13. При закрытии пресс- формы колонками 20, проходящими через подвижную обойму // и упирающимися торцами в неподвижную обойму 10, вы- выталкиватели возвращакяея в исходное положение. Одновременно 124 Б-6 стержни 12 и щеки /, 2 возвратятся в исход- исходное положение. Непо- Неподвижная и подвижная полуформы соединяются направляющими втул- втулками 22 и колонками 21. 4.1. КОНСТРУИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ ПРЕСС-ФОРМ Основные детали пресс-формы в зависи- зависимости от их назначения подразделяют на три группы: формообразу- формообразующие, конструктивные и входящие в механизмы пресс-формы (рис. 4.4). Кроме основных деталей пресс-форма имеет ряд вспомогательных кре- крепежных деталей, конст- конструкции и размеры кото- которых определяются стан- стандартами. Формообразующие детали. Эти детали яв- являются наиболее ответ- ответственными, так как они соприкасаются с жид- жидким сплавом, в той или иной степени участву- участвуют в оформлении по- поверхностей отливок и наиболее еильно подвергаются термическому воздействию и ме- механическим нагрузкам. Эти детали изготовляют из жаростой- жаростойких сталей, обладающих высокими механическими свой- свойствами. Для повышения износостойкости и уменьшения хими- химического взаимодействия с заливаемым сплавом формообразующие детали подвергают термообработке, а их рабочие поверхности — цианированию, азотированию, фосфатированию и другим мето- методам упрочнения. Марка стали и режим термообработки зависят от температуры плавления заливаемого сплава. В целях умень- уменьшения сопротивления выталкиванию отливок из пресс-формы и првышения качества поверхности отливок рекомендуется обраба- обрабатывать рабочие поверхности формообразующих деталей до ше- шероховатости 0,32 мкм. 125 11 10 9 8 Рис. 4.3. Пресс-форма для литья под давле- давлением корпуса поплавковой камеры карбю- карбюратора
Рис. 4.4. Классифииация основных деталей пресс-формы Вкладыши и вставки. Вкладышами называют детали пресс- форм, имеющие полость, в которой оформляются наружные по- поверхности отливок. Конструкция вкладышей и расположение в них оформляющих полостей определяют размеры пресс-формы и в какой-то степени влияют на качество отливок. Контур вклады- вкладышей определяется конфигурацией отливки. Чаще всего вкладыши имеют прямоугольную или цилиндрическую форму. Габаритные размеры вкладышей устанавливают исходя из условия, что расстояние от рабочей полости до края вкладыша (толщина стенки) должно быть не менее 20 мм. В мелкосерийном производстве, когда пресс-формы эксплуатируются периоди- периодически, допускается уменьшить это расстояние до 10 мм. При опре- определении высоты вкладышей учитывают необходимость устойчи- устойчивого положения вставок и стержней. С этой целью к размеру глубины оформляющей полости добавляют не менее 15 мм для посадки стержней или вставок. При конструировании вкладышей рекомендуется соблюдать принцип равностенности сечений. Мест- Местные утолщения затрудняют термообработку и могут привести к короблению, появлению закалочных трещин и излишних вну- внутренних напряжений, снижающих стойкость вкладышей. 126 2) д) Рис. 4.5. Способы крепления вкладышей в обойме Вкладыши крепят в обоймах пресс-форм различными спосо- способами. Врезные вкладыши крепят винтами (рис. 4.5, а). Недостат- Недостатком этого способа является то, что по мере износа резьбы вкла- вкладыш может разбалтываться в гнезде. Сквозные вкладыши закреп- ля,ют в обоймах с помощью опорного буртика (рис. 4.5, б), вы- высота которого F—12 мм) зависит от усилия выталкивания отливки. Этот способ крепления более надежен и прост. Круглые вкла- вкладыши (чтобы они не провернулись) фиксируют в обоймах штиф- штифтами (рис. 4.5, в) или шпонками (рис. 4.5, г). Оформляющую по- полость иногда изготовляют не в отдельных вкладышах, а в обойме (рис. 4.5, д), которую часто называют матрицей. Изготовление таких конструкций пресс-форм экономически нецелесообразно, их используют только для литья сплавов с низкой температурой плавления. При литье сплавов с высокой температурой плавле- плавления применяют вкладыши, в которых оформляющая полость йы- полнена с двух сторон (рис. 4.5, е). Эти вкладыши делают сквоз- сквозными и фиксируют опорными буртиками, располагающимися симметрично относительно плоскостей вкладыша. Если отливка имеет сложные по конфигурации выемки или отверстия, оформляемые стержнями большой длины или слож- сложной формы, то вкладыши собирают из нескольких вставок. При- Применение вставок значительно сокращает затраты на механиче- механическую обработку пресс-формы. В некоторых случаях вставки де- 127
Рис. 4.6. Посадочные размеры и шеро- шероховатость поверхностей вкладыша лают с целью , замены наи- наиболее быстроизнашивающих- быстроизнашивающихся деталей оформляющей полости, подверженных не- непосредственному воздействию струи металла. Вставки должны тщательно подго- подгоняться друг к другу. В про- противном случае образуются заливы металла, ухудшаю- ухудшающие поверхность отливки. Вставки устанавливают та- таким образом, чтобы облой, возникающий при попадании жидкого сплава в зазоры между вставкой и вклады- вкладышем, располагался на от- отливке в направлении ее уда- удаления. Вставки служат так- также для дополнительной вен- вентиляции пресс-формы. Размеры оформляющих частей вкладышей и вставок выполняют с точностью на один порядок выше, чем допускаемые размеры отливок. Посадочные размеры выполняют с точностью по 7—8-му квалитету (рис. 4.6). Такую же точность применяют для неподвижных стержней и вставок. Отверстия под цилиндрические и трубчатые выталкиватели выполняют по посадке H7/d8 для отливок из цинковых, алюминиевых или магниевых сплавов. Неподвижный стержень с трубчатым выталкивателем рекомендуется соединять по скользящей посадке с точностью по 7-му квалитету. Оформляющие поверхности вкладышей и вставок выполняют с шероховатостью поверхности 0,32 мкм, а осталь- остальные поверхности — с шероховатостью поверхности 2,5 мкм. Стержни. Стержни могут быть неподвижными, подвижными, резьбовыми и другими (см. рис. 4.4). Неподвижные стержни устанавливают в пресс-форме перпен- перпендикулярно плоскости разъема. Для облегчения удаления отливки стержни имеют конусность или уклон. Конусность стержней, установленных в неподвижной полуформе, должна быть больше конусности подвижной полуформы, чтобы при раскрытии пресс- формы отливка осталась на стержнях подвижной части. Для предотвращения коробления и поломки отливок при их удалении около стержней в подвижной полуформе располагают дополни- дополнительные выталкиватели. Неподвижные стержни крепят в пресс-форме различными спо- способами. Наиболее распространен способ крепления стержней буртиком, опирающимся на подкладную плиту / (рис. 4.7, а). Высота Н посадочной части стержня зависит от размера его оформ- оформляющей части. При наличии врезных вкладышей стержни опи- 128 г) В) е) Рис. 4.7. Способы крепления неподвижных стержней в плитах пресс-формы раются на дно обоймы (рис. 4.7, б). Стержни небольшого диаметра рекомендуется пропускать через обойму до упора в подкладную щяиту (рис. 4.7, в). Если в многогнездных пресс-формах, где центральный стержень является одновременно и рассекателем, дяя съема отливок с неподвижных стержней применяют трубча- трубчатые выталкиватели 2, то стержни монтируют в дополнительной плите 3 между брусками и плитой основания 4 (рис. 4.7, г). Иногда для крепления таких стержней применяют планку 5 (рис. 4.7, д) или прижимную гайку 6 (рис. 4.7, ё). Для повышения устойчи- устойчивости стержней и получения в отливках глубоких отверстий не- небольших диаметров устанавливают замок 7, что дает возможность выполнять отверстия в отливках без облоя. На рис. 4.8 показаны различные способы фиксации непод- неподвижных стержней Во вкладышах. Неподвижные и. подвижные стержни имеют посадочную, на- аравляющую и оформляющую части. Посадочная часть стержня служит для его закрепления в пресс-форме. Для неподвижного стержня ее выполняют с точностью до 7-му квалитету, для под- подвижного — по скользящей посадке. Посадочную часть стержня 5 Заказ 66 129
a) Рис. 4.8. Способы крепления неподвижных стержней во вкладышах: а — двойной лыской; б — продольной шпонкой (шпилькой); в — поперечной шцонкой чаще всего делают цилиндрической (кроме крупногабаритных стержней). Направляющая часть служит для фиксации стержня в оформляющей полости. Ее выполняют по второму классу точ- точности по широкоходовой посадке при литье сплавов на основе свинца, олова, магния, алюминия или цинка и по теплоходовой посадке при литье латуни и черных сплавов. Направляющая часть стержня должна быть длинней его оформляющей части. Оформляющая часть служит для получения в отливках внутрен- внутренних полостей с заданной точностью. Подвижные стержни оформляют все полости и отверстия в от- отливке, расположенные параллельно плоскости разъема или под углом к ней. Подвижные стержни с помощью различных меха- механизмов извлекаются из отливки до раскрытия или чаще всего во время раскрытия пресс-формы. Требования к оформляющей части этих стержней такие же, как и к оформляющей части не- неподвижных стержней. Для обеспечения плавного возвратно- поступательного движения в пресс-форме подвижные стержни имеют увеличенную длину направляющей части. Это дает воз- возможность избегать перекосов, заливов жидкого металла и под- подтеков смазочного материала. Как правило, длина направляющей части подвижных стержней составляет не менее 1,25 их диаметра или высоты сечения. , Наиболее надежно без перекосов работают подвижные стержни /, направляющая часть которых полностью расположена в обойме или вкладыше (рис. 4.9, а). На рис. 4.9, б показан стер- стержень, расположенный в плоскости разъема пресс-формы. Для устранения перекосов ползун 3 стержня / устанавливают в спе- специальной направляющей втулке 5, закрепленной в обойме под- подвижной полуформы. В неподвижной обойме сделано углубление под выступающую часть втулки 5. Полость ползуна защищена от попадания в нее грязи и жидкого металла шайбой 2. , При изготовлении отливок из алюминиевых и цинковых спла- сплавов размеры направляющей части подвижных стержней в це- целях предохранения от попадания брызг и грязи, а также обеспе- 130 Рис. 4.9. Способы крепления подвижных стержней: / _ стержень; 2 >— защитная втулка; 3 — ползун; 4 ¦<• штнфт; б <•• направляющая втулка ползуна чения плавного хода стержня выполняют по широкоходовой по- посадке, а при изготовлении отливок из латуни — по теплоходо- вой посадке с точностью по 14-му квалитету. Поверхности поса- посадочных соединений выполняют с шероховатостью 1,25 мкм, а по- поверхности оформляющей части стержня — 0,63—0,16 мкм. Щеки. Эти детали оформляют наружные боковые поверхности и поднутрения отливок. Щеками принято называть подвижные детали больших размеров. На рис. 4.10 показан пример оформле- оформления подвижными щеками внешних поверхностей блока цилин- цилиндров двигателя автомобиля «Москвич». К щекам предъявляют те же требования, что и к подвижным стержням. Щеки состоят из оформляющей и направляющей деталей, соединяемых между со- собой с помощью штифтов, ласточкиного хвоста или хвостовика, входящего в Т-рбразный паз ползуна. В обойме движение щек также осуществляется по Т-образным пазам. Литниковые втулки и рассекатели. Литниковые втулки пред- предназначены для сопряжения пресс-формы с камерой прессования машины, рассекатели — для направления струи жидкого ме- металла, поступающего через литниковые втулки, в каналы литни- литниковой системы и далее в оформляющую полость. Литниковые втулки и рассекатели больше других деталей пресс-формы под- подвержены динамическому, химическому и термическому воздей- воздействию жидкого металла, поэтому их всегда делают сменными. Диаметр отверстий литниковой втулки пресс-формы машины с горизонтальной камерой прессования равен диаметру отверстия камеры прессования, так как втулка является продолжением камеры и в нее входит прессующий поршень (рис. 4.11, а). Рас- Рассекатель служит не только для направления потока, но и для за- защиты подвижной обоймы от действия жидкого металла. 5е 131
Рис. 4.10. Оформление подвижными щеками внешних поверхностей отливки блока цилиндров двигателя автомобиля «Москвич»: а «— закрытая пресс-форма; б ¦— пресс-форма в момент раскрытия Диаметр отверстия литниковой втулки пресс-формы машины с вертикальной камерой прессования (рис. 4.11, б) на 1 мм больше диаметра выходного отверстия мундштука. Это делают для того, чтобы при недостаточно точной установке и несовпадении осей втулки и мундштука или же при износе мундштука литник в мо- момент раскрытия пресс-формы свободно проходил через канал лит- литниковой втулки. Для облегчения удаления литника втулка имеет конусность 3—5°. Поверхность канала вулки полируется до шероховатости 0,16 мкм. Чем лучше обработана поверхность лит- литниковой втулки, тем ниже ее гидродинамическое сопротивление и меньше износ. Рассекатель для вертикальной камеры прессования представ- представляет собой цилиндрическую деталь, которую ставят в подвижную обойму по скользящей посадке с точностью по 8-му квалитету и закрепляют в ней или во вкладыше буртиком высотой б—10 мм. Для того чтобы литник после раскрытия пресс-формы оставался в ее подвижной части, на конической части рассекателя делают J 4 Рнс. 4.11. Расположение литниковых втулок и рассекателей в пресс-форме: / — отливка; 2 — литниковая втулка; 3 —защитная вставка-рассекатель; 4 — выталки- выталкиватель; 5 — рассекатель 132 А-А 1 А ,2 Рис. 4.12. Узел заливки с переходной втулкой, позволяющей использовать на машинах с горизонтальной камерой прессования пресс-формы, предназна- предназначенные для машии с вертикальной ка- камерой прессования канавку шириной 2—3 и глу- глубиной 1 мм. В некоторых слу- случаях для снятия литника с рас- рассекателя ставят центральный выталкиватель (рис. 4.11, б). Выступающую часть рассека- рассекателя, охватываемую металлом, можно выполнять не в виде конуса, а в виде цилиндра. Если требуется только одно- одностороннее направление потока металла, то рекомендуется применять рассекатели со смещенным центром (рис. 4.11, г). При использовании литниковой системы рассекатель является одновременно неподвижным стержнем, оформляющим централь- центральное отверстие и другие внутренние контуры отливки. С помощью стержня-рассекателя можно получать отверстия диаметром бо- более 6 мм, так как при меньшем диаметре стержень-рассекатель может отклониться под давлением жидкого металла. В пресс-формах, предназначенных для работы на машинах с горячей камерой прессования, в целях повышения производи- 133 6)
* 3 2 1 Рис. 4.13. Уаел валивки с подвижным рассекателем-вставкой тельности литниковая втулка и рассекатель интенсивно охла- охлаждаются водой через специально ввернутые штуцеры. Это имеет важное значение для многогнездных пресс-форм, в которых диа- диаметр литникового хода значительно превышает толщину стенок отливки. Существуют специальные конструкции заливочных узлов. Например, при необходимости использования на машинах с го- горизонтальной камерой прессования пресс-формы, спроектирован- спроектированной для машин с вертикальной камерой прессования, в неподвиж- неподвижной полуформе устанавливают переходную литниковую втулку 2, в которой выполнено продолжение литникового хода 1 (рис. 4.12, а). В момент раскрытия пресс-формы происходит отрыв литника 1 в наименьшем сечении от пресс-остатка 3. Пресс-остаток, удерживаемый на прессующем поршне 6 ласточкиным хвостом, отходит вместе с поршнем и удаляется через заливочное окно 4 камеры прессования 5 специальным штоком. Приспособление для удаления пресс-остатка показано на рис. 4.12, б. В случае использования пресс-форм, предназначенных для машины с вертикальной камерой прессования, на машине с го- горизонтально расположенным прессующим узлом можно приме- применять подвижный рассекатель-вставку 2 (рис. 4.13). Перед за- заливкой рассекатель-вставка 2 плотно прижимается к литнико- литниковой втулке 1, перекрывая литниковые каналы, что исключает преждевременный залив жидкого металла под действием собствен- собственного веса в полость пресс-формы. Во время запрессовки рассека- рассекатель-вставка под действием давления металла сжимает пружину 3 и отходит на расстояние Я, равное глубине литниковых каиалов5 освобождая их для прохождения жидкого металла в рабочую полость. При раскрытии пресс-формы выталкиватель 4 возвращает рассекатель-вставку 2 в исходное перед заливкой положение. Для литья под давлением применяют также рассекатель- арматуру, который изготовляют чаще всего из сплава отливки. Рассекатель вставляют перед заливкой в специальное гнездо, при заливке он становится частью отливки. В процессе зачистки отливки рассекатель удаляется вместе с литником механической 134 обработкой. Такие рас- рассекатели целесообразно применять при цен- центральной Литниковой системе. Выталкиватели. Эти детали служат для сня- снятия отливки с выступа- выступающих элементов вкла- вкладышей и стержней, рас- расположенных в подвиж- подвижной полуформе. Кон- Конструкция выталкива- выталкивателей зависит, в первую очередь, от конфигура- конфигурации отливки и располо- расположения ее в пресс-форме. Наиболее распростра- распространен способ удаления от- отливки цилиндрическими диаметром d выталки- выталкивателями (рис. 4.14, а), которые наиболее про- просты в изготовлении и эксплуатации. Цилин- Цилиндрические выталкива- выталкиватели могут иметь диа- диаметр от 1,5 до 20 мм. Выталкиватели большой длины и небольшого диаметра d рекоменду- рекомендуется делать ступенча- ступенчатыми с утолщенным основанием (рис. 4.14,6). Для удаления тонкос- тонкостенных отливок, глубо- глубоко расположенных в по- подвижном вкладыше, при- применяют выталкиватели прямоугольного сече- сечения (рис. 4.14, в). Ши- Ширина выталкивателя а не должна превышать его толщину Ь более чем в 3 раза. Такие выталкиватели имеют, как правило, круглое основание. Для снятия отливки с неподвижных цилиндрических стержней диаметром d используют трубчатые выталкиватели наружным диаметром D (рис. 4.14, г), основным преимуществом которых по сравнению с выталкивателями других конструкций является 135 Рис. 4.14. Выталкиватели: 1 — плита; 2 — выталкиватель; 3 — подвижная поло- половина пресс-формы; 4 — неподвижная половина пресс- формы
то, что часть отливки, к которой прикладывается усилие сталки- сталкивания, расположена около стержня. В случае, когда поверхность выталкивания отливки представляет собой кольцо большого диаметра или на торце такой кольцевой отливки имеются выступы, не позволяющие использовать трубчатый выталкиватель, приме- применяют сегментный выталкиватель. Последний изготавливают в виде отдельных элементов или втулки, у которой в выталкивающей части вырезаны сегментные выступы (рис. 4.14, д). Число вытал- выталкивающих сегментов зависит от размеров отливки. Основные не- недостатки этих выталкивателей по сравнению с цилиндрическими заключаются в том, что во-первых, они быстрее изнашиваются при работе вследствие большой поверхности трения и, во-вторых, их значительно труднее изготовить. Для надежной работы любого выталкивающего устройства необходимо, чтобы направляющая часть выталкивателей была достаточной длины (не менее 20 мм). Диаметр отверстий в плитах, через которые проходят выталкива- выталкиватели, должен быть на 0,5 мм больше диаметра самого выталкива- выталкивателя. Направляющая часть выталкивателей обрабатывается по ши- широкоходовой посадке 2 с точностью по 7-му квалитету и шерохо- шероховатостью поверхности 1,25 мкм. Выталкиватели крепят в плитах с помощью буртика. Для упрощения сборки пресс-формы диа- диаметры отверстий в плите выталкивателей увеличивают на 1 мм. Конструктивные детали. Эти детали служат для установки формообразующих деталей в подвижной и неподвижной полу- полуформах, Обеспечения их точного взаимного расположения и на- направления, а также для крепления пресс-формы к машине (см. рис. 4.4). Конструктивные детали должны быть достаточно проч- прочными, чтобы не деформироваться под действием усилий, переда- передаваемых формообразующими деталями при возникновении гидро- гидродинамического давления в процессе заполнения пресс-формы и статистического давления в процессе подпрессовки. При литье под давлением детали пресс-форм подвергаются воздействию температур, быстро нагреваются и охлаждаются, поэтому стали, применяемые для их изготовления, должны обла- обладать следующими свойствами: высокими твердостью (при нагреве) и ударной вязкостью, сопротивлением тепловому удару, малым коэффициентом расширения, хорошей ковкостью и обрабаты- обрабатываемостью, малой величиной деформации при термообработке, а также не взаимодействовать с заливаемым металлом. В наиболь- наибольшей степени этим требованиям отвечают стали, содержащие воль- вольфрам, хром, молибден, ванадий, кобальт и некоторые другие элементы (табл. 4.1). Для повышения стойкости поверхности формообразующих деталей подвергают химико-термической обработке. Чтобы предо- предохранить формообразующие детали от прилипания жидкого ме- металла, их поверхность подвергают воронению. Образующаяся при этом оксидная пленка служит прослойкой между деталью и сплавом. 136 4.1. Стали *ля изготовления деталей пресс-форт Детали Матрицы, вкладыши, щеки для отливок из цинковых сплавов Матрицы, вкладыши, вставки, щеки, стерж- стержни особо сложной формы для отливок из цинковых сплавов Стержни, выталкива- выталкиватели для отливок нз цинковых сплавов Литниковые втулки, рассекатели дли отли- отливок из цинковых спла- сплавов Матрицы, вкладыши, вставки, щеки для отливок из алюминие- алюминиевых сплавов Стержни, выталкива- выталкиватели, литниковые втулки, рассекатели для отливок из алю- алюминиевых сплавов Матрицы, вкладыши, вставки щеки, стерж- стержни особо сложной формы для отлнвок нз алюминиевых спла- сплавов Стали 5ХНМ (ГОСТ 5950—73), 40ХН2МА (ГОСТ 4543—71) То же Сталь X (ГОСТ 5950—73) 5ХНМ (ГОСТ 5950—73), 40ХН2МА (ГОСТ 4543—71) ЗХЗМЗФ, 4Х5МФС (ГОСТ 5950—73) То же Термообработка Низкотемпературное циа- цианирование на глубину 0,02—0,05 мм, 51— 56 HRQ, иа поверхности и 43—47 HRQ, в сердце- сердцевине Низкотемпературное циа- цианирование на глубину 0,15—0,20 мм; 51— 56 HRQ, на поверхности и 34—37 HRQ, в сердце- сердцевине Закалка на 49—53 HRQ, Закалка на 43—47 HRQ Низкотемпературное циа- цианирование на глубину 0,02—0,05 мм; 59— 63 HRC3 на поверхности и 46—49 HRQ, в сердце- сердцевине; допускается азоти- азотирование на глубину 0,3— 0,4 мм; 65—67 HRQ, иа поверхности и 38— 42 HRCa в сердцевине Ннз котемпературное цна- ннрованне на глубину 0,02—0,05 мм; 59— 63 HRQ, на поверхности н 50—54 HRCa в сердце- сердцевине; допускается азоти- азотирование с параметрами, указанными выше Низкотемпературное циа- цианирование на глубину 0,15 ... 0,20 мм; 59— 63 HRQ, на поверхности и 32—37 HRQ, в сердце- сердцевине; допускается азоти- азотирование с параметрами, указанными выше 137
Продолокрние табл. 4.1 Детали Матрицы, вкладыши, вставки щеки для от- отливок нз медных сплавов Стержни, рассекатели, литниковые втулки, выталкиватели для от- отливок из медных спла- сплавов Колонки направляю- направляющие, втулки к колон- колонкам, толкатели обрат- обратные, клинья, замки, для отливок из любых сплавов Обоймы вкладышей, плиты подкладные, втулки к ползунам, втулки стержней, рей- рейки, валики зубчатые для отливок из лю- любых сплавов Ползуны для отливок из любых сплавов Плиты для пакетов пресс-форм для отли- отливок из любых сплавов Стали ЗХЗМЗФ (ГОСТ 5950—73) То же У8, У10А (ГОСТ 1435—74) 40Х (ГОСТ 4543—71) То же Сталь 35 (ГОСТ 1050—74) Термообработка Закалка на 43—47 HRQ, Закалка на 50—54 HRQ, Закалка на 51—56 HRQ, Закалка с высоким отпу- отпуском на 29—34 HRQ, Низкотемпературное циа- цианирование на глубину 0,15—0,20 мм; 51— 56 HRC-, на поверхности и 30—34 HRQ, в сердце- сердцевине — Для увеличения поверхностной твердости одновременно с со- сохранением вязкой сердцевины применяют азотирование на глу- глубину до 0,5 мм. Для этих же целей используют низкотемператур- низкотемпературное цианирование, заключающееся в одновременном насыщении поверхностного слоя глубиной 0,15—0,20 мм азотом и углеродом. Процесс осуществляется в жидком цианизаторе или газовой среде в интервале температур 540—560 °С. Цианирование придает стали высокие твердость и сопротивление усталости, устойчивость про- против отпуска при высоких температурах, высокую износостой- 138 *) Рис. 4.15. Клиновые механизмы для извлечения стержней кость, малую смачивае- смачиваемость расплавом и повы- повышенную стойкость против эрозии. В целях улучшения по- поверхностных свойств фор- формообразующих деталей применяют оксидофосфат- ные и электролитические покрытия, а также под- подвергают их шлифованию для устранения трещин в самом начале их развития. Детали механизмов пресс-форм. Возвратно-поступательное дви- движение стержней, щек, а в некоторых случаях выталкивателей и контртолкателей осуществляется с помощью специальных меха- механизмов — приводов, которые бывают ручными, полуавтомати- полуавтоматическими и автоматическими. Эти механизмы являются сложной частью пресс-формы. Все подвижные элементы механизма рабо- работают в условиях повышенных нагрузок и температур. Клиновые механизмы. Они предназначены для автоматического перемещения стержней, когда используется обратный ход под- подвижного стола запирающего механизма машины. Это позволяет совместить процесс удаления стержней с процессом раскрытия пресс-формы. На рис. 4.15, а приведен простейший клиновой механизм с наклонным цилиндрическим клином-пальцем. По клину-пальцу / при раскрытии пресс-формы скользит ползун 2 вместе со стерж- 139
Рис. 4.16, Реечные механизмы для извлечения стержней нем 6, который извлекается из отливки. Фиксация ползуна осу- осуществляется замком 3. Угол а наклона клина-пальца / не дол- должен превышать 25°. Длина рабочей части клина-пальца L зави- зависит от максимального хода S ползуна: L = S/sin он- 11+ C-f-5) ]/sin ев, где I — длина оформляющей части стержня, мм. Длина направляющей части стержня 1г = I + F-г-10) мм, длина ползуна 1г = S + Bч-3) D, здесь D — диаметр клина- пальца. Длину нерабочей части клина-пальца Lx назначают исходя из конструктивных соображений. В целях предохране- предохранения от заедания ползун клинового механизма помещают в спе- специальную гильзу 4. Втулка 5 служит для защиты трущихся ча- частей ползуна от попадания жидкого металла. Механизм с ци- цилиндрическими клиньями-пальцами позволяет извлекать стержни на длину хода не более 90 мм. Клин-палец с замком используют для удаления стержней диа- диаметром до 15 мм. Замковое устройство в виде конуса 7 выпол- выполняют на рабочей части клина-пальца в целях фиксации ползуна и стержня в период запрессовки (рис. 4.15, б). В случае, когда необходимая длина хода стержня превышает 90 мм, а также когда нужно извлекать стержни больших попе- 140 речных размеров, применяют меха- механизмы с клином-пальцем прямо- прямоугольного сечения. Такой механизм позволяет осуществлять двухступен- двухступенчатое удаление боковых стержней за счет изменения угла наклона пря- прямоугольного клина 9 (рис. 4.15, б). Один конец клина находится в не- неподвижной полуформе, а другой при закрытии пресс-формы заходит в плиту 8 на подвижной полуформе. Это клина при запрессовке металла. 4.2. Значения f и Г для рабочего зацепления, мм Модуль ауба 3 4 5 1 9,42 12,56 15,70 Т 18,4 24,6 30,7 устраняет перекоо Центральное отверстие малого диаметра оформляется в отливке стержнем 14, проходящим через основной боковой стержень 13 большого диаметра. В основном ползуне 10 смонтирован сталь- стальной ролик 12. В процессе раскрытия пресс-формы ползун // вы- выталкивает малый стержень 14 в результате контакта ролика 12 с участком клина 9, наклоненным под углом 15° к горизонтальной оси пресс-формы. Когда торец малого стержня 14 выйдет из от- отливки, начнется совместное вытягивание стержней 14 и 13 основ- основным ползуном 10, скользящим по второму участку клина, кото- который имеет наклон 25°. Недостатком этого механизма является сложность изготовления и надежного закрепления клииа в не- неподвижной части пресс-формы. Реечные механизмы. Эти механизмы рекомендуется исполь- использовать при ходе стержня более 50 мм (рис. 4.16). При раскрытии пресс-формы рейка 3, закрепленная в неподвижной обойме, вхо- входит в зацепление с зубчатым валиком 5, который приводит в дви- движение реечный ползун 6 вместе со стержнем / и закрепленным в ползуне штифтом 2 (рис. 4.16, а). Для фиксации положения стержня в оформляющей полости предусмотрен замок 4. При монтаже пресс-формы необходимо следить за тем, чтобы ось впадины зубчатого валика была параллельна плоскости разъема. При несоблюдении этого правила может произойти по- поломка рейки. Кроме того, недостаток реечного механизма еще и в том, что усилие раскрытия воспринимается последним зубом: при больших усилиях, необходимых для извлечения стержней, это приводит к его быстрому износу или поломке. . В реечном механизма применяют зубчатую передачу с моду- модулем 3—4,5. При большем модуле увеличиваются размеры пресс- формы. Полный ход S ползуна, который должен на несколько миллиметров превышать длину I оформляющей части стержня, определяют по формуле S = nl + Т, где п — число шагов на рейке ползуна; t — шаг зубьев рейки, мм; Т — добавочное рас- расстояние на выход и вход зубчатого валика в зацепление (табл. 4.2). Длина ползуна L = S + 2/. Расстояние 1Х от торца ползуна до оси зубчатого валика определяют по эмпирическому выраже- выражению lx = S + 1.25D, где D —г диаметр отверстия для ползуна. 141
Рис. 4.17. Комбинированные механизмы для извлечения стержней На рис. 4.16, б приведен реечный механизм извлечения трех стержней 9, расположенных под углом друг к другу в плоскости, параллельной плоскости разъема пресс-формы. Стержни извле- извлекаются одновременно реечным ползуном 12, приводимым в дви- движение зубчатым валиком 11, который вращается при раскрытии пресс-формы с помощью неподвижной рейки 10. В паз ползуна 12 входит ролик 7, закрепленный в ползуне 8, соединенном со стерж- стержнями 9. При движении ползуна 8 ролики 7 перемещаются вместе с ползуном 12 влево, одновременно ролик 7 перемещается в на- направлении, перпендикулярном ползуну 12 вдоль паза, двигая стержни под углом друг к другу. Комбинированные механизмы. Очень часто для автоматиче- автоматического извлечения стержней применяют комбинированные реечно- клиновые механизмы, которые не имеют недостатков, присущих клиновым и реечным механизмам. На рис. 4.17, а показан комбинированный механизмов кото- котором нагрузка в момент отрыва стержня воспринимается коротким клином-пальцем 4, закрепленным в неподвижной обойме 3 и входящим в наклонное отверстие реечного ползуна 5. Последний находится в зацеплении с зубчатым валиком 2, вступающим в за- зацепление с неподвижной рейкой / после отрыва стержня 6 от отливки. Рейка 1 укреплена в неподвижной обойме 3, а реечный ползун ? вместе со стержнем 6 и валиком 2 расположены в под- подвижной полуформе. При раскрытии пресс-формы клин-палец 4 перемещает пол- ползун 5 на небольшое расстояние, обеспечивающее отрыв стержня 6 142 от отливки. Ползун 5 упирается в ограничитель, а клин-палец 4 выходит из наклонного отверстия в ползуне 5. При дальнейшем раскрытии пресс-формы рейка / вступает в зацепление с валиком 2, который перемещает ползун 5 вместе со стержнем 6 до полного его выхода из отливки. Рассматриваемый механизм предназначен для пресс-форм, в которых при извлечении больших боковых стержней (диаметром более 300 мм и с длиной оформляющей части более 50 мм) приходится преодолевать значительную силу сцеп- сцепления стержня с отливкой. Если стержни 3 расположены под углом друг к другу и к пло- плоскости разъема пресс-формы, то они могут извлекаться одновре- одновременно одним ползуном 6 с полудиском 7 (рис. 4.17, б). В полу- полудиске 7 закреплены ведущие пальцы 8, которые входят в отвер- отверстие ползунов 9. Ползун 6 служит, кроме того, для извлечения основного стержня /, расположенного в плоскости, параллель- параллельной разъему пресс-формы. Перемещение стержней осуществляется следующим образом. В первый момент после раскрытия пресс-формы клин-палец 2 отрывает все стержни от отливки, после чего неподвижная рейка 4 входит в зацепление с зубчатым валиком 5, который продолжает движение ползуна 6 одновременно с полудиском 7 и пальцами 8. В результате все стержни 3 извлекаются из оформляющей полости по наклонным плоскостям. При этом пальцы 8 не выходят из зацепления с ползунами 9. Гидравлический привод стержней. Гидравлический привод представляет собой цилиндр двойного действия, установленный чаще всего на подвижной, а в некоторых случаях и на неподвиж- неподвижной полуформе. Цилиндр приводится в действие от золотника ма- машины или специального распределительного устройства. В послед- последнем случае движение стержней не связано с движением пресс- формы, они могут перемещаться в любой момент, а также и при закрытой пресс-форме, что является преимуществом этого при- привода. В большинстве конструкций современных машин преду- предусмотрен гидравлический привод стержней и выталкивателей. В гидроцилиндре / поршень 2, снабженный манжетами 3 и сальником 4 (рис. 4.18, а), двигаясь под давлением рабочей жид- жидкости, вводит стержень 8 в рабочую зону пресс-формы. При пе- переключении золотника (вручную или автоматически) поршень под давлением жидкости, поступающей в штуцер обратного хода, пе- перемещается влево и выводит стержень 8 из отливки. Поршень гидроцилиндра заканчивается выступающим штоком 5, буртик которого соединяется с буртиком хвостовика стержня или пол- ползуна муфтой 6. Разрезная муфта очень удобна в эксплуатации, так как позволяет легко разъединять стержень и поршень при- привода. Гидроцилиндр с помощью резьбы ввертывают в кронштейн 7, который, с свою очередь, болтами крепят к обойме пресс-формы. Если при использовании гидроцилиндров нет надежных за- запирающих устройств, то возможен отход стержней под давлением 143
144 Ppc. 4.19. Замковые механизмы для фиксации подвижных стерж- стержней жидкого металла, что может вызвать нарушение размеров отливки и поломку пресс-формы. Этот недостаток исключается при уста- установке шарнирно-рычажных гидравлических механизмов. В шарнирно-рычажном гидравлическом механизме (рис. 4.18, б) для фиксации стержней в пресс-форме шток 9 гидроцилиндра 10 двойного действия соединен через регулировочный винт с тягой 17 и через ось 18 с шатуном 16, на другом конде которого посажены на одну ось шарниры 12 и 14. Шарниры соединены с помощью опорной плиты 15 на пресс-форме. При опускании штока 9 ша- шатун 16 движется вниз. Шарнир 12, жестко закрепленный в кор- корпусе 13, совершает только вращательное движение, а шарнир 14 — вращательное и поступательное движения, перемещая ползун // вместе с закрепленным в нем стержнем. При крайнем нижнем поло- положении шатуна 16 шарниры 12 и 14 встают в распор, что обеспечи- обеспечивает жесткую фиксацию стержня в пресс-форме. Замковые механизмы. Эти механизмы применяют для надеж- надежной фиксации подвижных стержней в рабочем положении во время заполнения- оформляющей полости металлом. В пресс- формах применяют несколько конструкций замковых механизмов. На рис. 4.19, а показан замковый механизм, помещаемый снаружи и привернутый болтами к пресс-форме. Он имеет уста- установочные штифты и крепится болтами с наружным шестигран- 145
ником. Угол наклона замка на 1° больше угла а наклона клина. Такие замковые механизмы применяют при малых усилиях вы- вытягивания стержней. Конический замковый механизм на клине-пальце (рис. 4.19, б) используют при близком расположении деталей и отсутствии места. Рекомендуемый угол наклона клина 12—15°. Конические замковые механизмы применяют в пресс-формах не очень боль- больших размеров при малых усилиях по оси стержня. Пальцевый замковый механизм (рис. 4.19, в) используют при наличии свободного места для его размещения в неподвижной обойме и ползуне в случае применения реечного механизма извле- извлечения стержня. Пальцевые замки рекомендуется применять при небольших усилиях вытягивания. Замковый механизм, выполненный как одно целое с непод- неподвижной обоймой (рис. 4.19, г), применяют при симметричном расположении боковых стержней и ползунов больших размеров по обеим сторонам пресс-формы. Для уменьшения износа наклон- наклонных поверхностей таких замков их армируют стальной пластиной. Врезной замковый механизм (рис. 4.19, д) следует использо- использовать для длинных плоских ползунов при больших усилиях извле- извлечения стержней. В гидравлическом приводе при больших уси- усилиях вытягивания замковый механизм рекомендуется выполнять за одно целое с подвижной обоймой (рис. 4.19, ё). При реечной подаче стержня под углом к плоскости разъема используют клавишный замковый механизм (рис. 4.19, ж). Угол поворота замка / регулируется винтами 3 и перемещением упора 2. Механизм для фиксации стержней при раскрытии пресс-формы. Одним из недостатков клиновых и реечных механизмов является то, что клин-палец и неподвижная рейка могут при раскрытии пресс-формы выходить из зацепления с ползунами. Для предотвра- предотвращения поломки деталей механизмов и применяют различные фиксаторы ползунов в крайнем выдвинутом положении. При движении ползуна вертикально вниз его фиксация осу- осуществляется кронштейном или упорным винтом в подвижной обойме. Для закрепления ползуна в крайнем верхнем положении при раскрытии пресс-формы можно использовать пружинные фиксаторы (рис. 4.20, а). Эти фиксаторы состоят из элемента /, имеющего сферический или конческий конец, входящий в отвер- отверстие ползуна, которые расположены друг от друга на расстоянии хода. Фиксатор поджимается пружиной 2, натяг которой регу- регулируется пробкой 3. Такие фиксаторы не всегда обеспечивают надежное удержание ползунов во время работы. Дело в том, что при выдвижении пол- ползун приобретает определенную скорость. Для реечной передачи она равна скорости движения стола машины. При клиновой пе- передаче скорость меньше и зависит от угла наклона клина. Чем больше масса и скорость ползуна, тем большую кинетическую энергию он получит после выхода из зацепления с рейкой или 146 5) ») Рис. 4.20. Механизмы для фиксации ползунов в раскрытой пресс-форме с клином-пальцем. В результате ползун по инерции проскочит положение фиксации. Если при его обратном движении величина сжатия пружины окажется равной глубине утопания головки фиксатора, то ползун проскочит и упадет, повредив оформляю- оформляющую часть стержня или вкладыша. Для устранения инерцион- инерционного действия ползуна рекомендуется устанавливать внешние (рис. 4.20, б) или внутренние (рис. 4.20, в) пружины, разжимаю- разжимающиеся при выдвижении ползуна. Фиксаторы такой конструкции можно использовать только для ползунов, имеющих небольшой ход. Механизм для выталкивания отливок. Механизм выталкивания обеспечивает удаление отливки из полости пресс-формы непо- непосредственно после ее формообразования. Существуют следующие виды выталкивания отливки из пресс-формы: выталкивание Не- Непараллельно движению стола машины, выталкивание с помощью подвижной плиты, выталкивание через специальные приливы и выталкивание после предварительного отвода выталкивателей. Механизм выталкивания отливки непараллельно движению стола машины применяют в том случае, если стержень (стержни) имеет поднутрения в направлении, перпендикулярном направ- направлению движения пресс-формы. Такое выталкивание возможно при условии, что угол между направлением движения и направ- 147
Рнс. 4.21. Способ выталкивания отлнвкн через прнлнвы лением выталкивания составляет не более 20°. Для того чтобы уменьшить силу трения во время перемещения плит выталкивате- выталкивателей, в местах соприкосновения толкателей машины с прижим- прижимной плитой помещают ролики. Механизм выталкивания с по- помощью выдвижной плиты ши- широко применяют в многогнездных и одногнездных пресс-формах для снятия тонкостенных отливок с крупных стержней. Выталкивание отливок через приливы используют в том слу- случае, когда нет возможности вытолкнуть отливку непосредственно выталкивателем или требования к ее поверхности не позволяют оставлять следы от выталкивателей. В этом случае делают спе- специальные технологические приливы (рис. 4.21, а), которые сое- соединены с отливкой перемычкой высотой не более 1,5 мм, укреплен- укрепленной ребром жесткости /. В других случаях в этом приливе де- делают поднутрения 2 (рис. 4.21, б). После выталкивания отливку сдвигают с поднутрения и удаляют. Механизмы предварительного отвода плит выталкивателей применяют в тех случаях, когда боковые ползуны или стержни пересекаются с выталкивателями в момент закрытия пресс-формы. Используют три конструкции таких механизмов. На рис. 4.22, а показан механизм предварительного отвода плит выталкивателей // серьгой 8 с роликом 6. К неподвижной половине пресс-формы крепят болтами 3 и фиксируют штифтами 2 толкач / со скосом 30° на конце. В подкладной плите 12 делают окно, в котором монтируют серьгу 8. Один конец серьги нахо- находится в ушке на оси 9. На свободном конце серьги на оси 7 рас- расположены один или два ролика б. Если серьга имеет два ролика, то один из них соприкасается с толкачом /, а другой — с закален- закаленной планкой 5, укрепленной на плите //. Наличие двух роликов объясняется тем, что во-первых, при работе они вращаются в раз- различных направлениях, во-вторых, при большом ходе выталки- выталкивания один из них попадает в прорезь в скобе 4. В случае уста- установки одного ролика он одновременно катится по толкачу / и планке 5. Механизм с одним роликом проще по конструкции, и имеет меньшие размеры. Для предохранения отжима толкача 1 на подкладной плите 12 крепят упорную скобу 4. На пресс-форме устанавливают два таких механизма — один против другого (или по диагонали). Если механизм предвари- предварительного отвода выталкивателей предназначен для пресс-формы с клиновым механизмом извлечения стержней, то его следует при- применять в том случае, когда расстояние Нх между стержнем и вы- выталкивателем определяется неравенством Нх < lx ctg а, где 1Х — длина отрезка стержня, на котором он может столкнуться с вы- 148 в) Рис. 4.22. Механизмы для предвари- предварительного отвода плит выталкивате- выталкивателей талкивателем; а — угол на- наклона клина-пальца. При использовании для извлечения стержня рееч- реечного механизма (рис. 4.22, б) величину Hi определяют из условия Ях < 1Х + Н8, где Н8 — холостой ход непо- неподвижной рейки в начале раскрытия пресс-формы. Если Нг > lx ctg а и Н\ ^ 1Х + #з. то форму мо- можно изготовлять без меха- механизма предварительного от- отвода выталкивателей. Расстояние между осями серьги и ролика выбирают исходя из конструктивных соображений. Угол р* наклона оси серьги к подкладной плите должен быть не более 45°, расстояние вылета ролика х — не более 4 мм, а ход Н2 плиты выталкивателя должен быть на 2—5 мм больше, чем необходимо для выталкивания. Описанный механизм прост в изготовлении и надежен в работе. Механизм предварительного отвода плит выталкивателей с по- мЪщью ползуна работает следующим образом (рис. 4.22, в). В неподвижной части пресс-формы установлен толкач 13 со ско- 149
сом 45° на конце. Длина толкача на 2—8 мм меньше длины всей пресс-формы. В подкладной плите 18 закреплен замок 15 со ско- скосом 45° на конце. Толкач и замок фиксируются шпонками. В гнезде плиты 16 выталкивателей установлен ползун 14 со скосом 45° с двух сторон. В плитах имеются отверстия, соответствующие диаметрам толкача и замка. При закрытии пресс-формы тол- толкач 13 упирается скосом в ползун 14, скользящий по замку 15 и отводит плиту 16 на величину полного хода выталкивателей. При этом боковой стержень входит в полость пресс-формы, не сталкиваясь с выталкивателем. При дальнейшем закрытии пресс- формы плита 16 вместе с прижимной плитой доходит до плиты 17 основания, а полаун 14, соскользнув с замка 15, отодвигается тол- толкачом в сторону. При раскрытии пресс-формы толкач 13, скользя по ползуну 14, заставляет его упираться скосом в замок 15, что исключает возможность перемещения плиты 16. Происходит заде- задержка выталкивания до раскрытия пресс-формы, пока стержень не выйдет из опасной зоны. После этого толкач 13 освобождает ползун 14. Под действием скоса замка 15 он отодвигается в сто- сторону толкача и скользит по нему, а плита 16 вместе с выталкива- выталкивателями удаляет отливку. Механизм отвода выталкивателей ползуном рекомендуется использовать при ходе выталкивания до 50 мм. Его изготовляют из нормализованных деталей. Этот механизм можно применять для пресс-форм с клиновыми и реечными механизмами извлече- извлечения стержней. При большом ходе выталкивания увеличивается длина толкача, а в результате и размеры пресс-формы, поэтому в указанном случае следует применять механизмы предваритель- предварительного отвода выталкивателей серьгой с роликом. Описанные выше и другие механизмы использованы и в неко- некоторых новых конструкциях пресс-форм. По данным В. М. Кай- нова и др., хорошие результаты получены при внедрении пресс- форм для кронштейнов и крышек из магниевых сплавов. Пресс- формы снабжены гидравлическим приводом стержней с дифферен- дифференциальной схемой включения. Для удобства обслуживания и повы- повышения стабильности работы подвижный стержень не имеет Т-об- Т-образных направляющих и закрепляется на штоке стержнеизвле- кателя быстросъемной муфтой. Это позволяет в случае попадания металла под подвижный стержень быстро снять его и удалить металл без демонтажа пресс-формы с машины. Для предотвраще- предотвращения отжима подвижного стержня в момент запрессовки пресс- форма имеет клиновой замок с регулируемым запорным клином (рис. 4.23, а). Запорный клин 3 прямоугольного сечения прохо- проходит через матрицу 2 и запирает подвижный стержень / рабочей плоскостью, имеющей уклон 15°. У запорного клина 3 имеется резьбовой хвостовик, на который навинчивается гайка 4. В мат- матрице 2 имеется наз глубиной, равной высоте гайки. Конфигурация паза обеспечивает свободный доступ и поворот гаечного ключа на 90°. 150 151
Малые диаметры отверстий D,2 мм) и бобышек A0 мм) предо- предопределили применение стержней и трубчатых выталкивателей специальной конструкции (рис. 4.23, б). Стержень 9 вводится в паз трубчатого выталкивателя 6 и вставляется цилиндрической частью в посадочное отверстие. Стержень 9 имеет плоский хвосто- хвостовик, который выступает на 6 мм и служит для закрепления стержня в пресс-форме, препятствуя прогибу внутрь ослабленного пазом участка выталкивателя. Буртик выталкивателя оформляется го- головкой специального винта 5. В плите 8 расположена втул- втулка 7. Для крепления подвижной полуформы к машине применяют специальные болты с эксцентриком (рис. 4.23, в). Порядок крепле- крепления следующий: болт 12 вводят в паз плиты машины 13 и паз фор- модержателя //, на болт навинчивается гайка 10, болт 12 за квад- квадратную головку поворачивают по часовой стрелке до упора в фор- модержатель //, после чего окончательно затягивают гайку 10. Пресс-форма, показанная на рис. 4.23, г состоит из подвиж- подвижной 14 (рис. 4.23, г) и плавающей 15 полуформ, неподвижных плит 16 и 17, стержней 18 отрыва литниковой системы, установлен- установленных соосно с литниковыми втулками 19. Подпрессовка обеспечи- обеспечивается пресс-поршнем центральной массивной части отливки. Пресс-остаток и литниковая система автоматически отделяются при раскрытии формы. При запрессовке металл, проходя через литниковую втулку 20 по литниковым каналам, образованным стержнем 18 и литниковыми втулками 19, заполняет полость пресс- формы. После кристаллизации металла пресс-форма раскрывается. За счет усилия: передаваемого пресс-поршнем, плавающая полу- полуформа 15 отходит от неподвижной плиты 16. Стержень для отрыва литника, закрепленный между неподвижными плитами 16, 17, удерживает литник фигурным выступом, литник вместе с пресс- остатком отделяется от отливки. Восьмигнездная форма, разработанная А. А: Щеголевым, пока- показана на рис. 4.23, д. Стержни 23 и 26, установленные в пуансо- пуансонах 27 под углом к вертикальной оси и подвижно связанные штиф- штифтами 22 и 25 с плитой выталкивателей 24, оформляют в отлив- отливках 28 и 29 боковые отверстия, при этом стержень 26 образует еще и внутреннюю фаску. В конце раскрытия пресс-формы под дей- действием упоров постамента или машины плиты выталкивателей 21 и 24 идут вверх, а стержни 23 и 26, перемещаясь под углом, выво- выводятся один наружу, другой внутрь отливки. При этом стержни выполняют еще и функцию выталкивателей. Стержни 23 и 26 устанавливаются в пазах пуансона 27 с максимальным зазором 0,08 мм (на сторону) и перемещаются без изменения этого зазора. Такой зазор устраняет опасность образования задиров, обеспе- обеспечивает вентиляцию формообразующей полости и предохраняет эту полость от попадания облоя и других мелких твердых частиц. Конструкция пресс-формы должна обеспечивать поступление смазочного материала на штифты 22 я 25 я стержни 21 и 22. 152 4.2. РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ОФОРМЛЯЮЩЕЙ ПОЛОСТИ ПРЕСС-ФОРМЫ Размеры оформляющей полости рассчитывают с целью получения отливок с заданной степенью точности. Методика расчета осно- основана на анализе структурных полей рассеяния размеров отливок. Структурная схема полного поля рассеяния охватываемого раз- размера гнезда пресс-формы приведена на рис. 4.24, а. При построе- построении этой схемы за исходный принят размер гнезда L$ при 20 °С, являющийся одновременно наименьшим и номинальным для пресс- формы Ьфплп и для отливки L0TJj.H0M (линия О—О), при условии допуска на изготовление размера отливки, направленного «в тело» согласно системе отверстий. Наибольшее значение размера гнезда формы ?фШах при этой же температуре берется по верхнему пределу допуска бизг на изготовление и наибольшему допускае- допускаемому износу бизн пресс-формы. Построив от линии О—О поля допусков бизг и бизн получим наибольшее значение гнезда Ьф шах. От линии О—О откладывают также допускаемое отклонение бдр других факторов (уклонов и пр.). Отложив от ?фтах некоторую величину х, характеризующую увеличение размера гнезда в связи с температурным расшире- расширением, получим наибольшее (линия /—/) и наименьшее (линия 2—2) значения размера гнезда пресс-формы при заданной рабочей тем- температуре ?ф. р. Абсолютное значение х принято равным для Ьфтах и Ьф ш1п, так как температурное изменение, представляющее собой разность этих размеров, незначительно. По этой же при- причине можо пренебречь изменением размера гнезда, вызванным колебаниями температуры. Установив предельные значения размеров гнезда пресс-формы, найдем наибольшее и наименьшее значения охватываемого раз- размера отливки. Наибольшее значение L0TJ1 шах будет при наиболь- наибольшем размере гнезда и наименьшей действительной усадке; наи- наименьшее значение размера отливки 10ТЛ тШ будет при обратном 1 1 И" \ - \ 1 4 4 n У/, 7 M I Риб. 4.24. Структурные схемы полей рассеяния размеров: q —. гнезда пресс-формы; б — стержня; в —¦ межосевого расстояния; А я Б — размеры гнезда (стержня) соответственно при рабочей температуре (. я 20 °С 153
4.3. Формулы для расчета исполнительных размеров оформляющей полости пресс-формы Эскиз ¦Z7///77. fa —' // 4/77/// ¦ , .¦ У/. < чЧЧ*- 154 Охватываемый размер отливки, выполняемый в од- одной части пресс- формы, не свя- связанной с разъ- разъемом Характеристика размера отливки Охватываемый размер отливки, связанный с разъ- разъемом пресс-формы Охватывающий размер отливки, оформляемый не- подвнжиым стержнем Формула "f" = ^-о "f" +¦ 100 0,76 ОткрЕггый размер отливки, не свя- связанный с разъ- разъемом пресс-формы = ^-от i 100 Продолжение табл. 4.3 Эскиз Характеристика раамера отливки Формула Охватываемый размер сквозного отверстия отлив- отливки, связанный с разъемом пресс- формы Ьф + бизг = : *-отл. ном ( 1 Охватывающий размер глухого отверстия отлив- '-ф "изг '— ~ *-отл. ном I 1 + +тж) + 0-76 Размер между осями отливки ""Г ' Ли 100 Размер отливки между отверстия- отверстиями и торцовой частью подвиж- подвижного стержня ± биаг = -отл. ном — бст_\ /, , _^Р_ ~2 / \' г00 условии, т. е. при L$ mln и наибольшей усадке, равной расчетной усадке лср. При одностороннем расположении допуска 6 «в тело» наибольший размер отливки — номинальный, Искомый исполнительный размер оформляющего гнезда пресс- фррмы ь* == L отл. ном 4- Y — 155
Рис. 4.25. Порядок простановки исполнительных размеров пресс-формы После замены бизи + SHP = 0,76 и расчетной усадки хр чением расчетного коэффициента усадки Кр имеем зна- ->отл. иом A + ЛГр/ЮО) — 0,76. Коэффициент 0,7 перед допуском должен обеспечивать получение действительного размера отливки в нижней половине поля до- допуска, что позволит увеличить срок службы пресс-формы, так как увеличивается допускаемое поле на ее износ. Построив аналогичные структурные схемы для охватываю- охватывающих размеров (рис. 4.24, б), выполняемых в пресс-форме стерж- стержнями, и для межосевых расстояний (рис. 4.24, е), получим фор- формулы для расчета исполнительных размеров стержня = Lo 0,76 и межосевого расстояния Эти формулы выведены для расчета размеров, оформляемых в одной части пресс-формы. При оформлении отливок в обеих полуформах или подвижными стержнями необходимо учитывать дополнительные допуски на зазоры между подвижными частями полуформ бх и стержней бст. Формулы для расчета исполнитель- исполнительных размеров, оформляемых различными частями пресс-формы, приведены в табл. 4.3. При определении исполнительных размеров полости пресс- формы сначала по чертежу детали делают чертеж отливки, на ко- торрм указывают оптимальные плоскости разъема, места вытал- выталкивания, подвода питателей и отвода соединительных каналов 156 к промывни|сам. На обрабатываемых плоскостях отливки допу- допускаются отпечатки от выталкивателей или выступы до 1 мм, а на необрабатываемых — выступы или углубления до 0,5 мм. В по- последнем случае глубина отпечатков должна быть указана на чер- чертеже. Нормы точности на размеры отливок и коэффициент усадки металла выбирают по таблицам, приведенным в гл. 2. Сложные по конфигурации отливки имеют большое число раз- размеров, выполняемых несколькими оформляющими деталями, вы- вычерченными на разных листах чертежей. Это создает большие труд- трудности при расчете размеров пресс-форм. Чтобы исключить эти трудности, рекомендуют перед простановкой исполнительных раз- размеров на оформляющих деталях выполнить по чертежу отливки (рис. 4.25, а), так называемый условный литейный чертеж от- отливки, отображающий полость пресс-формы (рис. 4.25, б). Раз- Размеры в условном чертеже отливки рассчитывают по формулам из табл. 4.3. Затем эти размеры переносят на чертежи оформля- оформляющих деталей пресс-формы (рис. 4.25, в).
5 КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ В условиях литья под давлением, когда отливка формируется за период, исчисляемый сотыми и тысячными долями секунды, необ- необходимо осуществлять строгий контроль и запись основных техно- технологических режимов процесса. В этих целях современные машины оснащают датчиками, измерительными или измерительно-запи- измерительно-записывающими приборами. Так называемая «приборизация» машин позволяет повысить качество отливок, уменьшить процент брака, сократить время, требующееся на освоение новых форм при изме- изменении номенклатуры отливок. Главным преимуществом приборизации является стабилизация технологических режимов процесса, которая ведет к стабилизации качества продукции, одновременно повышая срок службы форм, машин и вспомогательного оборудования. Контроль режимов дает возможность корректировать значения отдельных параметров за- заполнения и подпрессовки путем совершенствования литниково- вентиляционной системы, системы охлаждения форм и схемы управления машиной. 6.1. КОНТРОЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И СКОРОСТИ ПРЕСС-ПЛУНЖЕРА Контроль и регулирование скорости перемещения пресс-плунжер а является важнейшим фактором обеспечения качества отливок, повышения производительности труда и внедрения автоматизации. Основным классификационным признаком средств контроля скорости прессования можно считать конструкцию датчика, фикси- фиксирующего перемещение или скорость движения пресс-плунжера. По принципу действия датчики можно подразделить на 11 групп: фотоэлектрические (инфракрасные) скорости и перемещения; индуктивно-частотные скорости и перемещения; угловые потенцио- метрические перемещения; магнитоэлектрические линейные ско- скорости; магнитоэлектрические угловые скорости; тахогенераторные скорости; электро- и миллисекундные (в том числе с использова- использованием электросекундомера); емкостный перемещения и скорости; ультразвуковой скорости; реохордный перемещения; механичес- механический скорости. 158 Приборы для контроля перемещения и скорости пресс-плун- пресс-плунжера могут быть стационарными, установленными на машине, или переносными. Переносные приборы обычно входят в общий измерительный комплект, которым пользуются технологи и налад- наладчики при освоении технологии изготовления новой отливки или выборочном контроле технологических режимов. Стационар- Стационарные приборы предназначены главным образом для опе- оператора. Разнообразие анализируемых конструкций приборов контроля хода прессующего плунжера вызвано стремлением к автомати- автоматическому или полуавтоматическому регулированию скорости прес- прессования на отдельных этапах процесса. Системы автоматического регулирования требуют замера перемещения и скорости плун- плунжера. Переходя к рассмотрению конструкций различных приборов, необходимо учитывать назначение графиков путь — время и ско- скорость —время, записанных датчиками скорости. Наиболее полную и удобную для анализа картину процесса прессования дает сово- совокупность путевых и скоростных графиков. В этом случае без дополнительных расчетов можно определить значение скорости в любой фиксированной точке перемещения прессующего поршня. Для получения этих данных применяют комбинированные при- приборы, дающие возможность записывать на ленту осциллографа сразу два графика, или два отдельных датчика перемещения и ско- скорости. Для исследования изменения скорости прессования в процессе заполнения формы достаточно иметь запись графика скорость— время. По этому графику можно определить взаимосвязь между гидравлическими сопротивлениями в форме и динамическими ха- характеристиками прессующего узла. Для оперативного контроля скорости перемещения плунжера удобен путевой график, для получения которого используют датчики простой и надежной конструкции. Имея эталонный график путь—время, оператор может регулировать по нему работу машины до тех пор, пока не будет получено удовлетворительное совпадение графиков, обеспе- обеспечивающее заданное качество отливки. Абсолютные значения ско- скорости в данном случае не имеют существенного значения. Эта- Эталонный график фиксируется после окончания освоения новой формы и установления технологических режимов. Фотоэлектрические и электросекундные датчики скорости и перемещения. Датчик перемещения и скорости пресс-плунжера, изготовляемый МПО «Точлитмаш» им. С. М. Кирова, имеет два канала. В каждом канале расположен инфракрасный излуча- излучатель, который подключен на вход усилителя. Подвижная рейка с прорезями, жестко укрепленная на пресс-плунжере, периоди- периодически перекрывает оптические оси обоих каналов. В зависимости от расстояния между оптическими осями возможны различные режимы работы датчика. 159
4 1 0\ f\ ;—^ \n/c ,6 v Рис. 5.1. Схема прибора дли контроля средней скорости пресс-плунжера фирмы Wotan (ФРГ) Электро- и миллисекундные датчики скорости основаны на измерении времени прохождения закрепленного на штоке под- подвижного элемента от одной фиксированной точки к другой. Эти датчики наиболее приемлемы для контроля средней скорости* прессования на любом участке хода поршня в производственных условиях. Их собирают из стандартных, серийно изготовляемых дешевых элементов. Электросекундные датчики в виде стандарт- стандартных электросекундомеров устанавливают на некоторых маши- машинах, изготовляемых ПО «Сиблитмаш». Электросекундомеры реко- рекомендуется применять при скоростях прессования ниже 2 м/с. Интересна конструкция электросекундомера, смонтированного в одном блоке с круговым датчиком перемещения [34, 35]. Прибор позволяет определить как среднюю, так и истинную скорость пере- перемещения прессующего поршня. Принцип работы прибора заклю- заключается в следующем. Шкив прибора тросом соединяется с повод- поводком, укрепленным на штоке поршня. Со шкивом связан барабаа, имеющий токопроводящую шину. Цепь замыкается через пру- пружинящий электроконтакт. При вращении шкива изменяется сопротивление потенциометра, записываемое на осциллограмме в виде графика путь—время. Шина и пружинящий контакт исполь- используются для включения электросекундомера. При постоянной 160 Щ 0 Рис. 5.2. Сиемы индуктивно-частотны» датчиков к устройств: / — датчик; 2 — преобразователь; 3 — стрелочный прибор; 4 — рейка; 5 — индук- индуктивный датчик; 6 — шток; 7 — верхняя втулка; 8 — обмотка; 9 — корпус обмотки; 10 — магнит; // — элемент крепления магнита; 12 — нижняя втулка длине шины средняя скорость прессования будет определяться временем замыкания контакта и шины, которое измеряется элек- электросекундомером . На рис. 5.1 показана схема прибора Velocator фирмы Wotan (ФРГ) для контроля средней скорости пресс-плунжера. Скорость измеряется на заданном участке хода на расстоянии 15 мм между контактами 2. Импульсы тока, вырабатываемые генератором / с частотой 10 кГц, передаются от контактов 2 на счетчик им- импульсов 3, 4 я далее на аналого-цифровой преобразователь 5. Эти цифры регистрируются прибором и указываются стрелкой на индикаторе 6 до тех пор, пока оператор не снимет показания или не повторит замер скорости. Иидуктивно-частотиые датчики. В основу прибора, изготов- изготовленного в ПО «Сиблитмаш» для машин, положен частотный прин- принцип измерения максимальной скорости. При движении рейки 4 (рис. 5.2, а) относительносердечника датчика 1 его магнитное сопротивление периодически изменяется, вызывая изменение магнитного поля, охватывающего сердечник датчика, вследствие чего на выходе из него появляется электрический ток, частота которого прямо пропорциональна скорости перемещения прес- прессующего поршня. Максимальное значение скорости с помощью преобразователя 2 фиксируется стрелочным прибором 3. В связи с тем, что индуктивно-частотные датчики являются механически наиболее жесткими, их рекомендуется применять в системах автоматического регулирования машин. Прибор для контроля скорости и перемещения ИС-2Т, разра- разработанный и внедренный С. Г. Дьяковым с соавторами [46], пред- предназначен для измерения скорости пресс-плунжера в двух произ- произвольно задаваемых точках с цифровой индикацией значений ско- скоростей и толщины пресс-остатка, а также для дискретного измере- измерения, скорости по всей длине контролируемого перемещения с выдачей результатов на регистрирующее устройство либо на ЭВМ. В нем предусмотрена возможность задания граничных зна- 6 Закав 66 161
чений скорости в контролируемых точках, сравнение заданной скорости с действительной. Результаты сравнения выводятся на световые индикаторы. Датчик работает по принципу индуктосина и устанавливается непосредственно в зоне измерения. Подвижная часть датчика (головка) жестко соединяется со штоком пресс- плунжера, а неподвижная часть (линейка) крепится кронштей- кронштейнами на цилиндре. Блок логической обработки может распола- располагаться в стойке с двумя приборами. Предусмотрена работа при- прибора в двух режимах: однократное и дискретное измерения. В первом режиме определяется скорость в заданном интервале времени, во втором — скорость по всей длине контролируемого перемещения пресс-плунжер а. С началом движения пресс-плун- пресс-плунжера на выходе датчика получают данные о положении подвиж- подвижной части датчика относительно точки отсчета, установленной с помощью кнопки установки нуля. На рис. 5.2, б приведена схема использования индуктивного датчика для автоматического регу- регулирования скорости пресс-плунжера. В схеме использованы четыре головки без подвижных частей и пазы на штоке. Наличие пазов приводит к изменению магнитных характеристик штока, что используется для выдачи сигналов положения и скорости штока и связанного с ним плунжера. Пазы расположены с интер- интервалом 1—2 мм. Число импульсов пропорционально скорости штока. Положение штока отмечается через короткие интервалы путем формирования электрических импульсов. Аналогичные дат- датчики используются в последних моделях отечественных машин. Магнитоэлектрические датчики линейной скорости. В группу магнитоэлектрических датчиков скорости объединено несколько конструктивных вариантов. Принцип действия датчика основан на явлении электромагнитной индукции, согласно которому при перемещении постоянного магнита вдоль измерительной катушки с сердечником, в результате пересечения магнитными силовыми линиями витков обмотки, в них наводится электродвижущая сила. За рубежом широко распространены датчики с дифференциаль- дифференциально-трансформаторной системой. Пресс-плунжер связан с сердеч- сердечником, помещенным внутри обмоток дифференциально-трансфор- дифференциально-трансформаторной катушки. Первичный преобразователь и измерительный прибор соединены между собой кабелем. При этом обмотки возбу- возбуждения соединены последовательно и питаются от сети перемен- переменного тока. Вторичные обмотки катушек включены навстречу друг другу через электронный усилитель. Датчик работает по индуктивному принципу; возникающий сигнал пропорционален скорости перемещения сердечника. На рис. 5.2, в приведена схема широко применяемого за рубежом датчика скорости, в кото- котором использован этот принцип. Величина формируемого сигнала пропорциональна скорости перемещения подвижного элемента —* магнита 10. Ввиду того, что ход датчика с дифференциально- трансформаторной системой меньше хода пресс-плунжера, было разработано шарнирно-рычажное устройство, которое в 2 раза 162 6 7 Рис. 5.3. Схемы датчиков для измерения перемещений (а, б) и скорости (в): / — многооборотный угловой потенцнометрнческнй датчик перемещения поршня; 2 — нейлоновая втулка; 3 — шкнвы с ннтью к штоку плунжера; 4—тахогенераторный датчик скорости; 5 — корпус; 6 — кронштейн; 7 — троснк; 8 — однооборотный потенцнометрн- потенцнометрнческнй датчик перемещения; 9 — цилиндр прессования; 10 — магнит; // — подвижный контакт; 12 — обмотка; 13 — упор; 14 — шкнвы для передачи движения от плунжера; /5 — троснк; 16 — пружина; 17 — круговая шина уменьшает длину хода подвижной системы датчика по сравнению с ходом плунжера. На рис. 5.3, в показана схема магнитоэлектрического углового датчика скорости и прибора с вращением ротора в виде магнита 10. При таком конструктивном варианте его удобно применять в одном приборе совместно с угловым потенциометрическим датчиком пере- перемещения. Чувствительность датчика составляет 50 мкА/0,25 В при угловой скорости 42,5 градус/с. Хотя данный датчик пригоден для определения мгновенной скорости, его основные преимуще- преимущества проявляются при контроле максимальной скорости прессо- прессования, причем для этих целей он более удобен, чем другие датчики скорости. Тахогенераторные датчики скорости. В этих датчиках враща- вращательное движение преобразуется в электрический ток, напряжение которого пропорционально частоте вращения. Эти датчики успешо применяют на машине для литья блоков цилиндра авто- автомобильных двигателей на Заволжском моторном заводе. На их основе во ВНИИлитмаше (г. Москва) был разработан прибор для измерения максимальной скорости прессующего плунжера. Кон- Конструкция этого прибора аналогична конструкции комбинирован- комбинированного прибора с угловым потенциометрическим датчиком переме- перемещения (рис. 5.3, б, в). В обоих приборах приводной шкив связан 6* 163
с прессующим плунжером стальной нитью, которая возвращается в исходное положение при обратном ходе поршня Специальной пружиной. Тахогенераторный датчик связан со стрелочным при- прибором, отмечающим максимальную скорость прессования. Тахо- генераторные датчики рекомендуется использовать при высоких скоростях перемещения прессующего плунжера, когда некоторые магнитоэлектрические линейные датчики скорости искажают реальный характер графика скорость—время. Угловые потенциометрические датчики перемещения. Кон- Конструкции таких датчиков для машин литья под давлением впервые разработаны в СССР [34]. Датчик преобразует угол поворота чувствительного элемента в электрическое сопротивление г. Зна- Значение г на выходе датчика зависит от положения токосъемного подвижного контакта и определяется зависимостью г = Rap, где R — радиус контактной рукоятки; а — угловое перемещение токосъемного контакта; р — удельное сопротивление материала проволоки. Чувствительность датчика определяют по формуле dr/da = Rp. На рис. 5.3, в представлен комбинированный прибор для контроля перемещения плунжера с помощью углового потенцио- метрического датчика перемещения. Прибор имеет механическую систему для быстрого монтажа на машины разных типов и марок. На корпусе прибора смонтирован переключатель для автоматиче- автоматического включения осциллографа на фотографирование или про- протяжку пленки в любой требуемый момент времени. На приборе кроме датчика перемещения смонтирован магнитоэлектрический датчик скорости мод. ДОСС-2. Привод датчиков осуществляется через сменные шкивы. Через эти шкивы проходит нить, которую либо привязывают непосредственно к траверсе машины, либо привязывают непосредственно к траверсе машины, либо к специ- специальному поводку в виде ножа.Для записи хода плунжера прибор можно модернизировать, добавив устройство типа электросекун- электросекундомера, фиксирующего среднюю скорость. По сравнению с реохордными потенциометрические датчики обеспечивают универсальность установки на машины различных типов, более высокую точность и возможность измерения очень длинных ходов с использованием либо многооборотных угловых потенциометров, либо редукторов. Для начала измерения пути могут использоваться быстродействующие герконы (магнитоупра- вляемые контакты). Флажок с постоянным магнитом крепится на шкиве. Эксплуатация потенциометрического датчика скорости перемещения показала, что при использовании современных электронных преобразователей можно существенно увеличить информацию, получаемую визуальным или графическим способом. Например, данные можно получать в цифровом виде. По величине 164 Рис. 5.4. Схема ультразвукового дат- датчика для измерения перемещения и скорости: , , / — электрический импульс; 2 — постоян- постоянный магнит; 3 — волновод; 4 — медный стержень; 5 —¦ ультразвуковой импульс перемещения определяют дифференциальную скорость (при этом отпадает необходимость иметь отдельный датчик скорости и уско- ускорения). Однако в этом случае прибор усложняется. На рис. 5.3 представлены конструктивные элементы современ- современных приборов с магнитоэлектрическим датчиком скорости и потен- потенциометр ическими одно- и многооборотными датчиками перемещения. Отметим, что использование приборных комплектующих эле- элементов массового производства имеет много преимуществ по надежности и стоимости. Например, перспективно применение автомобильного трехфазного генератора, частота импульсов кото- которого пропорциональна скорости вращения шкива или, другими словами, скорости перемещения пресс-плунжера. При освоении серийного производства данный генератор будет сблокирован с потенциометрическим датчиком, как в приборе, показанном на рис. 5.3, а. В итоге формируется высокоэффективный и деше- дешевый комбинированный датчик и прибор скорости—перемещения. В нем может применяться блок потенциометрических датчиков упрощенного типа, которые изготовляют для систем подготовки топлива в автомобилях. Ультразвуковой датчик. Действие ультразвукового датчика перемещения и скорости основывается на принципе магнитострик- ции ферромагнитных материалов [93]. Датчик, показанный на рис. 5.4, состоит из волновода, в середине которого проходит медный стержень, служащий проводником тока; он неподвижно соединен с машиной. Постоянный магнит неподвижно соединен со штоком пресс-плунжера и движется вместе с ним. Если на конец медного стержня поступает импульс тока, вдоль стержня начи- начинает двигаться кольцевое магнитное поле. Когда это поле встре- встречается с продольным магнитным полем постоянного магнита, они образуют спиральное поле и создают на время действия импульса тока эффект скручивания волновода. Это скручивание приводит к возникновению ультразвукового импульса, который распространяется по обе стороны волновода. На приемно-пере- дающей стороне Е волновода ультразвуковой импульс вновь пре- преобразуется в электрический импульс. Импульс на противополож- противоположной стороне подавляется. Датчик применяют редко. 5.2. КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ ПРЕССОВАНИЯ Контроль давления прессования способствует стабилизации тех- технологических параметров прессующего механизма, что улучшает качество отливок, снижает их брак. Кривые изменения давления !6Б
рабочей жидкости в цилиндре прессования во многих случаях записываются осциллографическими или самопишущими прибо- приборами совместно со скоростью прессования. Для измерения давле- давления требуются специальные датчики. По конструктивным приз- признакам все датчики измерения давления можно подразделить на следующие группы: манометры, индуктивные, тензометрические и электрические датчики. Датчики могут подавать сигналы на осциллографические приборы для определения мгновенных зна- значений давления или на малоинерционные самописцы для опре- определения значений давления за какой-либо промежуток времени. При выборе датчиков давления необходимо учитывать их инер- инерционность. Наибольшей инерционностью обладают манометры, наименьшей — датчики и приборы с осциллографом. Манометры. Современные машины литья под давлением обору- оборудованы манометрами, указывающими давление в различных точ- точках гидравлической системы. Манометры позволяют регистри- регистрировать средние значения давлений, обеспечивая соблюдение тех- технологических режимов и быстрое обнаружение неполадок в си- системе запирающего и прессующего механизмов. Для крупных машин, а в некоторых случаях и для средних, можно применять самопишущие манометры с записью показаний давления в прес- прессующем цилиндре и мультипликаторе на ленте. Для этих целей можно использовать стандартные самопишущие манометры типа МПЭ-4. Такие манометры установлены на машине ПО «Сиб- литмаш» мод. ЛН-3809 с усилием запирания 30 000 кН. По кривым измерения давления в прессующем цилиндре можно судить о возрастании гидравлических сопротивлений в процессе заполнения и эффективности работы мультиплицирующих уст- устройств в процессе подпрессовки. Кроме того, по величине давления рабочей жидкости в прессующем цилиндре косвенно определяют давление металла в камере прессования или полости формы. Индуктивные датчики давления. Очень широко для измерения и записи величины давления рабочей жидкости применяют индук- индуктивные датчики давления. Они обеспечивают высокую точность измерения. Обычно на машинах литья под давлением устанавли* вают два индуктивных датчика давления типа ДД-Ю иДДИ-20 или датчик ДДИ-21. Датчики устанавливаются в цилиндре прес- прессования и цилиндре мультипликатора. Принцип действия датчика заключается в том, что под давлением рабочей жидкости проги- прогибается мембрана, изменяется зазор и, следовательно, индуктив- индуктивность. Рассматриваемые датчики давления для различных диапа- диапазонов измерения комплектуют с двухканальным индикатором давг ления мод. ИД-2М или ИВП-2. Последний предназначен для пре- преобразования индуктивности и активного сопротивления датчика в электрическое напряжение, передаваемое на шлейф осцилло- осциллографа. Каждый из двух каналов преобразователя можно исполь- использовать для записи кривой изменения давления в цилиндре прес- прессования или мультипликатора. Аппаратура обеспечивает точ- 166 ность измерения до 2% в диапазоне частот до 500 Гц. В зависи- зависимости от величины давления существует 12 типоразмеров датчиков, которые отличаются друг от друга толщиной мембраны. Индук- Индуктивные датчики давления данного типа рекомендуется использо- использовать при исследовании процесса или отработке оптимальных тех- технологических режимов. Тензометрические датчики давления. В настоящее время для измерения и записи величины давления рабочей жидкости в маши- машинах литья под давлением наиболее часто применяют стандартные тензометрические датчики. Поскольку такие датчики требуют менее сложного комплекта аппаратуры, чем индуктивные, они более пригодны для стационарного монтажа на машине и опера- оперативного контроля давления. Датчики конкретной марки выбирают по каталогу в зависимости от диапазона измеряемого давления, Датчики включают в мостовую электрическую схему осцилло- осциллографа или быстродействующего самописца. Обычно их монтируют совместно с низковольтным усилителем. Для стационарных тензо- метрических датчиков целесообразно устанавливать дополнитель- дополнительный вентиль, прекращающий доступ рабочей жидкости к датчику, если он не используется. В НИИСЛе (г. Одесса) разработан и внедрен датчик давления, который применяется для определения натяжения колонн [33]. Он состоит из тензопреобразователя, на упругой части которого расположены деформируемые (рабочие) тензорезисторы, а на утолщенной, не испытывающей деформации, — недеформируе- мые резисторы. На тензопреобразователе закреплены стакан с тер- термокомпенсационными резисторами и корпус. Основным элементом датчика натяжения колонн является гибкая пластина. Деформа- Деформация пластины фиксируется тензоэлементом. На недеформируемом стакане расположены термокомпенсационные резисторы. Усилие на пластину передается через толкатель, жестко закрепленный на гибкой мембране, и шарик. Мембранный потенциометрический датчик давления. Принцип работы датчика заключается в том, что прогиб мембраны воспри- воспринимается рычагом потенциометра или переменного сопротивле- сопротивления. Такие датчики не требуют усилителей напряжения. Для них упрощается или вовсе не требуется тарирование. В то же время точность измерения электрических или, как иногда их называют, потенциометрических датчиков несколько ниже по сравнению, например, с индукционными. В цеховых условиях можно применять стандартные малогаба- малогабаритные датчики давления повышенной точности типа МД-Т. Эти датчики предназначены для дистанционного измерения избыточ- избыточного давления жидкостей. В зависимости от величины измеряемого давления применяют датчики следующих типов: МД-120Т, МД-200Т, МД-400Т. На рис. 5.5 приведены осциллограммы давления в цилиндре прессования, полученные е помощью электрического датчика на 167
Рис. 5.5. Осциллограмме перемещения плунжера (./) и изменения давления ра- рабочей жидкости B) в цилиндре прессования установленной в СССР машине: мод. CLO85-8 (ЧССР) при иссле- исследовании литья под давлением термоупрочняемых сплавов. Одно- Одновременно на осциллограммах записаны кривые перемещения прес- прессующего поршня, по которым подсчитывали скорость прессования. Осциллограммы на рис. 5.5, а получены при скорости прессова- прессования 0,25 м/с, а на рис. 5.5, б — при 0,5 м/с. При возрастании ско- скорости прессования резко увеличивается гидродинамическое дав- давление в начале заполнения формы. Проверка отливок показала, что характер изменения давления, зависящий и от скорости прес- прессования, влияет на качество поверхности и плотность отливок. При выборе прибора для контроля и записи давления рабочей жидкости всегда следует учитывать возможность одновременного измерения других параметров и, прежде всего, скорости прессую- прессующего плунжера. В качестве единого регистрирующего прибора можно использовать электронно-лучевые трубки с приставкой для фотозаписи, осциллографы с приставкой для быстрого проявления ленты и малоинерционные самописцы. Контроль давления в рабочей полости пресс-формы. Контроль давления в рабочей полости формы дает наиболее точную инфор- информацию об одном из главных факторов, определяющих качество отливки. Однако практически осуществить такой контроль гораздо сложнее, чем в гидравлической системе машины. Первоначально применялись трудоемкие и сложные способы наклейки тензодат- чиков на дополнительные выталкиватели или просто стержни, соприкасающиеся с жидким металлом. Затем от наклейки тензо- датчиков отказались. Надежная и оправдавшая себя на практике конструкция дат- датчика фирмы Die Casting (США) приведена на рис. 5.6. Она приме- применяется, в частности, в заводских лабораториях. Давление жид- жидкого металла передается на выталкиватели ) с переходной колод- колодкой 2 из закаленной стали. Затем давление передается на малога- малогабаритный датчик давления. На плите 4 с помощью винтов // 168 крепитея ограничительное кольцо 10 . из закаленной стали. Внутри этого кольца помещается верийный тензо- метричевкий датчик давле^ ния 12 марки РВ-200 НТ, которшй приклеивают эпо- кеидной вмолой к упору 9. Упор поджат пружиной, ко- которая вторым концом может упираться в колодку 8 диа- диаметром 25—30 мм. Послед- Последняя удерживается в требуе- требуемом положении с помощью заглушки 6 с винтами 7. Этим обеспечивается возмож- возможность быстрой установки без разбора основных плит. С целью фиксации про- проводников, идущих К ИЗ- Рис- 5-6- Схема Да™ для измере- „ J ния давления в рабочей полости формы мерительной аппаратуре, используются зажимы 5. Для перемещения выталкивателей используются соединенные между собой плиты 3 и 4. 5.3. КОНТРОЛЬ УСИЛИЯ ЗАПИРАНИЯ Контроль усилия запирания имеет большое значение для обеспе- обеспечения стабильных условий работы машины и формы, поэтому большую часть современных машин средней и большой мощности оснащают датчиками. На некоторых машинах помимо фиксации усилия запирания одновременно контролируют усилие раскрытия при запрессовке металла. Приборы для измерения усилия запирания могут быть исполь- использованы для контроля и автоматического регулирования натяжения колонн. Для этих приборов используют главным образом механи- механические, индуктивные и тензометрические датчики. Приборы кон- контроля усилия запирания выполняют либо в виде стационарных устройств, являющихся частью конструкции запирающего меха- механизма машины, либо в виде переносных лабораторных приспособ- приспособлений, монтируемых на машине в случае необходимости. Обычно для переносных приспособлений применяют тензометрические даичики, которые наклеивают на колонны машины. Применение приборов для контроля усилия запирания позво- позволяет уменьшить облой по плоскости разъема, что повышает точ- точность размеров отливок и сокращает время на очистку формы. При надежном запирании формы можно использовать более высо- высокие скорость и давление прессования, а это повышает качество 169
I Рис. 5.7. Устройство для контроля усилия запирания ПО «Сиблитмаш» (а) и фирмы Die Casting (США) (б): / — индикатор; 2 — обойма; 3 — плита; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — щуп; 7 — направляющие колонны; 9 — составная втулка; 10 — шпонка; // — бронзовая гайка; 12 — установочный кронштейн; 13 — втулка; 14 — резьбовая втулка; 15 — кронштейн; 16—18 — элементы индикатора узла поверхности и плотность отливок. Контроль усилия запирания дает возможность устранить перекосы и перенапряжения отдель- отдельных элементов запирающего механизма, что увеличивает срок службы пресс-форм и машин. Стационарные приборы механического типа. Такие приборы в СССР наиболее распространены. Их преимущества — простота и невысокая стоимость. Недостатки — невозможность исполь- 170 зования для автоматического регулирования и графической записи, относительно низкая точность. На рис. 5.7, а показана конструкция механического устрой- устройства для изменения усилия запирания, применяемого на машинах ПО «Сиблитмаш». Устройство вставляют в ступенчатые отверстия каждой из четырех направляющих колонн машин. Индикатор 1 с. ценой деления 0,01 мм крепят к проушине втулки таким образом, чтобы его мерительный штифт упирался в стержень 6. Индикатор ставят в нулевое исходное положение вращением обоймы при отсут- отсутствии растягивающих напряжений в колонне, т. е. при раскрытой пресс-форме. Стержень 6 через втулку и пружину постоянно прижат к торцу отверстия в колонне через стальной шарик. После закрытия пресс-формы и возникновения в колонне растягивающих напряжений индикатор / покажет деформацию А участка L, являющегося базой измерения. Уеилие Р, воспринимаемое колон- колонной, определяют по формуле где Е —- модуль упругости материала колонии; F — площадь поперечного сечения колонны. Измеряя AL и Р, можно протарировать шкалу прибора, если же такой шкалы нет, то на плите машины должен Находиться тарировочный график перевода делений индикатора в усилие. Стационарные приборы с датчиками индуктивного типа (рис. 5.7, 6) устанавливают на зарубежных машинах, а также на некоторых машинах ПО «Сиблитмаш» в каждой направляющей колонне. Деформации измеряют индуктивным датчиком. Основ- Основными элементами датчика являются электромагнитные катушки, а также якорь. Щуп постоянно прижат к торцу стержня, вставлен- вставленного в глубокое отверстие колонны. При перемещении щупа 6 под влиянием деформации колонны изменяется индуктивность сис- системы, так как изменяется положение якоря относительно кату- катушек. Электрические сигналы поступают на индикаторный прибор, находящийся на панели шкафа электроавтоматики или на рабочем пульте машины. Прибор предусматривает блокировку, а также звуковую или световую сигнализацию, срабатывающую при недо- недопустимых отклонениях от требуемой настройки механизма запи- запирания пресс-формы. Дальнейшим шагом совершенствования машин является создание автоматических самонастраивающихся кон- конструкций запирающих механизмов. Стационарные приборы с тензометр ическими датчиками. Такими приборами' комплектуют современные машины фирмы Wotan (ФРГ). Конструкция прибора предусматривает монтаж группы тензодатчиков на каждой из четырех колонн. Тензодатчики вставляют в пазы колонн и заливают эпоксид- эпоксидной смолой, в которой укрепляют штеккеры для выводов. Тензо- Тензодатчики, включенные по мостовой ехеме, соединены е усилителем 171
Отпускать гайки > /- Норма ^//" Натягивать гай/иЛ^/ ^^ Тревога У^у^" ~заг Начало натяга колонн & I- Рис. 5.8. Кривые изменения усилия запи- запирания машины и операции регулирования и источником питания. Растяжение каждой ко- колонны фиксируется отдель- отдельным стрелочным индика- индикатором. Дополнительно к четырем индикаторам (по числу колонн) на панели установлен пятый прибор, на котором отмечается суммарное усилие запи- запирания. При возникнове- возникновении перегрузки подается световой или звуковой сигнал На некоторых маши- машинах фирмы Buhler (Швей- (Швейцария) предупредительный сигнал используется для автоматической подиалад- ки путем затяжки гаек на колоннах. Принцип действия системы авто- автоматического регулирования усилия запирания Р8ап в зависи- зависимости от величины удлинения AL колонн показан на рис. 5.8. В соответствии с изменением усилия запирания Рзап изменяется диаграмма изменения давления рзап в гидроцилиндре шарнирно- рычажного механизма. Максимальные значения регистрируются и записываются электронным прибором, а затем сравниваются с предварительно выбранными эталонными значениями. Запрес- Запрессовка происходит только при нормальном натяге колонн. Применение приборов для контроля усилия запирания позво- позволяет сделать следующее: уменьшить облой по плоскости разъема и за счет этого повы- повысить точность отливок, уменьшить трудоемкость зачистных работ, улучшить условия техники безопасности; повысить плотность и чистоту поверхности отливки благодаря возможности использования более высоких скоростей и давлений прессования без выброса металла через плоскость разъема формы; повысить срок службы машин благодаря устранению перекоеов и перенапряжений отдельных элементов, механизма запирания; уменьшить возможность поломки и повышенного износа дета- деталей пресс-формы и машины из-за перекосов подвижной плиты и формы; усовершенствовать систему управления участком или цехом путем установки регистрирующих приборов на центральном дис- диспетчерском пункте для централизованного управления. При использовании дополнительных узлов можно контроли- контролировать уеилие запирания, число рабочих запрессовок в час, про- 172 I должительноеть простоев, момент разрегулировки машины. Последний фактор является особенно важным вследствие того, что корректировку можно осуществить заблаговременно, еще до полной разрегулировки и получения бракованных деталей. Помимо перечисленных выше датчиков применяют и другие. Так, может применяться пневмоструйный датчик плотности смы- смыкания полуформ [33]. Однако в большинстве случаев эту функ- функцию, видимо, может выполнять надежно работающий датчик пол- полноты извлечения отливок. 5.4. КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЕСС-ФОРМЫ И ТЕМПА РАБОТЫ МАШИНЫ Для контроля температуры пресе-формы применяют переносные или стационарные датчики. Переносные датчики выполняют в виде контактных термометров или оптических приборов. Стационарные датчики обычно представляют собой термопары, вмонтированные в стенку формы. Они могут соприкасаться с заливаемым сплавом. Датчики температур можно использовать для визуального кон- контроля и автоматического регулирования теплового состояния формы путем ее охлаждения или обогрева. Иногда применяют дат- датчики для подачи светового или звукового сигнала при повышении установленных пределов температур. Разработана конструкция датчика температуры, предназна- предназначенного для измерения температуры поверхности формы. Последо- Последовательность изготовления термопары следующая. Сваривается спай из хромель-алюмелевой проволоки диаметром 0,5 мм. Сва- Сваренная проволока вставляется в двухканальную керамическую трубку («соломку»), которая устанавливается в керамический корпус таким образом, чтобы спай был на уровне его торца. Кор- Корпус нагревают в высокочастотной установке и паяют латунью или припоем на основе железа и марганца g еоответствующими флю- флюсами. После пайки шлифованием удаляют излишки припоя и по- покрывают торец корпуса слоем никеля или хрома толщиной 0,05 мм, который затем полируют. Переносные контактные термопары. Контактные термопары обеспечивают быстрый контроль температуры поверхности формы без каких-либо дополнительных устройств. В этом преимущество контактных термопар, недостатком же является относительно невысокая точность измерения, хотя в большинстве случаев она вполне достаточна для практических целей. Для быстрого измерения температуры форма весьма удобно применять контактный переносной термоэлектрический цифровой термометр ТТЦ-1-02 (НПО «Термоприбор», г. Львов). Стационарные термопары, не соприкасающиеся с жидким ме- металлом. Это наиболее практичный способ в условиях литейного цеха. Термопары можно применять для разового измерения темпе- температуры преее-форм, а также в уетройетвах для автоматического 173
Рис. 5.9. Датчики температуры пресс-формы без соприкосновения (а) и с со- соприкосновением (б, в) с жидким металлом: / — компенсационный блок; 2 — штепсельные разъемы; 3 — вставка термопары; 4 — припой; 5 — термопары; 6 — риббоновые элементы термопары; 7 — изоляционный слой; 8 — слюдяные пластины; 9 — спай; 10 — осциллограмма изменения температуры на ра- рабочей поверхности формы за один цикл; А — компенсирующая схема; Б и В — соответ- соответственно холодный н горячий спаи регулирования их температуры. В обеих полуформах необходимо предусмотреть места для установки датчика температур мод. ТХК-539. Расстояние от торца термопары до формообразующей поверхности составляет 3—5 мм (рис. 5.9, а). Если нет опасений поломки формы, можно повышать чувстви- чувствительность данного метода за счет уменьшения толщины перего- перегородки между торцом термопары и стенкой рабочей полости пресс- формы. Если, например, довести эту толщину до 2 мм, то цикли- циклические изменения температуры будут регистрироваться с доста- достаточно высокой точностью. Однако при этом следует обеспечить точность изготовления гнезда, чтобы исключить возможность повреждения пресс-формы. В настоящее время разработаны вполне надежные способы аргонодуговой заварки дефектов пресс-формы, благодаря чему снижается степень риска преждевременного выхода из строя всей пресс-формы. В цеховых условиях достаточно эффективным оказалось при- применение малоинерционной термопары диаметром 0,5 мм. Она 174 ветавляетея в еверления, не доходящие до рабочей полоети на 1 мм, благодаря чему обеспечивается довольно точная регистра- регистрация цикловш перепадов температур. Термопары, соприкасающиеся с жидким металлом. Такие термопары применяют для измерения температуры контакта на рабочей поверхности формы. Вывод спая термопары на поверх- поверхность обеспечивает высокую точность и главным образом мини- минимальную инерционность, что особенно важно при осциллографи- ческой записи температуры. Основным недостатком этих термо- термопар является низкая стойкость. Термопары, соприкасающиеся е жидким металлом, применяют для контроля параметров, а также для совмещения операции контроля и автоматического регулирования температуры пресс- форм. В установке для контроля и регулирования температуры преее-формы, разработанной организацией ILZRO (США), поверх- поверхностная термопара связана е автоматичееким уетройетвом вклю- включения начала литейного цикла, которое происходит только при охлаждении формы перед заливкой. Схема включения термопары (рис. 5.9, б, в) состоит из трех элементов: горячего спая В, кото- который фиксируется на поверхности пресс-формы, холодного спая Б, выведенного из пресс-формы, и компенсирующего блока А. Пер- Первые два элемента монтируют постоянно в каждой форме, а компен- компенсирующий блок, подключаемвга через штепсельный разъем, является общим для всех форм. Рабочая температура штепсель- штепсельных разъемов не должна превышать 150 °С. В качестве датчика использована хромоникелевая термопара е минимальной толщи- толщиной изоляции, заключенной в трубочку диаметром 1 мм. На рабо- рабочей поверхности формш торец термопары шлифуют вмевте со вставкой, образуя спай. Термопари диаметром более 1 мм обла- обладают повышенной инерционностью A с и более). Для монтажа термопары можно использовать обоймы и непо- неподвижные стержни. При отсутствии етержня в форму монтируют специальную вставку. В качестве таких вставок применяют вытал- выталкивающие штифты. Для запайки термопар используют припой порошкообразный, который запрессовывается вместе с термопарой в отверстие вставки. Затем вставки нагревают в печи в среде аргона при 1050 °С в течение 5—15 мин и быстро охлаждают в среде аргона. На рис. 5.9, в показана конструкция поверхностного датчика температуры с использованием серийной «риббоновой» термопары фирмы Nanmac (США). Термопара имеет очень малую инерцион- инерционность (менее 10 мс) благодаря применению ленточншх элементов толщиной 0,025 мм. Каждый элемент покрыт слоем изоляции толщиной 0,005 мм. Термопара находится в корпусе из того же материала, что и форма. После установки корпуса его шлифуют заподлицо с рабочей поверхностью формы. В процессе шлифова- шлифования торцш риббоновшх элементов еоединяютея между вобой, обра- образуя малоинерционнн!Й епай. 175
К осциллографу 4 Рис. 5.10. Сжема измерения температуре металла в оформляющей полости ра- вовыми термопарами: / — термопара; 2 — подвижная полуформа; 3 — прокладка; 4 -*- неподвижная полу- полуформа Разовые термопары, соприкасающиеся с жидким металлом. Методика измерения температуры металла в полости пресс-формы рассмотрена в работе [34]. Ввод разовых термопар в npecG-форму не должен нарушать нормального функционирования пресс-формы. Наиболее пригоден для этой цели способ размещения термопар в специальной прокладке, устанавливаемой в плоскости разъема. Такой способ рекомендуется при проведении исследовательских работ и освоении новых отливок. Для оперативного контроля он непригоден, так как установка прокладки изменяет размеры отливки. Спай либо приваривается к исследуемой поверхности вкладышей, стержней или арматуры, либо фиксируется в точках рабочей полости, заливаемых затем жидким металлом. Другие концы термопар соединяют через компенсационную схему с осцил- осциллографом. Прокладку толщиной 1—1,5 мм из стального, алюми- алюминиевого или латунного листа (рис. 5.10 и 5.11) надевают на напра- направляющие колонки формы по плоскости разъема. В центре пла- пластины вырубают окно размером на 1—2 мм больше, чем размеры оформляющей полости формы. Затем разрезают одну из перемычек от края рамы до центра окна. Рамку слегка разжимают и в обра- образующийся зазор закладывают термоэлектронную проволоку диа- диаметром 0,1—0,2 мм во фторопластовой изоляции. Если требуется дополнительное крепление термоэлектродной проволоки, то в рам- рамке сверлят отверстия, через которые продевают медную «голую» проволоку. Вводимые в рабочую полость тонкие малоинерционные термо- термопары можно подключать к 10—15 точкам отливки и рабочей по- полости. Это позволяет определять температуру металла и темпера- температурное поле стержней или армирующих элементов, омываемых жидким металлом. Кривые изменения температуры, построенные по осциллографическим записям показаний термопар системы отливка—арматура в точке Л (на рабочей поверхности), точке Б (на расстоянии 2,5 мм от поверхности арматуры) и точке В (в центре арматуры), приведены на рис. 5.11. Арматуру из электротехниче- электротехнической стали заливали сплавом АЛ2в холодной форме. Температура 176 к осциллограф!/ t;c BOO iOO 400 300 гоо 100 1 " / 11 I f A A' I! 4 1 1 1 1 о 0,05 o,w 0,15 о.гог ч- в Г С Рис. 5.11. Схема измерения (а) и кривые изменения температуры (б) отдавив и арматуры заливки сплава 630—640 °С. Кривые Л, Б, В получены для отливеи толщиной ботл = 10 мм, а кривые Л', Б', В' — для ботл = 4 мм. Горизонтальный участок кривых Л и Л' соответствует периоду затвердевания отливки. Осциллограммы изменения температуры металла и арматуры позволяют при освоении новой формы уста- установить необходимое время выдержки отливки до ее удаления. Описанную методику применяют преимущественно при отладке технологических процессов и исследованиях температурных ре- режимов промышленных пресс-форм. Контроль темпа и ритма работы машии. Темп работы машины ЛПД, т. е. число литейных циклов в единицу времени, определяет, в частности, тепловые условия формирования отливки и тепловую нагрузку формы. Темп работы задают в технологической карте продолжительностью одного цикла литья. Несоблюдение этого параметра приводит к отклонению качества отливки от задан- заданного. Стабильный ритм работы машины способствует стабиль* иости качества отливок и улучшает условия эксплуатации обо- оборудования. Обычно контроль темпа и ритма работы машин осуществляется одновременно самопишущими приборами или другими устрой- устройствами. Приборы могут быть либо стационарными, обслуживаю- обслуживающими одну или несколько машин, либо нестационарными. Послед- Последние чаще всего входят в состав измерительных комплексов. Кон- Контроль может быть совмещен с записью какого-либо технологиче- технологического параметра процесса. Например, прибор для измерения и за- записи средней скорости прессования фиксирует на ленте самописца ординаты средней скорости и продолжительность каждого литей- литейного цикла. Измерение ритма в производственных условиях пока- 177
зало, что его отклонение от заданных величин влияет на скорость прессования даже при одном и том же положении вентиля подачи рабочей жидкости в цилиндр прессования. Один из приборов контроля и записи ритма создан на базе стандартного самописца ЭПП-06, в схему которого введены элек- электромагниты, срабатывающие при подаче импульса от каждой машины. Импульсы подают от электромагнитных реле, включае- включаемых в момент начала перемещения прессующего поршня. На ленте прибора записываются одновременно показания от шести-восьми машин. При скорости движения ленты 60 мм/ч для записи пока- показаний в течение одной смены требуется около 0,5 м ленты. Данные контроля темпа и ритма работы группы машин помогают техно- технологу выявить причины брака отливок и вовремя внести коррек- коррективы в технологические режимы. 5.5. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ Датчики для контроля различных технологических режимов ЛПД могут являться частью общей измерительной системы. Сигналы от датчиков поступают, как правило, на комплекс приборов. Поэтому наиболее целесообразно объединять датчики и регистри- регистрирующие приборы в общий контрольно-измерительный комплекс (КИК), в котором отдельные узлы выполняют самостоятельные функции. Составными частями КИК являются: чувствительные элементы, датчики, усилители или преобразователи сигналов от датчиков, компенсационные схемы, регистрирующие приборы, а в случае автоматизации е обратной связью — программный вычи- вычислительный механизм. Можно выделить следующие группы КИК: стационарные цехо- цеховые (условно-стационарные), передвижные цеховые, передвижные исследовательские, стационарные исследовательские, универсаль- универсальные (для нерегулярного лабораторно-цехового обслуживания или только исследований). По типу основного прибора различают: электронно-цифровые, осциллографические, осциллоскопические, регистрирующе-перьевые (малоинерционние самописцы), комби- комбинированные КИК- Имеются двухканальные и многоканальные КИК серийного или единичного (макетного) производства. Некоторые КИК внедрены на заводах, другие — только в лабораториях, третьи находятся на стадии заводского внедрения. Первый универсальный отечественный КИК промышленного и лабораторно-промышленного типов получил название ЦИКЛ (рис. 5.12) [38]. Он предназначен для автоматизированного сбора информации о технологических режимах литья под давле- давлением, может работать автономно (при наладке машин, внедрении новых отливок и т. д.) или с различными устройствами. Макси- Максимальное число измеряемых параметров — десять; для расшире- расширения диапазона измерений число блоков можно увеличить. ЦИКЛ измеряет и реристрирует екороеть npeGG-плунжера на первой и вто- 178 | I i I I I I I I I I IT nil. Э illllllllll ш Щ] ш QJ прессования I М ' ' ' ' ' ' ' I 1 I т Рис. 5.12. Схема цифрового информационного комплекса «ЦИКЛ»: / — блок питания; 2 — регистратор простоев мод. НЗО; 3 ¦» датчин усилия запирания МД-Т; 4 — датчик давления ДД-10; 5 — датчик перемещения и скорости; 6 — аиалогово- цифровой преобразователь; 7 — термопара; 8 — транскриптор Ф5033; 9 — печатающая машина мод. ЗУМ-9; 10 — измеритель скорости прессования ИСП; // — шлейфовый осциллограф К-125; 12 — измеритель времени нарастания давления; 13 — цифровой вольтметр Ф204/1; 14 — блок измерения усилия запирания и регистрации простоев; 15 — дискриминатор П-15 рой фазах прессования, время нарастания давления в цилиндре прессования, усилие запирания машины, усилие выталкивания отливки, время выдержки отливки в форме, время цикла, темпе- температуры левой и правой полуформ, а также металла в раздаточной печи. Для всех режимов имеется выход на цифровое печатающее устройство, работающее в комплексе с пишущей машинкой или перфоратором. Для скоростей, времени нарастания давления, усилий запирания машины и выталкивания отливки в ЦИКЛе имеется цифровая индикация по три десятичных разряда для каждой величины. Идеи, воплощенные в ЦИКЛе, частично были использованы в комплекте приборов ПО «Сиблитмаш». Например, им была уком- укомплектована машина с усилием запирания 8000 кН для тонкостен- тонкостенных отливок. Эта и некоторые другие машины оснащены тензо- метрическими датчиками давления и натяжения колонн, фото- фотоэлектрическими датчиками фиксации скорости прессования, дат- датчиками температуры формы и печи. На нескольких отечественных предприятиях внедрен КИК с датчиками, показанными на 179
рис. 5.3. Этот комплекс не предназначен для замены микропро- микропроцессорных и других электронных блоков, а используется лишь на тех предприятиях, которые эксплуатируют основной парк ранее изготовленного оборудования. МПО «Точлитмаш» разрабатывает и изготовляет КИК мел- мелкими сериями. На машине мод. G3711B08 установлены КИК, выполняющие чисто информационную функцию. Они измеряют среднюю скорость движения пресс-плуНжера в диапазоне от 0,001 до 0,999 с, информация выдается в цифровом виде. В шкафу управления машины мод. ДУ11В08 установлены следующие КИК (индикаторы): модуль индикатора скорости; модуль индикатора времени нарастания давления; три модуля индикатора давления. Модуль индикатора скорости используется не только для инфор- информации о скорости движения пресс-плунжера, но и для регулиро- регулирования скорости в зависимости от заданной программы. Информа- Информация выдается в цифровом виде. Цифровой индикатор измеряет время нарастания давления в полости гидроцилиндра в диапазоне от 0,001 до 0,999 с. Имеется возможность перестройки измерения уровней давления для регулирования времени нарастания давле- давления. Информация выдается в цифровом и аналоговом виде; пре- предусмотрена возможность записи светолучевым осциллографом переходного процесса и хранения информации. В состав ряда комплексов и линий дополнительно может вхо- входить индикатор для определения величины натяжения колонн и усилия запирания с выдачей информации в аналоговом и цифро- цифровом виде, с возможностью регулирования усилия запирания в процессе работы. Измерительный комплекс мод. «Гранит» с набором датчиков и комплектов приборов к ним [3] обеспечивает прием и преобра- преобразование сигналов датчиков, сравнение измеряемых величин с ука- указанием величин отклонений, выдачу управляющего сигнала на остановку машины при выходе отклонений за пределы допу- допустимых. Комплекс стыкуется с пультом управления основным и вспомогательным оборудованием «Гранит 02-03», обеспечивая функции управления работой автоматизированного комплекса и контроля технологических параметров (температура пресс-формы по шести каналам, температура металла, давление рабочей жид- жидкости в гидросистеме, максимальное давление рабочей жидкости, время нарастания давления от заданного до максимального, уси- усилие запирания отдельно по колоннам, усилие суммарное запира- запирания, положение пресс-плунжера, максимальная скорость пере- перемещения плунжера, размер пресс-остатка). КИК мод. ИС-2Т и ВНД-1 имеют одинаковые габариты и выполнены на единой эле- элементной базе (микросхемы серии К155), что позволяет компоно- компоновать их в единой измерительной стойке и облегчает эксплуатацию и ремонт. Комплекс, разработанный в Киевском институте автоматики, укомплектован программами измерения технолоричееких режимов. 180 19 -2-8 I т I 77 I 16 1 15 I 74 I 13 1 12 1 11 I 10 Рис. 5.13. Блок-схема измери- измерительно-управляющей системы Datacontrol (ФРГ): I — групповой интерфейс; 2 — шкаф измерения режимов и управления печью; 3 — устройство нагрева- охлаждения форм; 4 — заливочио- дозирующее устройство; б — омаз- кораспылительное устройство; 6 — извлекатель отливки; 7 — устрой- устройство контроля натяжения колонн; 8 — блок записи оперативных дан- ных; 9 — микропроцессор машниш; 10 — блок ввода цифровых данных; // — цифровой блок, переключающие клапаны, лампы, контакторы; 12 — аналоговый блок, управляю- управляющие вентили и клапаны; 13 — блок ввода сигналов перемещения прессующего поршия и перемещения формы и выталкивателей; 14 — блок кнопочного ввода; 15 — монитор; 16 — привод кассетной ленты; 17 — блок аналогового ввода данных о давлении; 18 — блок регистрации перемещения поршия; 19 — графический микропроцессор; 20 — графо- графопостроитель; 21 — устройство распечатки технологических режимов Информационная АСУТП базируется на ЭВМ СМ-1800 при работе с литейными машинами мод. АЛ711Б08. Обеспечивается ввод в систему исходных данных для контроля технологического про- процесса; сбор и первичная обработка информации, диагностика тех- технологических параметров, контроль времени выдержки отливки в форме и продолжительности цикла, контроль температуры непо- неподвижной и подвижной частей формы, контроль усилия запирания, контроль температуры металла в раздаточной печи, совмещенная обработка скорости плунжера и давления прессования, форми- формирование массива итоговых данных по отливкам. КИК разработаны в НИИСЛе [33], МВТУ и других организа- организациях. По данным Финка [106], в ФРГ внедрен КИК «Datacontrol» (рис. 5.13). Измерение параметров литья облегчает быстрый выбор оптимальных режимов для данной партии отливок. Это достигается путем использования микропроцессоров в сочетании с квалифи- квалифицированно составленным программным обеспечением. Принято централизованное размещение группы микропроцессоров. Это позволяет, например, страничный объем полученной информации отправить на распечатку в процессе работы машины, что дает возможность сразу же сопоставить измеренные технологические режимы с установленными. С помощью серийных интерфейсов накапливается информация, поступающая от раздаточной печи, смазкораспылителя, заливочно-дозирующего устройства, обогре- обогревающих и охлаждающих авторегуляторов, обрезного пресса. Во время каждого цикла прессования происходит измерение технологических режимов, которые могут высвечиваться при нажа- нажатии кнопки. Измерительный блок является неотъемлемой частью системы управления. На дисплее высвечивается несколько кри- кривых, по которым видна зависимость скорости и давления прессую- прессующего плунжера от его положения во время хода. При этом можно получить данные, относящиеся к определенной точке положения плунжера. 181
Пределы каждой фазы прессования легко можно регулировать во время производства. Каждая фаза может быть ограничена и тем самым измерена с помощью двух линий. Средняя фактическая скорость прессующего плунжера затем вычисляется на основании данных об интервалах времени и хода. Время нарастания давле- давления машины с холодной камерой прессования измеряется по вели- величине давления в третьей фазе подпрессовки. Когда начинаются измерения, интервалы времени обычно заменяют интервалы хода. Достигается возможность точного регулирования фазы ускорен- ускоренного перемещения плунжера и подпрессовки. После достижения оптимальных результатов кривые прессо- прессования и другие данные вносятся в память ЭВМ. При возобновле- возобновлении в будущем производства данной партии отливок калибро- калибровочные кривые и другие данные запрашиваются из блока памяти ЭВМ. Оператор имеет возможность наблюдать за протеканием процесса прессования. Цеховой КИК фирмы Buhler (Швейцария) включает шкаф, в верхней части которого помещены приборы для измерения ско- скорости перемещения плунжера или времени заполнения формы по продолжительности подачи импульсов на заданном отрезке Пути. Сигналы от этих приборов поступают на печатающее устройство для регистрации времени прессования. Нижний блок предназна- предназначен для контроля и записи давления рабочей жидкости в цилиндре прессования на базе осциллографа с использованием ультрафио- ультрафиолетовой бумаги, на которой без дополнительного проявления фиксируется кривая давление — время. Контроль перемещения пресс-плунжера осуществляется емкостным датчиком, который соединен с комплектом Injectrol фирмы Buhler (Швейцария) кабе- кабелем со штепсельным разъемом. Перед началом работы произво- производится калибровка измеряемой длины хода плунжера. Датчик давления, так же как и датчик перемещения, установ- установлен в рабочей полости цилиндра прессования. После присоедине- присоединения датчика давления к установочному блоку на ультрафиоле- ультрафиолетовой бумажной ленте осциллографа записывается процесс запрес- запрессовки, давление и скорость. Одновременно на кривой давление— время видны две ограничительные точки, предварительно выбран- выбранные по заданной величине продолжительности запрессовки. Если комплект Injectrol применяется в качестве неавтономного изме- измерительного комплекса для контроля каждой запрессовки, то при отклонении установленных по технологической карте режимов на приборе включается сигнальная лампочка для того, чтобы отливка была отложена и дополнительно проконтролирована. Фирма Ту mac Controls (США) базирует КИК на ЭВМ для обработки данных о скорости пресс-плунжера, кривой нарастания давления, ходе поршня, нагрузке на каждой колонне, темпера- температурах формы и жидкого металла и др. Одновременно обрабаты- обрабатываются данные о положении и срабатывании многочисленных клапанов и вентилей гидравлической системы машины. Одной 182 из функций системы ЭВМ является автоматическая установка нуля при разрегулировках цепей измерительных приборов. В измерительно-регистрирующие блоки с ЭВМ поступают дан- данные о предельно допустимых значениях. Система обеспечивает автоматическое сравнение измеренных и заданных параметров с последующей выдачей сигнала об аварии, если выявится недопу- недопустимо большое расхождение. Если на колоннах возникнут слиш- слишком большие нагрузки, то работа машины прекращается (пере- (перегрузка может явиться следствием, например, приварки отливки к одной из полуформ). При возникновении слишком толстого облоя изменяется регулировка кривой нарастания давления в ме- механизме прессования. Внедренный на ВАЗе КИК CS фирмы Wotan (ФРГ) служит для непосредственного измерения усилия прессования, скорости пресс-плунжера, записи графика давления. КИК CS состоит из следующих блоков приборов. Первый блок предназначен для измерения и контроля усилия запирания, устанавливаемого соот- соответственно для каждого вида отливок. Второй блок контролирует и измеряет усилие запирания или нагрузку, действующую на каждую из четырех колонн. Для этого на каждой колонне в пло- плоских пазах установлены тензометрические датчики, которые объединены в мост Уинстона. Электрический сигнал, пропор- пропорциональный напряжению материала колонны, отбирается на диа- диагонали моста и подается к усилителю. Усиленный сигнал посту- поступает в индикаторный прибор, который показывает нагрузку. Эти индикаторные приборы являются измерительными контакторами. Если измерительный контактор сигнализирует о помехе, то рабо- рабочий цикл машины прерывается. Третий блок измеряет скорость пресс-плунжера во время второй фазы, т. е. во время заполнения формы. Некоторые электронные измерительно-индикаторные прибо- приборы определяют характер кривой запрессовки. По кривой давления можно устанавливать заданное время переключения фаз, значение допрессовки. При каждой запрессовке на экране электронного индикатора настройки появляется истинное изменение кривой запрессовки. Кривая давления удерживается в запоминающем устройстве, производится перезапись каждой новой кривой, если предыдущая кривая не стиралась нажатием кнопки. Для цифро- цифрового определения времени нарастания давления в приборе вклю- включается электронное отсчетное устройство после уменьшения давле- давления ниже нижнего предела. Счет времени прерывается, когда давление превысит заданное значение. КИК CS используется в корпусе цветного литья КамАЗа. Он позволяет постоянно контролировать технологические режимы литья, т. е. получать отливки стабильного качества. При любом отклонении от заданных значений поступает звуковой сигнал или машина останавливается. В период освоения новых изделий КИК позволяет в короткий срок найти оптимальные технологиче- технологические режимы для получения качественных отливок.
6 АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ 6.1. ЗАДАЧИ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ Изменение качества отлнвок связано с колебанием параметров технологического процесса. Нестабильность параметров процесса изготовления отливок приводит к появлению брака [72]. Анализ процесса литья под давлением показывает, что брак отливок появляется по двум главным причинам: либо не оптимизированы режимы литья, либо они нарушаются при изготовлении отливок. Если режимы литья не оптимизированы, т. е. не найдены такие параметры технологического процесса, при которых качество отливок удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям, то необходимо провести исследования, связанные с определением оптимальных режимов. Если же оптимальные режимы найдены, .а брак отливок возникает вследствие нарушения режимов литья, то это может происходить либо по вине литейщика, либо по вине оборудования. Литейщик, работающий на машине литья под дав- давлением, не может в течение всей смены выполнять операции по изготовлению отливок в одном и том же темпе и поддерживать на заданном уровне технологические параметры. Чтобы исклю- исключить действие человеческого фактора на технологический процесс, необходимо автоматизировать ручные операции. Для стабилиза- стабилизации переменных параметров, зависящих от работы оборудования в условиях случайных возмущений, необходимо автоматизиро- автоматизировать их регулирование. Таким образом, для повышения качества отливок требуется оптимизация режимов литья, автоматическое поддержание най- найденных оптимальных параметров и автоматизация ручных опера- операций, выполняемых литейщиком. Каждое из перечисленных мероприятий является довольно сложной задачей. Так для оптимизации режимов литья необ- необходимо иметь методику выполнения исследования, контрольно- измерительные и регистрирующие средства. Для автоматического регулирования параметров технологического процесса требуются надежные и долговечные датчики, исполнительные органы, вклю- включающие следящий привод, а также средства управления и про- программирования. Для автоматизации ручных операций необхо- необходимы заливочно-дозирующие устройства, промышленные роботы или манипуляторы, автоматические устройства для смазывания 184 пресс-формы ,и элементов пресс-группы, устройства для охлажде- охлаждения отливки,и контроля полноты извлечения отливки из npeGC- формы. ; Решение поставленных задач позволяет существенно снизить брак отливок. Однако при работе оборудования в автоматическом режиме по жесткой программе возможны внешние возмущения (пополнение расплавом раздаточной печи, подлив расплава в зазор между пресс-поршнем и наполнительным стаканом и др.), нару- нарушающие оптимальные режимы литья и приводящие к браку. Для нормального хода технологического процесса необходимы контроль качества отливок н корректирование режимов литья. Эти функции обычно выполняет оператор, обслуживающий авто- автоматизированную систему литья под давлением. Он фактически поддерживает обратную связь между входными и выходными параметрами технологического процесса. Чтобы автоматизировать операции контроля качества отлнвок и корректирование режимов литья, необходимо разработать сред- средства контроля показателей качества отливок, создать математи- математическую модель, связывающую показатели качества отливки с пере- переменными параметрами технологического процесса, разработать алгоритм управления процессом литья и реализовать этот алго- алгоритм на каком-либо управляющем устройстве. Обычно в качестве управляющего устройства используют ЭВМ. Такие автоматизи- автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУТП) получают все большее распространение как в нашей стране, так и за рубежом. Таким образом, для создания АСУТП литья под давлением требуется решить комплекс задач: оптимизировать режимы литья, разработать автоматические регуляторы параметров, автомати- автоматизировать ручные операции, автоматизировать контрольные опера- операции, разработать математические модели процесса и алгоритмы управления процессом. Решение трех первых задач позволяет автоматизировать производство отливок по жесткой программе и добиться снижения брака отливок. Для получения отливок с максимально высокими свойствами необходимо организовать оптимальное управление технологическим процессом, т. е. с пер- первыми тремя задачами требуется решить еще три, связанные с кон- контролем качества изготовленных отливок и созданием алгоритми- алгоритмического и программного обеспечения для управления процессом. Вопросы автоматизации контроля качества отливок исследо- исследованы недостаточно и требуют глубокого изучения в целях созда- создания технических средств. Созданию математических моделей процесса литья под давле- давлением посвящеи целый ряд работ [28, 48, 55, 63]. Сложность адекватного описания технологического процесса состоит в мно- многообразии переменных параметров и случайных возмущений, возникающих при изготовлении отливок. Для описания процесс* литья под давлением могут быть использованы детерминирован- 185
ные и стохастические математические модели. Детерминированная модель соответствует определенным связям входных и выходных параметров процесса. Стохастические модели используют в слу- случае неполной определенности связей переменных параметров и показателей качества отливок, но которые можно оценить ста- статистически. Детерминированные математические модели обычно применяют для качественного изучения процесса литья под давлением. Для управления технологическим процессом их не применяют из-за недостаточной адекватности описания этого процесса. Стохастические математические модели учитывают сложные связи переменных параметров и показателей качества отливок. Их получают обычно путем обработки статистических данных методами корреляционного и регрессионного анализов. Эти модели носят частный характер и могут быть использованы для оптимизации режимов литья отливки, при изготовлении которой были получены статистические данные. Наибольшее распространение для получения стохастических математических моделей получили методы пассивного и активного экспериментов, используемые в работах И. И. Прохорова, Р. М. Калиша, Н. Ф. Мухаметжанова и других исследователей. Для управления технологическим процессом литья под давле- давлением можно также использовать математическое обеспечение, полученное на основе методов распознавания образов для выбора решений [48]. 6.2. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ Одной из главных задач организации автоматизированного упра-; вления технологическим процессом является оптимизация техно- технологических режимов. Для определения оптимальных режимов литья под давлением проводят серии экспериментов, на основе которых устанавливают связи переменных параметров и показа- показателей качества отливок. Обычно это довольно длительный и тру- трудоемкий процесс, включающий большое число экспериментов. Сократить число экспериментов и получить математическую модель позволяет планирование эксперимента. Основы метода изложены в трудах В. В. Налимова, В.'Г. Горского, Ю. П. Адлера и др. Планирование эксперимента. При планировании эксперимента используют методы пассивного и активного экспериментов. Метод пассивного эксперимента является традиционным. Он заключается в том, что ставится большая серия опытов с поочеред- поочередным варьированием каждой переменной. К методу пассивного эксперимента относится также сбор статистических данных в ре- режиме нормальной эксплуатации машины литья под давлением. При освоении изготовления новых отливок оптимизация режи- режимов осуществляется обычно путем варьирования наиболее важ- важными параметрами и регистрации полученного качества отливок. 186 В зависимости от сложности отливки определение оптимальных режимов лит,ья может продолжаться несколько месяцев. Сбор статистических данных о параметрах и качестве отливок в режиме нормальной эксплуатации машин литья под давлением и последующая обработка полученных результатов методами рег- регрессионного и корреляционного анализов позволяют сократить сроки оптимизации режимов литья. Однако число опытов при проведении пассивного эксперимента достаточно велико. Сокра- Сократить их число, а, следовательно, и быстрее установить связь между переменными параметрами литейного процесса и показателями качества отливок позволяет метод активного эксперимента, кото- который проводится по заранее составленному плану. Этот метод предусматривает одновременное изменение всех переменных пара- параметров, влияющих на качество отливки. Оптимизация режимов литья под давлением с помощью пла- планируемого эксперимента включает следующие этапы: выбор пока- показателей качества отливок и переменных параметров технологиче- технологического процесса, планирование и проведение эксперимента, обра- обработка результатов эксперимента и получение математических моделей, связывающих показатели качества отливок с перемен- переменными параметрами технологического процесса, оптимизация ре- режимов литья, т. е. нахождение оптимальных переменных пара- параметров ,для удовлетворения требований к качеству отливок. Выбор показателей качества отливок и переменных параметров технологического процесса. Для установления связи показателей качества отливки и переменных параметров технологического процесса по результатам экспериментов, выполненных по методам пассивного или активного эксперимента, получают математиче- математическую модель, которая может быть представлена в следующем виде: " = / (Х1 > Х2> •••> ¦**)> где У — показатель качества отливки; х — переменный пара- параметр технологического процесса. При литье под давлением показателями качества отливки обычно являются плотность материала, чистота поверхности, наличие трещин, герметичность, механические свойства. Пере- Переменными параметрами технологического процесса чаще всего являются скорость прессующего поршня, давление рабочей жид- жидкости в приводе, температура заливаемого сплава, температура пресс-формы, время выдержки отливки в пресс-форме. При исполь- использовании метода активного эксперимента число показателей каче- качества обычно не лимитируется, так как от него не зависит число опытов. Число переменных параметров целесообразно ограничи- ограничивать из-за сложности реализации многофакторных экспериментов и обработки результатов. Как показывает практика, число пока- показателей качества и переменных параметров технологического про- процесса редко превышает пять наименований. 187
Общими требованиями как к показателям качества отливок, так и к переменным параметрам являются их измеряемость и чис- числовая оценка. Диапазоны изменения переменных параметров ограничиваются обычно техническими возможностями машин литья под давлением, типом сплава, имеющимися рекомендациями или опытом технолога. Так, скорость прессующего поршня и дав- давление рабочей жидкости в приводе определяются техническими характеристиками конкретной машины. Большая часть машин литья под давлением, работающих в нашей стране, могут развивать скорость прессующего поршня 0,1—2,5 м/с, давление рабочей жидкости в приводе составляет 0,06—0,3 Па. Температура заливаемого сплава зависит от типа сплава, а температура пресс-формы — от толщины стенки отливки и типа заливаемого сплава. Планирование активного эксперимента. Планирование актив- активного эксперимента — это проведение опытов по некоторому зара- заранее составленному плану, отвечающему определенным требова- требованиям. При небольшом числе переменных параметров (до пяти) для исследования используют полный факторный эксперимент, Число опытов при полном факторном эксперименте N = q1, где q — число уровней переменных параметров; / — число перемен- переменных параметров. Если в эксперименте переменные параметры изменяются только на двух уровнях, т. е. q = 2, и при этом осуществляются все возможные комбинации самих переменных, то проведение опытов по такому плану носит название полного факторного эксперимента типа 2'. Если же переменные параметры варьи- варьируются на трех уровнях, то мы имеем полный факторный экспе- эксперимент типа 3'. Для эксперимента типа 21 при трех переменных параметрах число опытов N = 2s = 8, при четырех N = 2* = 16, при пяти N = 2б = 32. Для эксперимента типа З1 число опытов для того же числа переменных параметров будет соответственно N = З3 = 27, N = З4 = 81 и N = З6 = 243. Учитывая необходимость проведения повторных опытов (от 3 до 10 раз в зависимости от стабильности значений переменных параметров), общее число опытов становится достаточно большим. Умножив эти числа на время проведения одного опыта, можно определить время проведения всего эксперимента. План эксперимента записывается в виде матрицы планирова- планирования. Для каждого опыта указываются уровни переменных пара- параметров. Обозначим переменный параметр через х}, где / == 1,2, ..., k — число переменных параметров. Тогда xj max, Xj mln и Xj оон — соответсвенно верхний, нижний и основной уровни переменного параметра; Axj — интервал варьирования. Основной уровень переменного параметра определяется полу- полусуммой верхнего и нижнего уровней: х] осн = {X] шэх "Г X) min)/2. 188 в.1. Матрица планирования эксперимента типа 23 Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 Переменные параметры ь xt | + 1 — 1 + 1 1 + 1 t + 1 Xt — Г — 1 + 1 + 1 + 1 + 1 — 1 J х, 1 —1 J J +1 +1 +1 +1 Покаватели качества отливки Y, У. Yn Интервал варьирования переменных параметров находят как полуразность верхнего и нижнего уровней: &.Xj = (Xj шах — X] тщ)/2. Для перевода переменных параметров из натурального масшта- масштаба в безразмерную форму используют выражение Xt = (X, - X, осн)/А^. , F.1) В безразмерной форме верхний уровень переменного пара- параметра равен +1, нижний уровень —1, основной уровень 0. Тогда для эксперимента типа 23, т. е. для трех переменных параметров, изменяющихся на двух уровнях, будем иметь матрицу планирова- планирования экспериментов, представленную в табл. 6.1. Число показателей качества отливки может быть любым, так как оно не влияет на число опытов, а связано с обработкой резуль- результатов эксперимента. Чем больше число показателей качества, тем больше времени нужно затратить на определение их значений. Проведение планируемого эксперимента. Прежде чем присту- приступить к проведению опытов по составленной матрице планирова- планирования эксперимента, необходимо установить время выполнения одного опыта, число повторений каждого опыта, последователь- последовательность выполнения опытов, а также определить способ маркировки отливок. Необходимо уметь изменять переменные параметры техно- технологического процесса в соответствии с принятыми значениями уровней и иметь средства для их контроля. При проведении опы- опытов варьируемые и неварьируемые параметры не должны откло- отклоняться от установленных значений. Планируемый эксперимент следует проводить в один день на одной и той же плавке металла, на одной и той же машине, на одной и той же пресс-форме, используя один и тот же смазывающий мате- материал. Число повторений опытов зависит от стабильности установ- установленных переменных параметров. Чем выше стабильность, тем меньше требуется повторений. Как показывает практика, для литья под давлением число повторений может изменяться от 3. до 189
10. Однако с увеличением числа повторений увеличивается объем работ как в процессе проведения эксперимента, так и при обра- обработке его результатов. Отливки целесообразно клеймить в соответствии с нумерацией в матрице планирования. Например, отливки, используемые для первого опыта, повторенного 3 раза, будут иметь номера 1—1, 1—2, 1—3; отливки, используемые для второго опыта, — номера 2—1, 2—2, 2—3 и т. д. Обработка результатов планируемого эксперимента. После проведения эксперимента результаты обрабатываются. Лабораторные исследования отливок. В лабораторные иссле- исследования отливок входят: определение плотности, оценка чистоты поверхности, герметичности, определение механических свойств, геометрических размеров, химического состава и ряд других испытаний. Обычно плотность отливок определяют гидростатическим взве- взвешиванием с точностью до 0,01 г. Предварительно отливки осво- освобождают от литников, промывников и заливов. Кроме того, при взвешивании отливок в воде их целесообразно обезжиривать ацетоном или спиртом. При длительном взвешивании необходимо следить за уровнем воды в емкости и равновесием чаш весов. Для поддержания равновесия весов в емкость следует добавлять воду. Точных методов для оценки чистоты поверхности отливок не существует, поэтому чистоту поверхности определяют визуально с оценкой по 10-балльной системе. Например, отливкам в мини- минимальной шероховатостью присваивают один балл, а деталям с максимальной шероховатостью 10 баллов. Механические свойства отливок (временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударная вязкость, твердость) определяют при испытании образцов, вырезанных из этих от- отливок. Полученные значения показателей качества отливок увред- няют для каждого опыта и заносят в табл. 6.1. В лабораторные исследования могут входить также и различ- различные технологические операции последующей обработки отливок. Например, травление отливки, термическая и механическая обра- обработка, нанесение покрытий. После выполнения этих операций производится оценка дефектов. Статистическая обработка результатов эксперимента. Зави- Зависимость показателей качества отливок от переменных параметров технологического процесса находят, используя при обработке экспериментальных данных принципы регрессионного и корреля- корреляционного анализов. Эта зависимость в виде уравнений регрессии представляет собой математическую модель технологического процесса литья под давлением и позволяет определять оптималь- оптимальные режимы литья лишь для конкретной отливки, поэтому полу- полученная зависимость носит частный характер. 190 в.2. Матрица Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 планирования х„ + 1 hi -1 -1 -1 -1 -1 + 1 х. —1 + 1 —1 + 1 —1 + 1 —1 + 1 эксперимента с фиктивной X, —1 —1 +1 Н - н -1 -1 -1 —1 —1 х. —1 —1 —1 —1 + 1 1 1 -1 У. переменной Y. Уп В общем случае уравнение регрессии, полученное на основа- основании эксперимента, записывается в следующем виде: y = в0 + 2 в,х, + 2 bu]xuXj+ 2 в„х) +••-, 1=1 и. 1=1 1=1 иФ1 где Во — свободный член; В} — линейный эффект; Ви] — эффект взаимодействия; В}] — квадратичный эффект. Для матрицы планирования эксперимента типа 28, представ- представленной в табл. 6.1, линейное уравнение регрессии имеет вид: Y = Во + ВгХх + В2Х2 + В9Х9. F.2) Коэффициенты уравнения регрессии F.2) вычисляют по фор- формуле Bj = 2 X,tYt/N, F.3) где I — число показателей качества отливки. К столбцам переменных параметров в безразмерной форме в табл. 6.1 добавляют столбец так называемой фиктивной пере- переменной Хо = +1 (табл. 6.2). На основании данных табл. 6.2 находим коэффициенты для уравнения F.2): 8 8 J Во == 2 XoiYt/8; Вх = 2 XltYt/8; B2 = 2 X2tYi/8; i=x i=\ i=\ Bs = 2 XatYt/8. i=i Если описывать технологический процесс более полным урав- уравнением регрессии с учетом взаимодействия переменных пара- параметров в виде Y = 50 + ВхХг + В,Ха + 58Х8 + ВЫХЛХ BWX1XS F.4) 191
6.3. Матрица планирования эксперимента с учетом взаимодействия переменных нараметров Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 х. + 1 - -1 Г1 -1 -1 -1 -1 hi xt —1 + 1 J + 1 — 1 + 1 J + 1 X. —1 —1 -1 -1 -1 -1 1 —1 X, —1 —1 1 —1 +1 +1 +1 +1 XyXs + 1 J 1 + 1 — 1 + 1 + 1 — 1 xtx. +1 —1 +1 —1 —1 +1 +1 —1 x.x. +1 +1 J —1 +1 +1 —1 —1 —1 +1 +1 —1 —1 +1 +1 —1 Y, Y. Yn 6.4. Матрица планирования эксперимента для параллельных опытов Номер опыта 1 2 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ос то для определения коэффициентов 512, Bw, Bw и 5123 необходимо расширить матрицу планирования эксперимента (табл. 6.3). Используя данные табл. 6.3, находим коэффициенты урав- уравнения F.4): 8 8 Вц = 2 (* A)* Ytlfr Bis = 2 (ХхХ,), Yt/8; Bw = 2 (ХМ Yt/8; Яш = 2 (XiXM Yt/8. Если параллельно с восемью опытами провести опыты на основных уровнях, то можно проверить значимость коэффи- коэффициентов уравнения, а при наличии степеней свободы — и адекват- адекватность уравнения технологическому процессу. Для параллельных опытов будем иметь матрицу планирования, представленную в табл. 6.4. По данным табл. 6.4 находим среднее значение показателей качества о2 щ/Щ i=\ где т = 3 — число параллельных опытов для основных уровней переменных параметров. 192 ' Далее определяем дисперсию воспроизводимости Sg и среднее квадрэтическое отклонение показателя качества Sg по формуле Тогда среднее квадратическое отклонение коэффициентов на- находим из выражения SB] = Sy/Y~N. Для эксперимента типа 2s будем иметь N *= 8. Таким образом» квадратические отклонения коэффициентов будут одинаковы. Значимость коэффициентов В уравнения регрессии оцени- оценивается по критерию Стьюдента t: Табулированное значение критерия Стьюдента tP находим по принятой доверительной вероятности (обычно Р = 0,95) и числу степеней свободы /, с которым определено Sy. Если S2y определено по трем параллельным опытам только в одном из восьми опытов эксперимента, то / = N (т — 1) =э = 1 C — 1) =2. Если же параллельные опыты ставятся в каж- каждом из восьми опытов эксперимента, то / *= N (т — 1) = 8 C — — 1) = 16. При Р = 0,95 и f = 2 критерий Стьюдента tP •= 4,3, а при f ¦= 16 tP = 2,12. Если t < tP, то эти коэффициенты из уравне- уравнения регрессии можно исключить, а переменные параметры или их взаимодействия, соответствующие этим коэффициентам, счи- считать незначимыми. Если же t > tP, то переменные параметре и их взаимодействие при соответствующих коэффициентах яв- являются значимыми. Адекватность уравнения регрессии технологическому про- процессу определяется по критерию Фишера Г = SoctASj» где S|0T — остаточная дисперсия (дисперсия адекватности), S|oT = = 2 (Yt— Yifl{N — /); здесь / — число значимых коэффи- коэффициентов в уравнении регрессии. Табулированное значение критерия Фишера FP находят по принятой доверительной вероятности (обычно Р = 0,95) и числу свободы /lt t= N — I ш f2 = N (т — 1). 7 Заказ 66 193
6.5. Результаты экспериментов, по поверхности отклика Перемен- Переменные и маршрут восхо- ждення «Лоси Ах, Xjmax X] mm Ь) bjAx] полученных прн крутом ¦ Yt Переменные н маршрут восхождения Шаг (bjAxj) n Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 юсхожденнн Xi Yx Если F < FP, то уравнение регрессии адекватно описывает процесс. Методы оптимизации технологических режимов. Существует несколько методов оптимизации. Метод крутого восхождения. Этот метод (метод Бокса — Уилсона) напоминает итерационный метод решения задач вы- вычислительной математики. На основе малой серии опытов нахо- находится локальное описание поверхности отклика с помощью мате- математической модели линейного вида. Затем двигаются по поверх- поверхности отклика в направлении градиента линейного приближения. Если одного линейного приближения оказывается недостаточно, то проводится новая. небольшая серия опытов и находится новое направление для движения по поверхности отклика. Процесс движения продолжается до тех пор, пока не будет найдена почти стационарная область, где линейное приближение окажется уже недостаточным. Если коэффициенты уравнения регрессии значимы, а само уравнение адекватно эксперименту, то оно может быть исполь- использовано для крутого восхождения по поверхности отклика. Ре- Результаты экспериментов заносят в табл. 6.5. Если какие-либо коэффициенты уравнения окажутся незначи- незначимыми, то при проведении опытов соответствующие переменные параметры можно зафиксировать на любом удобном уровне. Если величины bj &X] в качестве шага по /-му параметру не устраивают экспериментатора, то они изменяются в п раз. При крутом вос- восхождении некоторые так называемые мысленные опыты не реали- реализуются. Крутое восхождение прекращается, когда выходная величина Yx начинает ухудшаться. Следующим этапом метода крутого восхождения является выбор в качестве центра нового плана лучшей точки проведенных опытов. Далее проводится новый полный факторный эксперимент только для значимых параметров. Процедура крутого восхожде- восхождения повторяется после проверки адекватности уравнения регрес- регрессии эксперименту. 194 Описанный иетод позволяет оптимизировать режимы литья под давлением только по одному показателю качества. Симплексный метод. Симплексный метод планирования экспе- эксперимента был разработан для автоматической оптимизации объекта с помощью ЭВМ. Его сущность состоит в том, что, начиная вос- восхождение в целях определения экстремума целевой функции, планируют исходную серию опытов таким образом, чтобы точки, соответствующие условиям проведения этих опытов, образовы- образовывали правильный симплекс в многомерном факторном простран- пространстве. Под правильным симплексом понимают совокупность k + 1 равноудаленных друг от друга точек в fe-мерном пространстве. В одномерном пространстве симплексом является отрезок прямой. Для двухмерного пространства симплексом служит равносторон- равносторонний треугольник, а для трех параметров — правильная треуголь- треугольная пирамида. Задача оптимизации заключается в анализе линейной функции вида Y = Во + 2 BjXj, заданной на некотором выпуклом много- многогранном множестве. Экстремум линейной функции достигается в вершинах многогранного множества. Для решения задачи ис- используется метод линейного программирования — метод после- последовательного улучшения плана. В его основе лежит идея упорядо- упорядоченного перебора вершин допустимого многогранника. После проведения первой серии опытов выявляется точка, отвечающая условиям, при которых получаются наихудшие результаты. Эта точка заменяется новой, представляющей собой ее зеркальное отражение относительно противоположной грани симплекса. Гранью называют совокупность k точек fe-мерного симплекса. Указанная точка вместе с оставшимися снова образует правиль- правильный симплекс. Это направление не является наиболее крутым, однако оно обращено в сторону повышения качества процесса оптимизации целевой функции. После реализации опыта в дополнительной точке опять произ- производится сопоставление результатов, снова выявляется наихудшая точка, которая также заменяется ее зеркальным отражением, и т. д. Эта процедура шагового восхождения с последовательным отбрасыванием наихудших точек повторяется до тех пор, пока не будет найдена почти стационарная область целевой функции. Метод, использующий решение системы уравнений. Если необ- необходимо определить, при каких значениях переменных параметров можно получить отливки с заданными свойствами, то оптимизация режимов литья проводится путем решения системы линейных уравнений регрессии, полученных в результате обработки данных планируемого эксперимента. Система линейных уравнений решается методом последова- последовательного исключения неизвестных или методом Гаусса. Если число 7* 195
в.в. Уровни н интервал варьирования Переменный параметр Скорость прессующего порш- поршня, м/с Температура сплава, ВС Температура пресс-формы, "С Услов- Условное обо- обозначение XI Хз Xi переменных параметров х) mln 0,2 590 140 х] max 0,4 630 200 **ОСН 0,3 610 170 Ад:, 0,1 20 30 в. 7. Кодированная матрица планирования н результатов экспериментов Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 х. + 1 hi -1 -1 -1 -1 -1 + 1 Xt + 1 ( + 1 — 1 + 1 — 1 + 1 — 1 X, + 1 + 1 j — 1 + 1 + 1 j — 1 х. +1 +1 +1 —1 —1 —1 J —1 Y, 14 15 14 13 18 23 13 25 Y, 7 10 7 13 18 21 9 12 в.8. Коэффициенты уравнений регрессии, описывающие взанмосвизь переменных параметров н показателей качества Коэффи- Коэффициент Во ва в3 1 17,0 -2,1 0,62 -2,9 Yt 12,1 —1,9 1,9 -2,9 уравнений равно числу неизвестных, то получаем единственное решение. Анализ значений переменных параметров, полученных в результате решения системы уравнений, позволяет дать реко- рекомендации по использованию существующего или нового оборудо- оборудования, доработке оснастки или же дать заключение о невозмож- невозможности получения отливок с требуемыми, свойствами на существу- существующем оборудовании с помощью используемой оснастки. Если число переменных параметров превышает число урав- уравнений, то оптимизацию режимов литья можно выполнить путем подбора значений переменных параметров, подстановки их в урав- уравнение регрессии и расчета показателей качества. Расчеты прекра- прекращаются, как только изменение переменных параметров перестает давать эффект. Оптимизация режимов изготовления отливки «Фланец». Цель оптимизации режимов изготовления отливки «Фланец» состояла в снижении брака отлнвок и повышении чистоты их поверхности. Предварительное исследование техноло- технологического процесса позволило установить основные переменные параметры и интервалы их варьиронания (табл. 6.6). С учетом трех переменных параметрон был Постанлен эксперимент типа 23 (табл. 6.7). Показатели качества отливок Y± и Y2 характеризовали брак в партии со- отнетстненно общим числом бракованных отливок н числом отливок, бракован- бракованных по чистоте поверхности. С помощью выражения F.3) и данных табл. 6.7 были вычислены коэффи- коэффициенты уравнений регрессии (табл. 6.8). 196 в. 9. Процедура крутого восхождения прн оптимизации режимов Переменны в маршрут Коэффициент bj Ax Шаг Опыт № 9 Опыт № 10 е параметры восхождения регрессии *« 2,1 0,21 0,1 0,4 0,5 *• —0,62 —12,4 —5 600 595 2,9 87 40 210 250 11,4 5,8 — 5,4 1,3 в. 10. Уровни н интервал варьирования переменных параметров прн оптимизации режимов Переменный параметр Скорость прессующего пор- поршня, м/с Давление в приводе, Па Температура, ВС: сплава пресс-формы Услов- Условное обо- обозначение XI *2 Хз Xi *j mm 0,50 0,05 620 20 xj max 1,00 0,07 660 100 *} OCH 0,75 0,06 640 60 Ад:, 0,25 0,01 20 40 С учетом полученных значений коэффициентов уравнения регрессии, опи- описывающие связь показателей качества и переменных параметров, будут иметь Yt = 17 + 2,1 Xt - 0,62Х2 + 2,9Х3 - О.бХЛ + + 0,1Х2Х3-2,1Х1Х3; Yi= 12,1+ l,9Xi—1,9Ха+ 2,9Х3 — 0,37XiXa+ + 2,6ХаХ3 + О.БХЛ. Так как была поставлена задача снижения процента брака, т. е. отыскания минимума функции, то знаки перед коэффициентами были заменены на противо- противоположные. Анализ уравнений показывает, что онн не противоречат практическому опыту изготовления отлнвок. Для снижения общего брака отливок Y^ и брака отлнвок по чистоте поверхности Yt действительно необходимо увеличивать скорость прес- прессующего поршня и температуру пресс-формы и снижать температуру заливае- заливаемого сплава. Для отыскания оптимума был использован метод крутого восхождения по поверхности отклика. В качестве целевой функции был выбран общий процент брака Yi. Процедура оптимизации режимов изготовлении отлнвки «Фланец» представ- представлена в табл. 6.9. Результаты дополнительных опытов № 9 и 10 показывают, что появляется пробрызгнванне расплава по разъему пресс-формы и возникает принариванне отливки к пресс-форме. За оптимальный принимается режим изготовления от- отливок, соответствующий опыту № 10. В целях снижения пробрызгивания сплава необходимо интенсивно охлаждать пресс-форму. Оптимизация режнмон изготовления отлнвки «Корпус» . Целью оптимиза- оптимизации режимов литья является определение значений переменных параметров для получения отливок с максимальной плотностью и минимальной шероховатостью поверхности. 197
На плотность и чистоту поверхности отлиики наибольшее влияние оказы- оказывают скорость прессующего поршня, давление рабочей жидкости в приноде, температура заливаемого сплава и температура пресс-формы. Этн параметры были взяты в качестве переменных для проведения планируемого эксперимента. Уровни и интернал варьирования переменных параметров приведены в табл. 6.10. Значения минимальных и максимальных уровней нарьнрования переменных параметров определялись исходя из возможностей оборудования и с учетом ре- результатов известных исследований. Отливку «Корпус» из алюминиевого сплава изготовляли на машние иод. 51Б5. Металл в камеру прессования заливали вручную. В качестве плавильио- раздаточной печи использовали электропечь сопротивления с автоматическим регулиронанием температуры сплава. Смазывание пресс-формы и камеры прес- прессования осуществляли 4%-ным водным раствором фтористого иатрня путем его валинки в камеру прессонання и запрессовки в полость пресс-формы. Смазыва- Смазывание проводили перед каждым циклом нзготонлении отливки. Пресс-форма ие имела автономной системы охлаждения. Показатели качества отлннок определяли следующими способами. Плот- Плотность определяли гидростатическим нзвешиванием Ротл =G1pB0Jl/(G1 — G2), где Gi и G2 — массы отливки соответственно на воздухе и в воде; рвод — плот- иость воды. Поверхность отливок контролировали визуально работники цеха. Дефект- Дефектными считались отливки, имевшие на поверхности следы потока металла, не- неспаи, отслоения, следы смазки. Перед контролем отливкн зачищали и подвер- подвергали пескоструйной обработке. Качество отливок в опыте оценинали в баллах. Балл соответствовал числу дефектных отливок с прибанленнем единицы. На- Например, если в партии не было дефектных отливок, то ей присваивался 1 балл, если же было пять дефектных отливок, то — 6 баллов. При наличии четырех переменных параметров ставят полный факторный экс- эксперимент типа 24. Однако в производственных условиях довольно сложно поста- поставить такой эксперимент из-за необходимости выдерживания на требуемом уроние переменных параметров. Поэтому для упрощении задачи было проведено два эксперимента типа 2*. Каждый эксперимент предусматривал проведение восьми опытов с различным сочетанием уровней переменных параметров. В ходе каж- каждого опыта отливали партию из пяти отливок. Таким образом, в результате двух экспериментов типа 2? было изготовлено 2х23Х5=80 отливок. Матрицы планирования экспериментов представлены в табл. 6.11 и 6.12. Матрицы планирования экспериментов составлены с учетом удобства изме- изменения н производственных условиях переменных параметров в ходе выполне- выполнения опытов. Как показывает практика, наиболее просто и быстро изменять ско- скорость поршня и давление в приводе, а изменения температуры сплава н пресс- формы выполнить быстро ненозможно из-за их^ большой инерции. Поэтому в пер- ном эксперименте первые четыре опыта проводили для верхнего уровня *зтах, а последующие четыре — для нижнего уровня *3min. Во втором эксперименте первые четыре опыта ставили для нижнего уровня дс^щщ, а вторые — для верх- верхнего уровня ^шах- Скорость прессующего поршня устанавливали с помощью вентиля расхода рабочей жидкости, протарнрованного предварительно с использованием индук- индукционного датчика скорости и осциллографа К-115. Данленне рабочей жидкости в приводе устанавливали с помощью вентиля редуктора давления и контролиро- контролировали с помощью манометра. Температуру сплава в раздаточной печи определяли с помощью переносной термопары. Необходимая температура сплава поддерживалась системой анто- матнческого регулирования, которой были оснащены все раздаточные печи цеха. Так как термопара, задействованная в системе автоматического регулирования, была размещена в печном пространстве, то ее температура не соответствовала реальной температуре сплава. В связи с этим дополнительно использовали пере- переносную термопару. 198 6.11. Матрица планирования эксперимента с варьированием скорости поршня, давления в приводе и температуры сплава 6.12. Матрица планирования эксперимента' с варьированием скорости поршня, давления в приводе и температуры пресс-формы Ноиер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 0,5 1,0 1,0 0,5 0,5 1,0 1,0 0,5 0,05 0,05 0,07 0,07 0,05 0,05 0,07 0,07 660 660 660 660 620 620 620 620 Ноиер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 0,5 1,0 1,0 0,5 0,5 1,0 1,0 0,5 0,05 0,05 0,07 0,07 0,07 0,07 0,05 0,05 ** 20 20 20 20 100 100 100 100 Температуру пресс-формы контролировали переносной контактной термо- термопарой, а регулировали темпом работы машины и температурой раствора фтори- фтористого натрия. Для поддержания нижнего уровня температуры пресс-формы вод- водный раствор фтористого натрия имел температуру окружающей среды B0 °С). Для установкн верхнего уровня температуры пресс-формы водный раствор фто- фтористого натрия подогревали до 100 °С. Температуру смазочного материала- из- измеряли ртутным термометром. Результаты экспериментов представлены в табл. 6.13 и 6.14. Далее резуль- результаты экспериментов подвергали статистической обработке в целях получения уравнений регрессии вида F.4), описывающих связи Y± — f (xi, х2, х3) и У2 = . = f (х\, х%, х^). Длн расчета коэффициентов уравнений необходимо было пере- перевести переменные параметры по формуле F.1) в безразмерную форму и составить кодированные матрицы (табл. 6.15 и 6.16) планирования с фиктивной перемен- переменной Хо и нзаимодействнями переменных параметров XiX2, ХгХ$ и т. п. Используя данные табл. 6.15 и 6.16, по формуле F.3) вычисляли значения коэффициентов уравнений регрессии (табл. 6.17, 6.18). Подставляя значения коэффициентов в уранненне F.4), получим выраже- выражения, связывающие показатели качества отливки с переменными параметрами процесса литья под давлением, выраженными в безразмерной форме. Для пер- первого экспериментального исследования Yt = 2,716 — 0,0035Xj — 0,00125XS + + 0,00175XS — 0,0225XiXa + + 0,00075XiXs + 0,0015X2XS; Yt = 2,0 + 0,25Xi + 0,25X2 — 0,5X8 — — 0,25XiXa — 0,75X2Xs. Для второго экспериментального исследования Yt = 2,711 — 0,00587Xi — 0,00437 Xa + + 0,00312X4 — 0,00437XiX2+ 0,00162XiX4-i- + 0,00162X2X4+ 0,002l2XiX2X4; Yo = 3,0 + 0,625Xi + 1,125X2 — 0,375X4 + + 0,375XiX2 — 0,125XiX4 — 0,125XaX4 — 0,375X1X2X4. Свободные члены Во уравнения определяют значение показателей качества отливок, которые получились бы при изготовлении их иа основных уровнях переменных параметров, т. е. при Xi = Хг = Х3 = Х4 = 0. Чтобы представить переменные параметры в полученных уравнениях ре- регрессии в натуральной форме, необходимо подставить в эти уравнения выраже- 199
в. 13. Результата первого Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 Скорость поршия, м/с *1 0,5 1,0 1,0 0,5 0,5 1,0 1,0 0,5 экспериментального исследования Давление в приводеа Па 0,05 0,05 0,07 0,07 0,05 0,05 0,07 0,07 Температура сплава, ?с 660 660 660 660 620 620 620 620 Плотность отливкн, 10» кг/м» У. 2,718 2,717 2,713 2,723 2,719 2,715 2,705 2,718 Число дефектных отливок в партии, шт. У| 2 2 1 1 1 2 4 3 в. 14. результаты второго экспериментального исследовании Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 Скорость поршня, м/с Хг 0,5 1,0 1,0 0,5 0,5 1,0 1,0 0,5 Давление в приводе, Па х§ 0,05 0,05 0,07 0,07 0,07 0,07 0,05 0,05 Температура материала. С Xt 20 20 20 20 100 100 100 100 Плотность отливки, г/см» Yt 2,713 2,713 2,688 2,716 2,718 2,705 2,715 2,719 Число дефектных отливок в партии, шт. Y, 2 2 6 3 3 4 2 1 ния F.1) с учетом данных табл. 6.11 и 6.12. Коэффициенты уравнений регресснн в натуральной форме приведены в табл. 6.19 и 6.20. Для первого экспериментального исследования Yi = 2,9975 — 0,056*! — 0,00425*а — — 0,000475*8 — 0,0009*1*2 + 0,00015^^ -f + 0,000075*.*s; Уа == —152,25 + 33,0*i + 2,425*а + + 0,2375*8 — 0,05вд> — 0,00375x2*3. Для второго экспериментального исследования Уг = 2,636 + 0,148xi+ 0,00159*а + + 0,00067*4 — О.ООЗед, — 0,0011*!*4 — 0,000011*2*4 + + 0.000021ЗД*!; Га = 10,125 — 19,25*! — 0,15*а — 0,15*4 + + 0,375*!*а + 0,21*!*4 + 0,0025*2*4 — 0,00375*1*2*1. Анализ полученных уравнений регрессии показывает, что наиболее высокая плотность отливок достигается при следующих значениях переменных параме- параметров: xt = 0,5 м/с, *s = 0,06 Па, *в = 640 °С и ж» = 100 СС. При подстановке 200 в. 15. Кодированная матрица планирования для первого экспериментального исследования Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 is. hi -1 -1 -1 -1 -1 -1 Ll ISt т t\ —1 —1 +1 +1 1 X, —I —1 +1 +1 —1 —1 +1 +1 X, hi -1 -1 -1 —1 —1 —1 —1 *„ +1 —1 +1 —1 +1 —1 +1 —1 —I +1 +1 —1 +1 ——1 —1 +1 I 1 -1 —1 1 * «4 +1 —1 +1 —1 1 +1 —1 +1 Yt 2,718 2,717 2,713 2,723 2,719 2,715 2,705 2,718 Y, 2 2 1 1 1 2 4 3 в.1в. Кодированная матрица планирования для второго вкспернментального исследования Номер опыта I 2 3 4 5 6 7 8 hi -1 Ll Ll 4 4 -1 -1 Хг — 1 + 1 + 1 1 — 1 + 1 + 1 —1 X, -1 1 1 —1 xt —1 —1 -1 —1 4 Ll Ll 4 M, +1 —1 +1 —1 1 +1 1 +1 «. +1 —1 —1 +1 —1 +1 +1 —1 +1 +1 —1 J +1 +1 —1 —1 —1 +1 —1 +1 —1 +1 J +1 * 2,715 2,713 2,688 2,716 2,718 2,705 2,715 2,719 Y, 2 2 6 3 3 4 2 1 6.17. Коэффициенты уравнения регрессии для переменных параметров в безразмерной форме для первого экспериментального исследования Yt Y* Bi Yt Ya в. +2,716 +2,0 BU —0,00225 0 B! —0,0035 +0,25 +0,00075 —0,25 Bs —0,00125 +0,25 в,, +0,0015 —0,75 в, +0,00175 —0,5 B«j 0 0 201
в. 18. Коэффициенты уравнения регрессии для переменных параметров в безразмерной форме для второго экспериментального исследования й В1 й Во +2,711 +3,0 —0,00437 +0,375 в, —0,00587 +0,625 В,4 +0,00162 —0,125 в, —0,00437 + 1,125 в.. +0,00162 —0,125 в* +0,00312 —0,375 Вт +0,00212 —0,375 6.19. Коэффициенты уравнений регрессии дли переменных параметров в натуральной форме для первого экспериментального исследования Y2 bi Й +2,9975 —152,25 bu —0,0009 0 ft. —0,056 +33,0 in +0,00015 —0,05 b, -0,00425 +2,425 bu +0,000075 —0,00375 —0,000475 +0,2375 but 0 0 6.20. Коэффициенты уравнений регрессии для переменных параметров в натуральной форме для второго экспериментального исследования Й bl Й ft. +2,636 + 10,125 Ьг, —0,003 +0,375 Ьг +0,148 —19,25 »14 —0,0011 +0,21 fts +0,00159 —0,15 —0,000011 +0,0025 +0,00067 -0,15 +0,000021 —0,0375 202 6.21. Уровни и интервал варьировании переменных параметров прн оптимизации режимов Переменный параметр Услов- Условное обо- обозначение '/пап Скорость прессующего поршня, м/с Давление в приводе, Па Ч х2 0,7 0,150 2,1 0,300 1,4 0,225 0,7 0,075 6.22. Матрица планирования и результаты эксперимента при оптимизации режимов изготовления отливки «Крышка» Номер опыта 1 2 3 4 - 0,7 0,7 2,1 2,1 х, 0,150 0,300 0,150 0,300 ы -1 -1 -1 X. till X, 7+7+ Плотность отлнвки, кг/м* к, 1788 1791 1775 1790 Площадь узорчатой поверхности, % Y, 80 43 13 5 этих значений в уранненне плотности отлнвки для первого эксперимента полу- получим Yi = 2719,5 кг/м3. Если повысить давление до 0,07 Па, то плотность отлнвкн увеличится до Y^ = 2720,5 кг/м3. С увеличением скорости поршня до 0,7 м/с прн том же давлении плотность отлнвкн несколько понизится н составит У* = = 2715,9 кг/м3. Таким образом, для повышения плотности отлнвок «Корпус* необходимо увеличивать давление в прнводе н снижать скорость поршня. По техническим характеристикам в прнводе машины мод. 51Б5 не рекомен- рекомендуется увеличивать давление более 0,07 Па. Поэтому целесообразно повышать давление прессования, уменьшая диаметр камеры прессования, что, в свою оче- очередь, снижает скорость впуска металла в форму. Расчеты показывают, что уменьшение диаметра наполнительного стакана от 40 до 30 мм позволяет повысить давление на металл от 1,0 до 1,8 Па прн дав- давлении в прнводе 0,07 Па. Скорость впуска металла в форму прн скорости поршня 0,5 м/с с уменьшением диаметра наполнительного стакана снизится с 2,5 до 1,25 м/с. Аналогично можно проанализировать и влияние переменных! параметров на чистоту поверхности отлнвкн. Оптимизация режимов изготовления отливки «Крышка» . Целью оптимиза- оптимизации режимов лнтья являлось определение значений переменных параметров для изготовления отлнвок с заданными плотностью и чистотой поверхности. В качестве переменных параметров процесса лнтья под давлением были взяты скорость прессующего поршня н давление в прнводе машины. Прн варьи- варьировании двух параметров на двух уровнях был проведен экспернмент типа 2а, состоящий из четырех опытов. В каждом опыте было изготовлено по три отлнвки, а соответственно для всего эксперимента 12 отлнвок. Уровни переменных параметров представляли границы исследуемой области по данному параметру. Их выбнралн таким образом, чтобы любое нх сочетание было бы реализуемо и не приводило бы к абсурду. Значения уровней и ннтервалон варьирования по каждому параметру представлены и табл. 6.21. Матрица планирования полного днухфакторного эксперимента и результаты эксперимента представлены в табл. 6.22. 203
В безразмерной форме верхний и нижний уровни принимают соответственно значения +1 и —1, а основной уровень 0. Параметр Хо является фиктивной пере- переменной и принимается равным +1. Качество отливок оценивали по результатам измерения их плотности и на- наличию на их поверхности видимых невооруженным глазом следов несварнв- шихся потоков сплава. Плотность отливок измерялась гидростатическим взвеши- взвешиванием, а чистота поверхности отливок оценивалась по проценту площади с узор- узорчатой поверхностью. Отлнвки изготовляли на машине литья под давлением мод. CLOO 250/25. Температура металла в раздаточной печи поддерживалась на заданном уровне с помощью автоматического регулятора. Температура пресс-формы фиксирова- фиксировалась встроенной термопарой и поддерживалась в заданных пределах темпом работы машины. Скорость прессующего поршня изменялась специальным вен- вентилем и регистрировалась прибором на базе тахогенератора. Давление в приводе машины изменялось специальным вентилем и контролировалось манометром. Связь между показателями качества отлнвки и переменными параметрами будем описывать линейными уравнениями Yx = Во + ВХХХ + BaAV, | Ка = Во + BxXi + ВаХа, J Коэффициенты В] находим по формуле F.3): для Y\ В„ = 1,786, Bj = —0,0035; Ва = 0,0045; для Ya В, = 35,25, Вг = —26,25; В2 = 11,25. Подставляя полученные коэффициенты в уравнение F.5), получим систему уравнений, описывающих процесс изготовления отлнвок «Крышка» на машине мод. CL ОО 250/25: \Г 1 1QC Л ЛАОСУ t Л ППЛКУ • "\ F.6) Кх = 1,786 —0,0035Хх + 0,0045Хя; Ка = 35,25 — 26,25ХХ — 11,25Ха. Оценка значимости коэффициентов по критерию Стьюдента показала, что коэффициенты Bi и Ва для Yx оказываются значимыми с вероятностью Р=0,7, а коэффициенты Вх н В2 для Ya — с вероятностью Р = 0,98. Причиной низкой вероятности значимости коэффициентов Вг н В2 для Yt может быть несовершен- несовершенство методики определения плотности отлнвок из магниевых сплавов гидроста- гидростатическим взвешиванием, так как значения плотностей магниевых сплавов н воды близки. Проверка адекватности уравнений по критерию Фишера показала, что они адекватно описывают эксперимент с вероятностью Р — 0.99. Система уравнений F.6) с параметрами в натуральной форме будет иметь вид Yx = 1,779 — 0,005*! + 0,00006*а; | ^=121,5 — 37,5*! —0,15*а. j Определим значения *j и *2, используя уравнения F.7), если требуетси получить отлнвки с плотностью Ki = 1800 кг/м' и площадью узорчатой поверх- поверхности Ya = 5%. Подставляй в систему уравнений F.7) значения У"! и Yt, получим систему из двух уравнений с двумя неизвестными: 1,8= 1,779 — 0,005% + 0,00006ха, 5=121,5 — 37,5*! — 0,15*а. Решение этой системы уравнений дает следующие значения неизвестных: х\ = 1,3 м/с и *а = 0,46 Па. Однако по технической характеристике машина мод, CL ОО 250/25 не мо- может обеспечить давление в приводе более 0,33 Па, Для получения в камере прес- 204 сования давления металла, пропорционального расчетному значению давления в приводе, можно уменьшать диаметр наполнительного стакана и соответственно диаметр пресеующего поршня. Прн этом необходимо выполнить условие равен- равенства усилий прессования где *а = 0,46 Па — расчетное значение давления в приводе; *атах = 0,33 Па — максимально возможное давление в приводе; Fnl н Fna — площади поперечного сечения прессующего поршня соответственно прн х2тах = 0,33 Па и *2 = 0,46 Па; dnl = 70 мм диаметр прессующего поршня прн *2Шах = 0,33 Па; dnt— диаметр прессующего поршня при *2 = 0,46 Па, Из этого условии находим <*па = dnl "|/*а шах/Ха = 60 ММ. Однако с уменьшением диаметра наполнительного стакана уменьшается скорость впуска металла в форму. В соответствии с уравнением неразрывности потока будем иметь Fnv = fnw, где V — скорость прессующего поршня; /п — площадь поперечного сечения пита- питателя; ш — скорость впуска металла в форму. Для сохранения расчетной скорости впуска необходимо выполнить условие где *, и *{ — соответственно скорости поршня при давлении в приводе 0,33 и 0,46 Па. Подставляя в формулу F.8) известные величины, получим х{ = 1,8 м/с. Таким образом, для изготовления отлнвок «Крышка» плотностью Yf — = 1 800 кг/м3 и площадью с узорчатой поверхностью Ya = 5% необходимо вы- выдержать переменные параметры в следующих пределах: х[ = 1,8 м/с; *а = = 0,33 Па и dm = 60 мм. Оптимизация режимов изготовления отливки «Колесо». Прн оптимизации режимов изготовления отливки «Колесо» использовали симплексный метод. По- Показателями качества отливок считали плотность У^, временное сопротивление разрыву Y2 и чистоту поверхности К3- Переменными параметрами являлись тем- температура сплава *х, скорость прессующего поршня *2, давление в приводе *8. Уровни и интервал варьирования переменных параметров приведены в табл. 6.23. Матрица планирования эксперимента типа 23 и результаты эксперимента приведены в табл. 6.24. Плотность отлнвок определяли гидростатическим взвешиванием. Временное сопротивление разрыву образцов, вырезанных нз отливок, определяли на раз- разрывной машине, а чистоту поверхности — методом экспертных оценок по клас- классификатору: если на поверхности отливки не было дефектов, то присваивали 4 балла; если имелся неглубокий узорчатый рисунок, то присваивали 3 балла, если на поверхности отливки узорчатый рисунок имел значительную глубину, то присваивали 2 балла; когда же на поверхности отливки были видны следы по- потоков металла и имелись неспан, то качество поверхности оценивалось 1 бал- баллом. Каждый опыт в эксперименте повторяли трижды, а показатели качества от- отлнвок оценивали по среднему значению. С помощью данных табл. 6.24 и формулы F.3) были определены значения коэффициентов уравнений регрессии (табл. 6.25). Система уравнений регрессии с учетом вычисленных коэффициентов имеет вид Гх = 2,624 + 0,005^! + 0,002Ха + 0, Y2 = 19,875 — 0,375^! + 0,625Ха -f 0, Ys = 3,138 — 0,213*! + 0,213Ха + 0,213Х„. J 205
6.23. Уровень и интервал варьирования переменных параметров при оптимизации режимов Переменный параметр Температура сплава, еС Скорость прессующего порш- поршня, деления Давление в приводе, Па Услов- Условное обо- обозначение ч *2 *8 х) mm 600 3 0,160 xjmax 660 12 0,280 xioes 630 7,5 0,220 30 4,5 0,060 в.24. Матрица планирования и результаты эксперимента при оптимизации режимов Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 600 600 600 600 660 660 660 660 3 3 12 12 12 12 3 3 160 280 280 160 160 280 280 160 —1 —1 —1 —1 Ll -1 -1 -1 X, —1 —1 + 1 + 1 + 1 + 1 j —1 xt —1 —1 +1 —1 —1 +1 +1 —1 Плот- Плотность отливки, кг/м* Y, 2605 2632 2630 2611 2620 2645 2645 2607 Времен- Временное соп- ротивле- ротивление раз- lO-'^na Y, 19 21 20 21 21 20 19 18 Чистота поверх- поверхности, балл Y, 3,0 2,7 4,0 3,7 2,0 3,7 3,0 3,0 Так каи на поверхность отливки наносится декоративное покрытие, каче- качество которого определяется качеством поверхности отлнвки, то целевой функ- функцией была выбрана чистота поверхности отливкн Y3. Остальные показатели ка- качества отлнвки были взяты в качестве ограничений: Y< ^2,64-Ю3 кг/м3; Уа ;> >20-Ю-6 Па. Таким образом, было необходимо найти Х\, х2 н хв, при которых достигалась бы максимальная чистота поверхности отливки, временное сопротивление образцов, вырезанных из отлнвок, было бы не менее 20-Ю Па, а плотность отлнвок — не менее 2,64-103 г/м3. Проведя замену переменных и сделав необходимые преобразования, найдем максимальное значение целевой функции при ограничении» Ya = 3,138 — 0,213X2 + 0,213Х8 0,037 — 0,005XJ — 0,002*2 — 0.014XJ 0,5 + 0.375XJ — 0,625Хг — 0,125Хз < 0; 2 —Xi>0; 2 —Х2>0; 2—Х8>0, F.9) где Х{, Х'ъ и Х'й — переменные параметры, учитывающие введение ограничений на показатели качества Y1 и Уа, 206 в.25. Коэффициенты уравнений 6.26. Матрица условий задачи регрессии, описывающие связь оптимизации режимов изготовления переменных параметров и показателей отливки «Колесо» с максимальной качества чистотой поверхности Коэффи- Коэффициент в. Bi в3 Вш Показатель 2,624 0,005 0,002 0,014 YS 19,875 —0,375 0,625 0,125 качества у* 3,138 —0,213 0,213 0,213 Коэф- фици- еит Во 3,138 2 2 2 0,037 0,5 Коэффициенты Bt в,, в. при перемеииых параметрах Xi —0,213 —1 0 0 0,005 0,375 Xi 0,213 0 —1 0 —0,002 —0,625 хш 0,213 0 0 —1 —0,014 —0,125 Система ограничений F.9) вытекает из условий ограничении переменных пара- параметров интервалами варьирования при проведении эксперимента или 0<Ху<2. , Чтобы выполнить условия неотрицательности значений переменных пара- параметров, в неравенстве F.10) отбрасывается левая часть X^^0, а правая часть преобразуется: 0 < 2 — X;. Далее формируется матрица условий задачи (табл. 6.26). Решение задачи оптимизации дает следующие значения переменных пара- параметров: Х{=1; Хг = 2; Хд = 2; Хх — 0; Х2 = 1; Х3=1. После подстановки значений Xi, X2 н Xs в целевую функцию и ограничения н перевода переменных в натуральный масштаб получим, что отлнвкн с чистотой поверхности 3,5 балла, плотностью 2,64-103 кг/м3 и временным сопротивлением разрыву 20-10~3 Па можно изготовить прн температуре заливаемого сплава 630 СС, скорости прессующего поршня, соответствующей 12 делениям на шкале вентиля, и давлении в приводе 0,280 Па. 6,3. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Причины нестабильности качества отливок. Качество отливок, изготовляемых литьем под давлением, определяется целым рядом факторов, к числу которых, в первую очередь, следует отнести переменные параметры технологического процесса. Это, прежде всего, температуры сплава и пресс-формы, скорость прессующего поршня, давление в приводе. Получение отливок высокого качества возможно только при оптимальных значениях переменных параметров. Однако на прак- практике, даже при изготовлении отливок на оптимальных режимах, получают значительный разброс показателей качества. Причина этого заключается в том, что установленные оптимальные значе- значения переменных параметров не выдерживаются в процессе изго- 207
380 товления отливок, ». е. не- нестабильность качества отли- отливок является следствием нестабильности переменных параметров технологическо- технологического процесса. В целях установления реальных диапазонов изме- 8 9 ю 11 iz 13 14- %ч нения переменных парамет- ,, с. „ . ров. их связи с показателя- Рис. 6.1. Изменение температуры/мцинко- „ _ л вого сплава в раздаточной печн в тече- ми качества отливок оыли ние рабочей смены (т — время) проведены исследования о измерением переменных па- параметров и оценкой качества отливок [72]. Температура сплава. Температура сплава при заполнении формы определяет качество будущей отливки, поэтому очень важно знать, как выдерживается заданная температура сплава в раздаточной печи. Современные автоматические регуляторы позволяют поддерживать в раздаточной печи температуру с точ- точностью ±10 °С. Однако фактически температура сплава колеб- колеблется значительно больше из-за периодического пополнения раздаточных печей новыми порциями расплава или чушками. Добавление чушек может вызывать также изменение химического состава сплава. Рассмотрим изменение температуры цинкового сплава в раз- раздаточной печи в течение рабочей смены (рис. 6.1). Температуру сплава измеряли через каждые 5 мин с помощью термопары по- погружения. Раздаточная печь имела систему автоматического регулирования температуры печного пространства. Литейщик изготовлял отливки на машине мод. 51Б5 и периодически (через 15—20 мин) добавлял в тигель раздаточной печи чушки цинкового сплава. За 3 ч работы происходили колебания температуры сплава в пределах 30 °С с заметным снижением средней температуры. Колебания и снижение температуры сплава связаны с автоматиче- автоматическим регулированием, т. е. включением и выключением нагрева- нагревательного устройства, и добавлением холодных чушек. Последу- Последующее повышение температуры сплава в раздаточной печи связано с перерывом на обед литейщика. В это время чушки не добавляли. Температура сплава в процессе дальнейшей работы литейщика поднялась до 440 °С, несмотря на периодические добавления чушек. Это связано с большой инерцией температуры, которой обладает расплав в тигле раздаточной печи. В конце рабочей смены литейщик загрузил несколько чушек в раздаточную печь, и температура сплава стала резко снижаться. Таким образом, в течение рабочей смены колебание температуры сплава в раз- раздаточной печи составило 60 °С, что, естественно, отразилось на качестве отливок. При перегреве сплава на отливках стали по- 208 1 Z 3 4- 5 6 7 В 9 N3 4 S 8 N3 ¦- о) Рнс. 6.2. Изменение температуры *п_ф пресс-формы в зависимости от числа Na запрессовок, диаметра толкателя с термопарой н места его расположения являться вздутия, а при низких температурах ухудшалась их чистота поверхности. Температура пресс-формы. Стабильность температуры пресс- формы зависит от эффективности системы ее охлаждения или подогрева. При отсутствии таких систем стабильность темпера- температуры пресс-формы определяется постоянством темпа работы ма- машины, составом и состоянием смазывающего материала, стабиль- стабильностью температуры заливаемого сплава. При использовании в качестве смазывающего материала пресс-формы водного раствора фтористого натрия, который наносится на рабочие поверхности пресс-формы путем запрессовки, большое значение имеет пери- периодичность смазывания. Для исследования изменения температуры пресс-формы в про- процессе изготовления отливок использовали встроенные термопары, установленные в толкателях, и шлейфовый осциллограф. Одна термопара была установлена в толкателе диаметром 16 мм, кото- который расположен в рассекателе (рис. 6.2, а), другая — в толкателе диаметром 8 мм, расположенном в рабочей полости формы (рис. 6.2, б). С помощью термопар различной чувствительности было определено изменение температуры пресс-формы в разных точках в зависимости от числа циклов работы машины. Эти данные свидетельствуют о том, что изменение температуры пресс-формы носит циклический характер. Максимум достигается к моменту раскрытия пресс-формы, а минимум — к началу заполнения формы расплавом. Кромке того, от цикла к циклу происходит изменение максимальных и минимальных значений температуры. При установившемся тепловом режиме и равномерном темпе работы машины амплитуда колебаний температуры будет иметь постоянную величину. Различные отклонения от установившегося режима приводят к нестабильности температуры пресс-формы. Особенно существенно дестабилизирует процесс литья под давле- давлением неритмичное смазывание пресс-формы водным раствором 209
20 Njp om/,,% Рнс. 6.3. Зависимость числа #бр. отл бракованных отлнвон от периодичности смазывания пресс-формы (NCM — интервал смазывания) Рнс. 6.4. Повторяемость я0 скоро- скорости оПр пресс-поршня в процессе из- изготовления отлнвон фтористого натрия (рис. 6.3). Увеличение интервалов смазывания приводит к увеличению брака отливок. Уменьшению перепадов температуры рабочей поверхности пресс-формы способствует подо- подогревание водных растворов смазывающих средств. Скорость прессующего поршня. Скорость перемещения прессу- прессующего поршня определяет скорость впуска расплавленного ме- металла в форму, которая влияет на качество формируемой отливки. Для контроля скорости прессующего поршня в процессе изготовления отливок был использован стрелочный прибор, фикси- фиксирующий максимальную скорость. Отливки из цинкового сплава изготовлялись на машине мод. 71107. Вентиль регулирования скорости поршня был открыт на 72/з оборота, что по тарировоч- ному графику соответствовало скорости 1,36 м/с. Одновременно с изготовлением отливок выполнялись замеры скорости прессу- прессующего поршня. Было произведено 70 измерений, и по ним был построен график изменения скорости прессующего поршня (рис. 6.4). Из графика видно, что скорость поршня представляет собой случайную величину, которая колеблется относительно среднего значения, равного 1,36 м/с. На графике по оси ординат отложена частота п появления случайной величины. Диапазон колебаний скорости поршня находится в пределах от 1,17 до 1,58 м/с. Такие изменения от цикла к циклу являются причиной изменения качества отливок. Вероятность того, что скорость поршня окажется в пределах 1,3—1,4 м/с, составляет 0,67. Причинами нестабильности скорости прессующего поршня могут быть нестабильность порций металла, заливаемого в камеру прессования, колебания давления в аккумуляторе, изменение вязкости рабочей жидкости в гидроприводе, утечки рабочей жидкости, сбои в работе элементов гидравлической аппаратуры, состояние прессующей пары. 210 4 5 nlto6 Рис. 6.5. Изменение скорости опр пресс-поршня в зависимости от числа оборотов веитнля яв н давле- давления в аккумуляторе, Паз 1 — 0,092; 2 — 0,075 Нестабильность порции залива- заливаемого металла приводит к изме- изменению длины хода поршня в пери- период разгона, что влечет за собой изменение скорости прессующего поршня, если период его разгона не закончился. К сбоям в работе гидроап- гидроаппаратуры может быть отнесено запоздалое или преждевременное включение второй фазы переме- перемещения поршня. Часто причиной этого является ненадежность кон- концевых выключателей. Очень часто причиной нестабильности скорости поршня бывает изменение трения в прессующей паре. Плохое смазывание, чрез- чрезмерный износ поршня и наполнительного стакана или неправиль- неправильный их тепловой режим приводят к подливам металла в зазор и резкому увеличению сопротивления перемещающемуся поршню. Давление в приводе. Давление в аккумуляторе влияет как на давление подпрессовки отливки, так и на скорость прессующего поршня, которая, в свою очередь, определяет параметры впуска металла в форму. В процессе работы машины литья под давлением происходят колебания давления и уровня рабочей жидкости в ак- аккумуляторе. То и другое приводит к изменению скорости прессу- прессующего поршня. Для установления влияния давления рабочей жидкости в ак- аккумуляторе на скорость прессующего поршня были проведены измерения скорости поршня при одинаковых положениях вентиля скорости и различном давлении в аккумуляторе (рис. 6.5). Анализ полученных результатов показывает, что уменьшение давления в аккумуляторе на 18% приводит к снижению скорости поршня на 20%. Основные способы стабилизации параметров технологического процесса. Параметры технологического процесса оказывают силь- сильное влияние на качество отливок, поэтому очень важно их стаби- стабилизировать. Стабилизация температуры металла в раздаточных печах. Одним из важнейших условий стабилизации качества отливок является постоянство температуры металла, заливаемого в ка- камеру прессования машины. Однако в большинстве случаев это условие не выполняется. Заливка алюминиевых сплавов под давлением часто ведется в интервале температур 620—680 °С. При пополнении раздаточных печей температура металла в раз- раздаточном ковше достигает 720—730 °С, т. е. превышение темпе- температуры доливаемого металла может быть 50—100 °С. Это приводит к повышению температуры металла в раздаточной печи и, как следствие, к дестабилизации качества отливок. Возникает необ- 211
ходимость определения емкости раздаточной печи, доливаемой дозы и промежутков времени между доливами, чтобы сохранить постоянной заданную температуру металла в раздаточной печи [12]. На практике при определении емкости раздаточной печи тем- температурный фактор не учитывают. Обычно расчет ведется по часо- часовому расходу металла, а основным требованием является быстрый разбор металла. Если учитывать температурный фактор, то паде- падение температуры металла при переливе его из раздаточного ковша в раздаточную печь будет равно Д* = t2 — t'2 = h — (mt — miti)/m2, F.11) где t2 и Vi — температуры металла соответственно в раздаточном ковше и металла, перелитого из него; т и тх — массы металла в раздаточной печи соответственно после и до перелива; t и tt — температуры металла в раздаточной печи соответственно после и до перелива; т2 — масса металла, перелитого из раздаточного ковша. Серия замеров температур t, tx и 1г при различных т, т1 и т2) проведенная для раздаточных печей вместимостью 800 кг, пока- показала, что падение температуры при переливе металла составляет в среднем 15 °С. Если в раздаточной печи температура металла должна быть F30 ± Ю) °С, то максимально допустимая температура металла в раздаточном ковше должна составлять 655 °С. После рафиниро- рафинирования при 730 °С металл остывает в раздаточном ковше вмести- вместимостью 400 кг до температуры F55 ± 5) °С в течение 30—40 мин. Это является сдерживающим фактором в повышении производи- производительности труда. Ликвидировать необходимость длительного вы- выстаивания можно за счет увеличения емкости раздаточной печи и уменьшения дозы долива. Массы металла в раздаточной печи до и после перелива опре- определяются из следующих выражений: щ = [(*, - АО - t) mj(t - у; т = [mJi -f- т2 (t2 — /Ht) ]/t. Масса металла, перелитого из раздаточного ковша в раздаточ- раздаточную печь, т2 = MQv, где М — масса дозы металла, заливаемого в камеру прессования машины; Q — производительность машины; <в — время между доливами металла в раздаточную печь. Время х должно быть достаточным для охлаждения металла в раздаточной печи до температуры ниже максимальной, заданной по технологии, на 15 °С. Таким образом, время <в равно времени охлаждения металла в данной раздаточной печи до заданной. 212 Если на> машине изготовляют отливки нескольких наименова- наименований, то емкость раздаточной печи определяют по отливке наиболь- наибольшей массы, принимая минимальное <е. Для отливки с наименьшей массой х будет максимальным. . Стабилизация температуры пресс-формы. Стремление под- поддерживать температуру пресс-формы в заданных пределах в тече- течение всего рабочего дня позволило сформулировать требования к автоматизированной системе, обеспечивающей термостатирование пресс-формы. Прежде всего эта система должна обеспечивать быстрый и равномерный подогрев рабочей полости пресс-формы перед началом работы, а также интенсивное охлаждение пресс- формы в процессе изготовления отливок. Во время вынужденных перерывов в работе система должна подогревать пресс-форму и поддерживать ее температуру в заданных пределах. Установлено [16], что во избежание отпуска материала вставок поверхность пресс-формы не должна нагреваться выше 400 °С. Распределение температур по элементам пресс-формы должно быть равномерным, чтобы исключить возможность искажения контура рабочей полости и образования холодных зон. Подогрев пресс- формы должен осуществляться в течение 1,0—1,5 ч. Равномерный нагрев рабочей поверхности пресс-формы обес- обеспечивает использование жидких теплоносителей. Каналы системы охлаждения пресс-формы служат в нужный момент и для нагрева. Важное значение имеет правильный выбор размеров и располо- расположения каналов охлаждения в пресс-форме. Отношение объема каналов к объему формы зависит от рабочей температуры. Чем она выше, тем меньше это отношение. Если нужно отвести значи- значительное количество теплоты, то каналы должны быть располо- расположены ближе к рабочей полости. Вместе с тем необходимо выдер- выдерживать требуемое соотношение площади каналов, площади от- отливки и скорости протекания теплоносителя. При соотношении площадей 1 : 1 достигается максимальная интенсивность охла- охлаждения. Скорость протекания теплоносителя должна быть не менее 2 м/с. Чем выше скорость протекания теплоносителя, тем больше интенсивность охлаждения. Стабилизация скорости пресс-поршня. Особенность процесса литья под давлением в том, что скорость пресс-поршня при за- запрессовке металла в форму должна изменяться по определенному закону. Этот закон один и тот же для машин с камерами прессо- прессования различных типов (рис. 6.6). Движение пресс-поршня должно происходить в два этапа: медленное перемещение на этапе / и быстрое на этапе //. Медленное перемещение пресс-поршня на первом этапе связано с необходимостью вытеснения фронтом металла воздуха, находящегося в металлопроводе машины с горя- горячей камерой или в наполнительном стакане машины с холодной горизонтальной камерой. Для машин с холодной вертикальной камерой медленное перемещение пресс-поршня на первом этапе необходимо для плавного и безударного входа в наполнительный 213
vnpn О Рис. 6^6. Закон изменения скорости оПр пресс-поршня в зависимости от его перемещения Snp стакан. Быстрое перемещение пресс-поршня на втором этапе связано с необходимостью при- приобретения кинетической энер- энергии расплавленным металлом, достаточной для заполнения полости формы и сваривания потоков металла. Нижний и верхний пределы изменения скорости пресс-поршня на пер- первом этапе определяются необхо- необходимостью сохранения заданной температуры расплава до его подхода к питателю и обеспе- обеспечения максимального вытесне- вытеснения воздуха фронтом металла из камеры прессования. На втором этапе движения пресс- поршня пределы изменения его скорости определяются кон- конфигурацией отливки и временем затвердевания металла. Таким образом, прессующий механизм машины литья под дав- давлением должен обеспечивать перемещение пресс-поршня по опре- определенному закону и с заданными скоростями на первом и втором этапах. Главной трудностью обеспечения заданного закона пере- перемещения пресс-поршня является определение момента начала второго этапа его движения. Если рассматривать процесс литья под давлением на машине с холодной горизонтальной камерой, то этот момент зависит от объема заливаемой в наполнительный стакан порции металла, так как с изменением этого объема изме- изменяется и ход пресс-поршня на первом этапе. Ход пресс-поршня можно определить по формуле где VK — объем камеры прессования и'литниковых каналов до питателя; Км — объем металла, заливаемого в камеру прессова- прессования; FK — площадь поперечного сечения камеры прессования. На практике включение высокой скорости осуществляют чаще всего по положению пресс-поршня. Для этого используют конце- концевой выключатель и кулачок, связанный со штоком пресс-поршня. При таком способе включения высокой скорости уменьшение объема заливаемого металла приводит к увеличению объема воздуха, захваченного металлом в камере прессования на этапе // движения пресс-поршня (см. рис. 6.6). Увеличение объема порции металла приводит к его входу в рабочую полость формы уже на этапе / движения пресс-поршня. В этом случае вследствие увели- увеличенного времени охлаждения металла в отливке будут наблю- наблюдаться неслитины. Поэтому такой способ включения второй ско- скорости может быть использован только при точном дозировании металла. 214 Оптимальным способом включения высокой скорости пресс- поршня является такой, при котором используется контроль подхода металла в зону питателей. Для этого могут быть при- применены электрические контакты или термопары. Не менее важным для стабилизации скорости пресс-поршня является обеспечение заданных скоростей на этапах lull дви- движения. Наличие при литье под давлением разнообразных случай- случайных возмущений приводит к непредвиденным отклонениям ско- скоростей. Наиболее существенное влияние на скорость пресс-поршня оказывают давление рабочей жидкости в приводе, трение пресс- поршня в камере прессования и гидравлическое сопротивление питателя. Давление рабочей жидкости в приводе изменяется в ре- результате утечек азота из аккумулятора и рабочей жидкости в соединениях, изменения температуры рабочей жидкости, нару- нарушений в работе регулирующих клапанов. Трение пресс-поршня в камере прессования возрастает при плохом смазывании тру- трущихся поверхностей, чрезмерном износе пресс-поршня и камеры прессования, а также при сильном перегреве металла, приводя- приводящем к подливу металла в зазор и заклиниванию пресс-поршня. Гидравлическое сопротивление питателя может существенно изменять скорость пресс-поршня при больших колебаниях тем- температуры заливаемого металла, т. к. с изменением вязкости ме- металла изменяется и скорость его прохождения через питатель. Обеспечить заданный график движения пресс-поршня можно только с помощью автоматических регуляторов, использующих следящий привод. Технические средства стабилизации технологических пара- параметров. Стабилизировать параметры технологического процесса можно с помощью различных технических средств. Устройство для регулирования температуры металла в раз- раздаточной печи. Оно предназначено для работы в автоматическом режиме как автономно, так и в комплексе с другим оборудова- оборудованием [36], что позволяет автоматически регулировать не только температуру, но и уровень металла в раздаточной печи. Кроме того, данное устройство контролирует обрыв нагревателей печи. Для измерения температуры металла в раздаточной печи используют хромель-алюмелевые термопары с чехлом. В качестве' датчиков уровня металла применяют концевые выключатели в виде электродов, замыкаемых расплавом. Работу нагревателей контролируют по наличию напряжения в каждой фазе питания (рис. 6.7). В нормальном режиме с А, В, С снимается напряжение и с помощью токовых приставок ПТ1, ПТ2 и ПТЗ производится его выпрямление. На выходе каждой цепи установлены сглаживающие фильтры RC и пороговые эле- элементы 91, Э2, 93, выдающие логический ноль при наличии на входе напряжения и логическую единицу при отсутствии напря- напряжения. Отсутствие напряжения в одной из фаз питания преобра- преобразуется с помощью конъюнктора & и инвентора / в сигнал управ- 215
Э1 ML На ЭВМ Рис. 6.7. Схема для обнаружения обрыва электронагревателей ления У, поступающий в ЭВМ, которая отключает раздаточную печь и подает аварийный сигнал. Для автоматического регулирования температуры металла в раздаточной печи используют тиристорный трехфазный регулятор напряжения. Сила тока управления.тиристором изменяется сту- ступенчато. В цепь управления тиристором подключают один или два резистора, в результате чего обеспечиваются три ступени регулирования. Если оба резистора отключены, то нагрев печи отсутствует. При подключении одного резистора производится частичный нагрев печи, а при подключении двух резисторов — полный нагрев. Алгоритм управления температурой металла в раздаточной печи позволяет выполнять следующие функции: вызов датчика температуры и запоминание ее значения; сравнение полученного значения с заданным, а также с минимально и максимально возможными; выдача сигнала о невозможности заливки в резуль- результате перегрева или переохлаждения металла; выдача сигнала на выключение электронагревателей печи при температуре металла, превышающей заданную на величину большую, чем установлен- установленный перепад; выдача сигнала на выключение электронагревате- электронагревателей печи при температуре металла, превышающей заданную в пределах установленного перепада в целях" дальнейшего нагрева за счет инерции печи; выдача сигнала на включение одной сту- ступени нагрева печи при температуре металла выше заданной, но в пределах установленного перепада и тенденции к охлаждению; выдача сигнала на полное выключение печи при температуре металла выше заданной, но в пределах установленного перепада и тенденции к дальнейшему нагреву; выдача сигнала на включе- включение первой ступени нагрева при температуре металла ниже за- заданной, но в пределах установленного перепада и тенденции к 216 дальнейшему охлаждению} выдача сигнала на вклю- включение обеих ступеней на- нагрева при температуре ме- металла ниже установлен- установленного перепада; вызов дат- датчика контроля состояния нагревателей печи и вы- выдача сигнала о их неис- неисправности. Установка для термо- статирования пресс-фор- пресс-формы. В практике литья под давлением для пред- предварительного разогрева форм используют газовые горелки и электронагре- электронагреватели. Однако как в на- нашей стране, так и за ру- рубежом все шире стали ис- использовать установки для подогрева и охлаждения форм с по- помощью жидких теплоносителей. В СССР создана установка термостатирования мод. УТ-1 [16]. Ниже приведена ее техниче- техническая характеристика. 2 3 * 5 Рис. 6.8. Схема термостата Диапазон регулирования температуры теплоносителя, РС Теплоноситель 150—250 Масло компрессорное Число термостатов в установке, шт . 6 Расход теплоносителя на одни канал, м*/мин 0,025 Давление теплоносителя, Па 0,003 Расход воды на охлаждение одного термостата, м3/мин.... 0,04 Габаритные размеры, м 0,9X0,8X1,9 Масса установки, кг: без теплоносителя 550 с теплоносителем 750 Установка представляет собой шкаф, разделенный на два отсека. В одном отсеке размещается электрооборудование. При- Приборы, регулирующие процесс нагрева и охлаждения теплоноси- теплоносителя, вынесены на панель. На этой панели размещены также сигнальные лампочки и переключатели. В другом отсеке, разде- разделенном на две части, установлено шесть термостатов по три в каждой части. Термостаты связаны с каналами охлаждения — нагрева формы гибкими соединительными рукавами, снабжен- снабженными быстроразъемными соединениями. Термостаты оснащены термометрами. Вся установка может перемещаться по цеху на колесах. Наиболее важным узлом установки является термостат (рис. 6.8). Он представляет собой теплоизолированный бак /, 217
Рис. 6.9. Блок-схема автома- автоматического регулятора скоро- скорости пресс-поршня и давления прессования фирмы Sanders (США) заполненный теплоносителем 4 и закрытый крышкой. В крышку вмонтированы трубчатый электронагреватель 2, температурное реле 3, двухконтурный теплообменник 5, насос 6, поплавковое устройство 7, терморегулирующее устройство 9, электромагнит- электромагнитный клапан 8 и датчик температуры 10. Термостат работает следующим образом. Теплоноситель 4, нагретый трубчатыми электронагревателями 2, подается насо- насосом 6 в каналы формы по трубопроводу /, где он отдает свою теплоту и возвращается в бак. Если температура возвращенного по трубопроводу // теплоносителя выше заданной, то происходит отключение нагрева и включение подачи холодной воды в тепло- теплообменник 5. Охлажденный теплоноситель по трубопроводу /// поступает в форму и охлаждает ее. Если же температура возвра- возвращенного по трубопроводу IV теплоносителя ниже заданной, то отключается подача воды и включается нагрев. Таким образом, температура формы контролируется косвенным путем по темпе- температуре возвращаемого теплоносителя. Контроль и регулирование температуры теплоносителя осуществляется с помощью термо- термометра, установленного на панели, и датчика температуры 10, находящегося в баке термостата. При разогреве формы до заданной температуры на пульт управления машиной с помощью температурного реле 3 подается сигнал о готовности. При температуре теплоносителя выше 250° С терморегулирующее устройство 9 отключает подачу электро- электроэнергии на нагреватели 2. Установка может регулировать темпе- температуру одновременно в шести зонах, т. е. обслуживать одну круп- крупную или несколько небольших пресс-форм. Автоматические регуляторы скорости пресс-поршня и давле- давления в приводе. Автоматическое регулирование скорости пресс- поршня и давления в приводе можно осуществлять программи- программируемым задатчиком, разработанным американской фирмой San- Sanders (рис. 6.9). Регулятор включает следующие элементы: про- программируемый задатчик 1, цепь управления скоростью пресс- поршня, состоящую из сервоклапана 2, вентиля расхода жидко- жидкости 3 и датчика расхода 4, цепь управления давлением прессова- прессования, имеющую те же элементы, а также датчик давления 5, гидро- гидроцилиндр механизма прессования 6. 218 Рис. 6.10. Закон переме- перемещения пресс-поршня и сигналы управления ис- исполнительными устрой- устройствами: Ig — сигнал управлении перемещением пресс-порш- пресс-поршня; /_ — сигнал управле- управления давлением прессова- прессования J r f Jx 1 F f и / ш 'IE! N г— 7 \ i Автоматический регулятор обеспечивает перемещение пресс- поршня по заданному закону во время всего литейного цикла. Заданное давление прессования выдерживается в процессе за- затвердевания отливки. Сигналом для включения цепи автоматиче- автоматического регулирования давления служит остановка пресс-поршня в конце процесса заполнения пресс-формы и резкое увеличение давления в гидроцилиндре. Закон перемещения пресс-поршня и соответствующие этому перемещению сигналы управления исполнительными устрой- устройствами применительно к машине с холодной горизонтальной камерой показаны на рис. 6.10. Участок / движения пресс-поршня состоит из участка /' низкой скорости, необходимой для пере- перекрытия заливочного отверстия и вытеснения воздуха из камеры прессования, и участка /* высокой скорости, которую пресс- поршень приобретает перед заполнением пресс-формы металлом. На участке // движения пресс-поршня происходит заполнение формы металлом. Этот участок может начинаться либо с момента разгона пресс-поршня, либо в период разгона, либо после раз- разгона, в период установившегося движения. На участке /// пресс- поршень останавливается, что соответствует окончательному за- заполнению пресс-формы металлом. В этот момент программируе- программируемый задатчик автоматически переключается с регулирования скорости пресс-поршня на регулирование давления. Система управления позволяет выдерживать переходное и установив- установившееся давления. Управление давлением осуществляется серво- клапаном давления. На участке IV процесса литья под давлением происходит раскрытие пресс-формы и одновременное перемеще- перемещение пресс-поршня с целью выталкивания пресс-остатка из камеры прессования. На участке V пресс-поршень возвращается в исход- исходное положение. Управление движением пресс-поршня на участках /, //, IV и V осуществляется с помощью сервоклапана скорости (рис. 6.11). Сервоклапан 4 регулирует расход рабочей жидкости в гидроцилиндре 2 путем перемещения золотника 6 в вентиле 5. Время перемещения золотника составляет 0,001 с. Расход рабо- 219
z j 411 5s i p —I y Z 1 л 6 f] V8 Рис. 6.11, Схема следящего гидропривода для автоматического регулирования ско- скорости пресс-поршня Рис. 6.12. Схема автоматического регуля- регулятора скорости пресс-поршня машины с горячей камерой прессования чей жидкости, поступающей к гидроцилиндру, контролируется датчиком расхода 3, Сигнал датчика расхода сравнивается с за- заданной величиной, в результате чего вырабатывается сигнал, корректирующий работу сервоклапана 4. Для регулирования давления рабочей жидкости в гидро- гидроцилиндре используется двухступенчатый вентиль с чувствитель- чувствительностью до 50 циклов в секунду. Система управления позволяет гасить пики давления и выдерживать его величину в заданных пределах. В большинстве случаев управление давлением во время уплотнения отливки не требуется. Чаще всего необходимо не его изменение в процессе подпрессовки, а поддержание на заданном уровне, поэтому блок-схема автоматического регуля- регулятора скорости, приведенная на рис. 6.9, может быть упрощена путем исключения из цепи давления сервоклапана 2 и датчика давления 5. Другим автоматическим регулятором скорости пресс-поршня являетсй система со следящим приводом, созданная для машины с горячей камерой прессования, имеющей гидравлический привод. Автоматический регулятор (рис. 6.12) включает следующие основ- основные элементы: программируемый задатчик /, усилитель 2, датчик перемещения 3, сервоклапан, состоящий из сервомотора 4 и клапана 5, и управляемый гидроцилиндр 6. Программируемый задатчик в соответствии с требуемым законом перемещения пресс- поршня выдает с помощью генератора сигнал в виде пропорцио- пропорционального его скорости напряжения как функции времени. Это напряжение поступает в усилитель, а затем на сервомотор, кото- который через редуктор перемещает золотник четырехходового кла- 220 пана, управляя расходом рабочей жидкости в гидроцилиндре 6, шток которргр жестко связан со штоком прессующего цилиндра 7. Если скорость пресс-поршня отклоняется от заданной, то сигнал с датчика перемещения 3, поступающий через усили- усилитель 2 в блок сравнения программируемого задатчика /, позво- позволяет определить разницу напряжений и выдать скорректирован- скорректированный сигнал на сервомотор 4. Сервомотор, приводя в движение золотник клапана 5, изменяет расход рабочей жидкости в управ- управляемом 6 и прессующем 7 цилиндрах, обеспечивая заданный закон перемещения пресс-поршня. В нашей стране автоматическим регулятором скорости пресс- поршня оснащена машина мод. 71109. Для управления прессу- прессующим цилиндром использован следящий золотник, датчики перемещения и скорости пресс-поршня, а также герконовый блок контактов, управляющий работой следящего золотника при перемещении пресс-поршня. Выбор и установка закона измене- изменения скорости пресс-поршня производятся с помощью переклю- переключателей на пульте управления машиной. Таким образом, для каждой отливки может быть определен оптимальный график скорости пресс-поршня в зависимости от его перемещения. Вы- Выдержка оптимального графика движения пресс-поршня позво- позволяет стабилизировать качество отливок. 6.4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ Математическое обеспечение АСУТП. Математическое обеспече- обеспечение АСУТП включает определенный комплект технических до- документов, основными из которых являются математическое опи- описание технологического процесса, блок-схема алгоритма управ- управления, алгоритм решения задачи оптимального управления, программа на алгоритмическом языке для конкретной управля- управляющей машины. Для разработки математического описания технологического процесса необходимо изучить этот процесс и факторы, определя- определяющие его поведение, поставить задачу автоматизированного управления процессом, а затем разработать его математическую модель, алгоритм и программу управления. При разработке математического обеспечения используют различные методы исследования технологических процессов, ме- методы построения математических моделей, приемы структурной теории алгоритмов, программное обеспечение для автоматизации программирования, стандартное программное обеспечение для управления технологическим процессом. Среди методов исследования процесса литья под давлением наибольшее распространение получили метод проб и ошибок и методы планирования эксперимента. Построение математических моделей базируется на методах, позволяющих получать стохастические модели, так как детерми- 221
нированные модели из-за сложных зависимостей качества отли- отливок и переменных параметров не адекватны технологическому процессу. Для получения стохастических моделей применяют методы корреляционного и регрессионного анализов и методы математического планирования эксперимента (п. 6.2). Наиболее эффективным для построения математической модели технологи- технологического процесса является метод активного эксперимента. Этот метод отличается от классического метода планирования опытов тем, что при проведении эксперимента варьируются не один, а одновременно все переменные параметры. Это сокращает число опытов и снижает вероятность получения ошибочных результатов. При построении математических моделей технологического процесса, когда трудно сделать заключение о характере связи между целевой функцией и переменными параметрами, вид урав- уравнений выбирают априори. Так, при корреляционном и регресси- регрессионном анализах в качестве моделей при использовании метода математического планирования эксперимента применяют поли- полиномы первой и второй степеней. Например, для двух перемен- переменных параметров эти полиномы имеют вид Y = а0 + axxi 4- Y = аа + aixt -\- а&ъ + ai2*i*2 Нелинейность взаимосвязи переменных параметров приводит к тому, что линейная модель обычно имеет малую адекватность для всей области изменения технологических параметров и при- применяется в основном для описания малых областей факторного пространства, в которых нелинейными зависимостями между переменными параметрами можно пренебречь. В работах [40, 48] для создания математического обеспечения АСУТП литья под давлением использованы методы распознава- распознавания образов при выборе решений. Недетерминированный харак- характер связей между показателями качества отливок и переменными параметрами процесса обусловливает применение статистических методов распознавания. Особенно сложными являются распозна- распознавание и выбор оптимальных значений таких переменных, как скорость пресс-поршня и давление прессования. Технические средства АСУТП. Проводимые в течение длитель- длительного времени в нашей стране и за рубежом работы по созданию АСУТП литья под давлением свидетельствуют о высокой слож- сложности решаемой задачи. Имеющиеся достижения не позволяют, однако, полностью освободить оператора от участия в процессе изготовления отливок. Решены задачи автоматизации ручных операций технологического процесса, автоматического регулиро- регулирования параметров пропесса, сделаны первые попытки создания математического обеспечения, промышленность выпускает управ- управляющие вычислительные комплексы, но автоматизированные системы, полностью управляющие процессом изготовления от- 222 ливки, еще не созданы. Не реализована связь ЭВМ низшего уровня — математическая модель процесса — автоматические ре- регуляторы параметров — автоматические контролеры качества от- отливок. Причиной этого является не только отсутствие средств для автоматического контроля качества отливок, но и сложность создания и реализации алгоритмов оптимального управления технологическим процессом, алгоритмов автоматизированного со- создания математических моделей при освоении изготовления отливок, невысокая надежность контрольно-измерительных средств, следящих приводов, регулирующих и управляющих устройств. Наибольшие успехи достигнуты в создании систем автоматиче- автоматического регулирования переменных параметров и информационного обеспечения технологического процесса. Так, на базе автоматизи- автоматизированной линии мод. АЛ7ПБ08, имеющей заливочно-дозирующее устройство, манипулятор для удаления отливки, устройство для обдува и смазывания пресс-форым, пресс для обрубки литников и облоя, была создана автоматизированная система, включащая автоматические регуляторы температуры металла в раздаточной печи и температуры пресс-формы, датчики контроля переменных параметров и цифровой измерительный комплекс ЦИКЛ-10 [48]. Измерительный комплекс позволяет регистрировать и выводить на печать десять параметров. В число измеряемых параметров входят температура металла, температура подвижной и непод- неподвижной полуформ, усилие запирания пресс-формы, время литей- литейного цикла, время выдержки отливки в пресс-форме, скорость пресс-поршня, давление в приводе машины и пресса для обрубки литников.
7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ Проектирование автоматизированной система литья под дав- давлением является сложной технической задачей, которую условйо можно подразделить на проектирование автоматизированного технологического процесса и автоматизированной системы. При проектировании автоматизированного технологического процесса можно выделить следующие этапы: анализ номенкла- номенклатуры отливок (классификация их по конструктивно-технологиче- конструктивно-технологическим признакам, выбор отливок-представителей); анализ техно- технологического процесса (требования к отливке и пресс-форме при автоматизации, определение автоматизируемых операций); выбор технологического оборудования и средств автоматизации; разра- разработка вариантов и выбор транспортно-технологической схемы автоматизированного технологического процесса. Оптимальная транспортно-технологическая схема автомати- автоматизированного технологического процесса служит исходной инфор- информацией для разработки автоматизированной системы. Проекти- Проектирование автоматизированной системы может состоять из следу- следующих основных этапов: разработка вариантов и выбор струк- структурно-компоновочной схемы автоматизированной системы; раз- разработка вспомогательных устройств (технологических, захват- захватных, контрольных); планировка автоматизированной системы; программирование автоматизированной системы; разработка си- системы управления автоматизированной системы. Перечисленные этапы представляют собой единый неразрыв- неразрывный процесс проектирования автоматизированной системы, кото- который может дополнительно включать или исключать какие-либо этапы [56]. 7.1. АНАЛИЗ НОМЕНКЛАТУРЫ ОТЛИВОК Исходной информацией для разработки автоматизированного технологического процесса литья под давлением служат сведения об объектах производства, т. е. характеристики отливок. Когда номенклатура отливок велика, то целесообразно выделять те или иные конструктивно-технологические признаки и по этим при- признакам подразделять отливки на группы. Каждая группа отливок определяет типовой автоматизированный технологический про- процесс. 224 Отливки Форма Размеры Масса ПАЛ ГГГП ГТШ ГГП Сплав § Рис. 7.1. Классификационные признаки отливок При анализе отливок изучают конструкторскую документа- документацию на изделие и условия его эксплуатации, конструкторскую документацию на деталь и пресс-форму, сведения о литниковой системе. На основании полученной информации определяют основные классификационные признаки, по которым отливки объединяют в группы. Основными классификационными при- признаками деталей являются конструктивно-технологические при- признаки (рис. 7.1). Классификационными признаками, характеризующими от- отливки, являются признаки, связанные с особенностями литнико- литниковой системы. Это прежде всего число отливок, получаемых в пресс-форме, жесткость литниковой системы, вид литникового остатка, за который удаляется отливка. На рис. 7.2 показан один из возможных вариантов классификации отливок по на- названным признакам. Проектирование автоматизированного технологического про- процесса и автоматизированной системы ведется для отливки-пред- отливки-представителя, выбранного из группы. Переход на производство любой из отливок группы не требует сложных переналадок обору- оборудования, а состоит лишь в перепрограммировании оборудования и замене оснастки. Классификационные признаки отливки определяют тип и мощ- мощность машины литья под давлением и сложность пресс-формы. Тип машины выбирают в зависимости от вида сплава и формы отливки, а мощность — в зависимости от ее размеров и массы. В свою очередь, сложность пресс-формы зависит от конфигурации отливки. Конструкция пресс-формы и конфигурация отливки определяют траекторию удаления отливки из машины. Если 8 Заказ 66 225
Классификационные признаки отливок Гнездность Жесткость литнико- литниковой системы Жесткая Нежесткая Вид литниково- литникового остатка 1 Одногнездные 1 Мноеогнездные Конический хо - довоп литник Цилиндрический пресс-остаток Несистематизированное расположение отливок Систематизированное расположение отливок Круговое Прямолинейное Одинаковые отливки Неодинаковые отливки Рис. 7.2. Классификация отливок литники и облой удаляют в штампе, то конструкция штампа и способы удаления из него отливок также зависят от конфигурации отливки. Классификационные признаки отливки определяют средства для автоматизации операций удаления отливок из пресс-формы и контроля полноты извлечения, а также средства автоматизации операций удаления литников и облоя. Для одногнездных пресс-форм существенным при выборе технических средств автоматизации операций технологического процесса является жесткость литниковой системы и наличие конического ходового литника или цилиндрического пресс- остатка. При удалении литников и облоя в галтовочных бараба- барабанах жесткость литниковой системы не влияет на обработку, а при использовании прессов деформирование литниковой системы отливки в момент удаления из пресс-формы может привести к нарушению процесса обработки в результате неточной установки отливки в штамп. Конический ходовой литник и цилиндрический пресс-остаток определяют вид захватного устройства манипуля- манипулятора или промышленного робота (ПР), выполняющего операцию удаления отливки из пресс-формы. Для многогнездных пресс-форм, кроме рассмотренных при- признаков, при проектировании автоматизированных технологических процессов и систем следует учитывать также характер располо- расположения отливок в пресс-форме. Для систематизированного рас- 226 положения отливок наиболее характерно круговое и прямолиней- прямолинейное расположение их относительно литника. Несистематизиро- Несистематизированное расположение отливок и получение неодинаковых отливок в одной пресс-форме встречается довольно редко, но требуют более сложных технических решений при автоматизации операций контроля полноты извлечения отливки из пресс-формы и удаления литников и облоя на прессах. При систематизированном расположении отливок в пресс- форме могут быть использованы типовые и стандартные решения автоматизации операций удаления литников. Таким образом, классификация отливок и подразделение их на группы по характерным признакам позволяют типизировать технические решения при проектировании автоматизированных технологических процессов и систем. 7.2. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Автоматизированный технологический процесс литья под давле- давлением может разрабатываться для изготовления как новых, так и уже освоенных отливок. Для изготовления новых отливок процедура проектирования начинается о выбора типа машины литья под давлением по изве- известным параметрам детали, анализ которых был проведен на предыдущем этапе. Затем начинается проектирование отливки, литниковой системы и пресс-формы. При проектировании необ- необходимо учитывать требования, которые к ним предъявляет авто- автоматизация операций технологического процесса. При проектиро- проектировании автоматизированного технологического процесса изго- изготовления уже освоенных отливоктакже следует учитывать требо- требования к конструкции отливок, литниковой системы и пресс-формы и производить при необходимости их доработку. Требования, предъявляемые к отливке и пресс-форме при автоматизации технологического процесса. Если удаление лит- литниковой системы осуществляется на прессах в штампах, то от- отливки должны иметь жесткую литниковую систему (питатели, литники, коллекторы, промывники), не деформирующуюся при удалении отливки из пресс-формы. Если же отделение литников происходит в галтовочных барабанах, то их высокая жесткость может усложнить и удлинить процесс обработки. При отделении литников в пресс-форме параметры литников практически не влияют на производительность обработки [41 ]. Для обеспечения беспрепятственного автоматического вытал- выталкивания и удаления отливки из пресс-формы поверхности от- отливки, перпендикулярные к плоскости разъема, должны иметь большие, чем при ручном удалении, уклоны. Если удаление отливки из пресс-формы осуществляется с по- помощью манипулятора или ПР, то в целях упрощения операций целесообразно, чтобы конфигурация отливки позволяла ей за- зависнуть после выталкивания из пресс-формы на стержнях, толка- 8» 227
телях или рассекателе. Когда же этого достичь не удается, то усложняют рабочий орган ПР и обеспечивают его синхронное перемещение с системой выталкивания отливки. Если удаление литниковой системы при последующей обра- обработке отливок производится на прессах, то в целях фиксированной укладки в штамп отливки должны иметь базирующие отверстия или выступы. Часто для этого используются существующие эле- элементы отливок, а при их отсутствии специально делают технологи- технологические выступы или отверстия. Конструкция отливок по возможности должна упрощаться, так как использование для изготовления сложных отливок по- подвижных стержней и армирующих элементов усложняет автома- автоматизацию операций по очистке пресс-формы, установке арматуры и удалению отливки. Литниковую систему для однотипных отливок и особенно отливок, изготовляемых в многогнездных пресс-формах, целесо- целесообразно выполнять унифицированной. Цилиндрический пресс- остаток и конический литник, за которые обычно удаляют от- отливки из пресс-формы, необходимо располагать ближе к центру отливки по оси симметрии, если таковая есть, чтобы обеспечить равномерность усилий, прикладываемых к отливке при ее извле- извлечении. Вместе с тем цилиндрический пресс-остаток и конический литник не должны загораживаться выступающими частями от- отливки, так как это будет препятствовать захвату отливки мани- манипулятором или ПР. Цилиндрический пресс-остаток отливки, изготовляемой на машине с холодной горизонтальной камерой прессования, должен иметь толщину, равную примерно одной трети диаметра, что позволяет схвату манипулятора или ПР надежно захватывать и беспрепятственно удалять отливку из машины. При чрезмерно малой толщине пресс-остатка манипулятор или ПР могут не захватить отливку, что приведет к сбою работы автоматизирован- автоматизированной системы. При увеличенной длине пресс-остатка для удаления отливки может не хватить рабочего пространства между полу- полуформами. Толщина пресс-остатка зависит от дозы заливаемого металла и количества выхода (пробрызгивания) его через пло- плоскость разъема пресс-формы при недостаточном усилии запи- запирания. Конический литник отливок, изготовляемых на машинах с горячей камерой прессования, должен иметь длину, позволя- позволяющую схвату манипулятора или ПР надежно захватить и беспре- беспрепятственно удалить отливку из машины. Чрезмерно короткий литник может привести к незахвату отливки и сбою работы авто- автоматизированной системы. При увеличенной длине литника может не хватить рабочего пространства между полуформами для бес- беспрепятственного удаления отливки. Изменение длины литника связано с нарушением теплового режима пресс-формы, мундштука и раздаточного тигля. 228 Пробрызгивание металла по плоскости разъема пресс-формы приводит к образованию облоя на отливке. Облой препятствует удалению отливки из пресс-формы, поэтому при изготовлении отливки необходимо создавать такие условия, чтобы облой был минимальным или отсутствовал вообще. В связи с этим при запи- запирании машины полуформы должны плотно и равномерно при- прилегать по плоскости разъема. Часто в сложных и изношенных пресс-формах металл при запрессовке попадает в зазоры между подвижными стержнями, толкателями и неподвижными вставками, создавая дополнитель- дополнительные трудности при извлечении отливки из пресс-формы. Поэтому сопряжения подвижных и неподвижных элементов пресс-формы необходимо выполнять с учетом тепловых и гидродинамических параметров литейного процесса, не допуская чрезмерно больших зазоров. Для облегчения удаления отливки пресс-форма не должна иметь выступающих частей (колонки, клинья, приводы стержней) на пути перемещения руки манипулятора или ПР. Ее конструк- конструкция должна обеспечить фиксированное зависание отливки после выталкивания в целях обеспечения надежного ее захвата мани- манипулятором или ПР. Это особенно важно для отливок с кониче- коническим литником, когда смещение отливки при выталкивании из пресс-формы изменяет усилие зажима литника схватом. Чрез- Чрезмерное усилие может привести к раздавливанию незастывшего литника, а уменьшенное — к неудалению отливки. Затрудненное удаление отливок происходит при их изготовле- изготовлении в пресс-формах, на рабочих поверхностях которых имеются глубокие трещины, царапины, эрозия, приводящие к привари- привариванию отливки. Если для удаления отливки не используется манипулятор или ПР, то конструкция пресс-формы должна обеспечить надеж- надежное выталкивание отливки, чтобы она могла выпасть на приемный лоток, расположенный под пресс-формой. Иногда для этой цели используют механизм двойного выталкивания или сталкиватель. Определение автоматизируемых операций. Разнообразие тех- технологических процессов литья под давлением связано, в первую очередь, с различными типами камер прессования и расположе- расположением механизма прессования относительно пресс-формы в машине. Наибольшее распространение получили технологические про- процессы, выполняемые на машинах с горячей и холодной горизон- горизонтальной и вертикальной камерами прессования. Не получили широкого распространения машины с горячей горизонтальной камерой прессования и машины вертикальной компоновки. Кроме того, различие технологических процессов литья под давлением обусловлено многообразием сплавов, из которых изго- изготовляются отливки. Наряду с цинковыми, магниевыми и алю- алюминиевыми сплавами, широко используемыми в производстве, все шире начинают применять сплавы меди, железа, титана, 229
7.1» Технологические процессы изготовления отливок на машинах с различными камерами прессования Операция Очистка н смазывание; пресс-формы пресс-камеры пресс-поршня контрпоршня Закрытие пресс-формы Заливка металла в пресс-камеру Заполнение металлом пресс-формы Выдержка отливки в пресс-форме Возвращение пресс-поршня в исход- исходное положение Отрезка пресс-остатка Удаление пресс-остатка Раскрытие пресс-формы Выталкивание отливки Удаление отливки из пресс-формы Степень автоматизации операций» выполняемых с горячей камерой Р — — — п А А А А — — А А Р на машнн$ с холодной горизонталь- горизонтальной камерой Р Р Р — п р п А А — — А А Р с холодной вертикаль- вертикальной камерой Р Р Р Р п р п А А А Р А А Р Условные обозначения: Р — вручную; П — полуавтоматиче- полуавтоматически; А — автоматически. жаропрочные сплавы. Специфику в технологические процессы вносят и специальные условия заполнения пресс-формы распла- расплавом, к которым относятся вакуумирование и продувка кислоро- кислородом. Цель анализа технологического процесса состоит в опреде- определении операций, которые необходимо автоматизировать. В табл. 7.1 приведены технологические процессы изготовления отливок на машинах с горячей, холодной горизонтальной и холодной верти- вертикальной камерами прессования. При анализе технологических процессов устанавливается степень автоматизации операций: вручную, полуавтоматически, автоматически. При изготовлении отливок на машине с горячей камерой прес- прессования вручную выполняются две операции технологического процесса: очистка и смазывание пресс-формы и удаление отливки из пресс-формы. Полуавтоматически выполняется одна операция — закрытие пресс-формы. Под полуавтоматическим выполнением операции понимается выполнение операции в результате нажатия кнопки или педали. Все остальные операции технологического процесса выполняются автоматически машиной. Общее число операций в технологическом процессе составляет 9 наименований. При изготовлении отливок на машине с холодной горизон- горизонтальной камерой прессования вручную необходимо выполнять 230 пять операций технологического процесса. К операциям очистки и смазывавия пресс-формы и удаления отливки из пресс-формы добавляются операции: очистки и смазывания пресс-камеры и пресс-поршяя и заливки металла в пресс-камеру. В полуавтома- полуавтоматическом режиме выполняются две операции: закрытие пресс- формы и заполнение пресс-формы металлом. Остальные операции технологического процесса выполняются автоматически. Весь технологический процесс состоит из II операций. Если изготовление отливок производится на машине с холодной вертикальной камерой прессования, то число операций, выполня- выполняемых вручную, возрастает до семи. Кроме операций, перечислен- перечисленных для машин с холодной горизонтальной камерой, необходимо выполнить вручную операции очистки и смазывания контрпоршня и удаления пресс-остатка. Полуавтоматически здесь выполняются те же две операции, что и для машин с холодной горизонтальной камерой. Остальные операции технологического процесса вы- выполняются автоматически. Всего в технологическом процессе содержится 14 операций. Анализ трех технологических процессов литья под давлением показывает, что они имеют различное число операций, выполня- выполняемых вручную. Наименьшее число таких операций (две) имеется в технологическом процессе изготовления отливок на машине с горячей камерой прессования. Для полной автоматизации этого технологического процесса необходимо автоматизировать две руч- ручные и одну полуавтоматическую операции, т. е. всего три опера- операции. При изготовлении отливок на машине с холодной горизон- горизонтальной камерой прессования, требуется автоматизировать семь операций. Наибольшее число операций (девять) требуется авто- автоматизировать в технологическом процессе изготовления отливок на машине с холодной вертикальной камерой прессования. Таким образов, анализируемые технологические процессы будут иметь различную сложность автоматизации. Легче всего автоматизировать изготовление отливок на машинах с горячей камерой прессования, сложнее — на машинах с холодной гори- горизонтальной камерой прессования и весьма сложно — на машинах с холодной вертикальной камерой прессования. Отливки, изготовленные на машинах литья под давлением, требуют дополнительной обработки — удаления литников и об- лоя. Для этого используют различные технические средства. Наибольшее распространение получили прессы и галтовочные барабаны. Реже используют ленточные пилы, токарные и фрезер- фрезерные станки. Отливки небольших размеров с тонкими питателями обраба- обрабатывают в галтовочных барабанах. При галтовке происходит обломка литников и облоя. Для отделения отливок от отходов в барабанах существуют отверстия, в которые проваливаются либо отходы, либо отливки. 231
Удаление литников и облоя у отливок средних размеров и с тонкими питателями производится вручную или аа прессах. При обработке вручную сначала обламывают литники, а затем с помощью напильников удаляют остатки литников июблой.При обработке отливок на прессах литники и облой удаляются одно- одновременно в штампах. Удаление литников и облоя у отливок с толстыми питателями выполняют только на прессах, ленточных пилах и металлорежу- металлорежущих станках. Таким образом, размеры отливки и питателя определяют спо- способ удаления литников и облоя. Каждый способ обработки со- содержит то или иное число операций, выполняемых вручную, полуавтоматически и автоматически. Определение этих операций является целью анализа технологических процессов удаления литников и облоя. Технологические процессы изготовления отливок и удаления литников и облоя включают различного рода контрольные опера- операции. При этом одни операции выполняются автоматически, а дру- другие — литейщиком либо с помощью приборов, либо визуально по косвенным признакам. Контролируются режимы литья, каче- качество отливок, правильность работы оборудования. Среди параметров, определяющих режимы литья, контроли- контролируются давление прессования, скорость пресс-поршня, темпера- температуры сплава и пресс-формы, время выдержки отливки в пресс- форме, порции заливаемого сплава, объемы наносимых на поверх- поверхности пресс-формы и камеры прессования смазочных материалов и др. При оценке качества отливок контролируются чистота поверх- поверхности, недоливы, плотность, геометрические размеры, твердость, прочность, герметичность и другие параметры. Для проверки правильности работы оборудования контроли- контролируются уровень сплава в раздаточной печи, полнота удаления отливки из пресс-формы, удаление пресс-остатка, удаление от- отливки из штампа и другие операции. Неавтоматизированные операции контроля при разработке автоматизированного технологического процесса подлежат автоматизации. Для функционирования автоматизированных систем литья под давлением необходимы их обеспечение материалами и оснасткой, а также вывоз готовой продукции, отходов и отработанной осна- оснастки. Поэтому при разработке автоматизированных технологи- технологических процессов литья под давлением учитывают транспортные операции, связанные с материально-техническим обеспечением. Разработка самих транспортных систем проводится при проекти- проектировании гибких автоматизированных производств и в настоящей главе не рассматривается. Транспортные операции должны учи- учитываться при разработке планировки автоматизированной системы 232 с тем, чтобн обеспечить обслуживание входящего в нее оборудо- оборудования транспортными средствами. При изготовлении отливок в цехах литья под давлением вы- выполняются следующие транспортные операции: доставка расплава из плавильного отделения к раздаточным печам; транспортирова- транспортирование отливок к оборудованию для удаления литников и облоя; транспортирование обрубленных отливок на промежуточный склад или в цех для последующей обработки; транспортирование отхо- отходов в плавильное отделение; транспортирование пресс-форм, штампов и другой литейной оснастки, тары для отливок и отходов. 7.3. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ После определения операций технологического процесса, которые необходимо автоматизировать, приступают к выбору технологи- технологического оборудования и средств автоматизации. При этом раз- разработчик автоматизированного технологического процесса дол- должен учитывать, что набор технологического оборудования и средств автоматизации определяется прежде всего видом сплава отливки и типом камеры прессования машины литья под давле- давлением. Концепции автоматизации литья под давлением. Существую- Существующая практика производства отливок литьем под давлением пред- предопределила применение машин с различными типами камер прессования в зависимости от используемых сплавов. Например, отливки из цинковых сплавов изготовляют на машинах с горячей камерой прессования, хотя нет препятствий для их изготовления и на машинах с холодными горизонтальной и вертикальной каме- камерами прессования. Отливки из магниевых сплавов получают на машинах с горячей и холодной горизонтальной камерами прессо- прессования. В то же время нет особых причин, препятствующих изго- изготовлению магниевых отливок на машинах с холодной вертикаль- вертикальной камерой прессования. Отливки из алюминиевых сплавов производят на машинах с холодными горизонтальной и вер- вертикальной камерами прессования. Попытки использовать для производства алюминиевых отливок машины с горячей камерой прессования не дали на практике положительных результатов. Каждый тип машины, вследствие специфики прессующего узла, оснащается различными наборами технических средств, необходимых для автоматизации технологических операций (рис. 7.3). Любой вариант набора технических средств представ- представляет ту или иную автоматизированную систему литья под давле- давлением: гибкий производственный модуль (ГПМ), гибкую автома- автоматизированную линию (ГАЛ), роботизированный технологический комплекс (РТК), роботизированную технологическую линию (РТЛ). Под ГПМ понимается такой набор технических средств, кото- который позволяет автоматически изготовлять отливки. ГАЛ включает 233
Тип сплава Вид машины Тип автомати- зираданнои системы Цинковый Магниевый _Г Алюминиевый С холодной горизонтальной камерой С колодной вертикальной каперай Набор технических средств ффифф Рис. 7.3. Набор технических средств для различных технологических процес- процессов: 1—4 — устройства для очистки и смазывания пресс-формы, пресс-поршия, пресс-камеры и контрпоршня; 5 — заливочно-дозирующее устройство; 6 — промышленный робот; 7 — устройство для контроля полноты извлечения отливки; 8 — устройство для удале- удаления пресс-остатка; 9 — пресс для обрезки литников и облоя; 10 — устройство для приема отливок; // — конвейер для отливок; 12 — галтовочный барабан набор технических средств, позволяющий изготовлять отливки и выполнять другие технологические процессы, например удалять литники и облой, механически обрабатывать отливку. РТК пред- представляет собой набор технических средств, включающий один или несколько ПР, с помощью которых отливки изготовляются автоматически. РТЛ также имеет в наборе технических средств один или несколько ПР, которые позволяют автоматически произ- производить отливки и осуществлять их последующую обработку. 234 Выбор конкретной автоматизированной системы связан с при- принятой концепцией автоматизации. Можно выделить две прин- принципиально, отличающиеся концепции автоматизации литья под давлением» Первая концепция состоит в использовании для авто- автоматизации простейших средств, неперепрограммируемых при пе- переходе на, изготовление новых отливок. Такими средствами яв- являются механизмы двойного выталкивания отливок, сталкива- тели отливок, работающие по жесткой программе манипуляторы для удаления отливок, устройства для смазывания пресс-формы, ковшовые заливочно-дозирующие устройства и др. Вторая концепция предполагает включение в набор техни- технических средств для автоматизации операций технологического процесса перепрограммируемого оборудования. Это, прежде всего, легко перепрограммируемые ПР, пневматические, вакуумные и. электромагнитные заливочно-дозирующие устройства, устрой- устройства для очистки и смазывания пресс-форм по заданной программе или адаптивные очистные устройства, оснащенные системой технического зрения, и другие высокоинтеллектные средства. Неперепрограммируемое оборудование используется преиму- преимущественно в массовом производстве при изготовлении простых отливок, к которым предъявляют невысокие технические требо- требования. Перепрограммируемое оборудование применяется пре- преимущественно в серийном производстве при изготовлении сложных отливок, которые должны соответствовать высоким техническим требованиям. Минимальные комплекты средств автоматизации имеют ГПМ и РТК, построенные на базе машин с горячей камерой прессова- прессования, а максимальные — ГАЛ и РТЛ, использующие машины с холодной вертикальной камерой прессования. Каждая автома- автоматизированная система литья под давлением включает устройство для очистки . и смазывания пресс-формы и устройство для кон- контроля полноты извлечения отливки из пресс-формы. Состав осталь- остальных технических средств определяется типом камеры прессовав- ния машины, выбранной концепцией автоматизации и операциями последующей обработки отливок. Выбор конкретных моделей технологического оборудования и средств автоматизации проводится с учетом требований, предъ- предъявляемых автоматизацией, и особенностей технологических про- процессов. Требования, предъявляемые к технологическому оборудованию при автоматизации технологического процесса. К технологи- технологическому оборудованию в автоматизированных системах литья под давлением относят машины литья под давлением, раздаточные печи, прессы, токарные и фрезерные станки для обрезки литников и облоя, галтовочные барабаны, ленточные пилы и другое обору- оборудование для последующей обработки отливок. Машины для литья под давлением должны, прежде всего, иметь электрическую или электронную систему управления. 235
Машины, имеющие чисто гидравлическую систему управления, сложно связывать со средствами автоматизации из-за отсутствия электроавтоматики. Число типов и моделей машин, установленных в цехе, должно быть минимальным. Это упрощает обслуживание автоматизированных систем, вследствие унификации систем управ- управления и стандартизации средств автоматизации, повышает на- надежность работы оборудования. Машины должны работать непрерывно в течение двух смен. Сбои в их работе снижают эффективность применения автомати- автоматического оборудования. Ход подвижной плиты машины при рас- раскрытой пресс-форме должен обеспечить рабочее пространство для беспрепятственного выноса отливки манипулятором или ПР. Положение подвижной плиты машины должно регулироваться с точностью ± 1 мм, что позволяет уменьшить число переналадок в манипуляторах и ПР при использовании пресс-форм различной толщины. Ход плиты толкателей в пресс-форме или ход гидротолкателя машины должны регулироваться с точностью ±1 мм. Это необ- необходимо для обеспечения зависания отливки в фиксированном положении на стержнях, толкателях и других выступающих элементах пресс-формы, что важно для надежного захвата и извле- извлечения отливки манипулятором или ПР. При аварийном сигнале «Стоп» машина должна останавливаться в любом положении механизмов. Это требование снижает вероятность поломок средств автоматизации, оснастки и элементов машины. Раздаточные печи в автоматизированных системах литья под давлением применяются либо в сочетании с ковшовыми заливочно- дозирующими устройствами (ЗДУ) в виде заливочных манипуля- манипуляторов или роботов-заливщиков, либо с ЗДУ пневматического, вакуумного или магнитодинамического типа в виде отдельных устройств. Размеры тигля раздаточной печи должны обеспечивать ковшовому ЗДУ вычерпывание не менее трех четвертей расплава. Чтобы сократить расстояние до заливочного отверстия машины/ и уменьшить габариты ковшового ЗДУ, габаритные размеры раздаточной печи должны быть минимальными. Теплоизоляция раздаточной печи должна обеспечивать нормальные условия работы ковшовых ЗДУ и другого оборудования, установленного рядом. Объем металла в ее тигле должен быть рассчитан не менее чем на двухчасовую работу машины. Раздаточные печи должны иметь средства автоматического регулирования температуры расплава и автоматического контроля уровня металла в тигле. Для обрезки литников и облоя в автоматизированных систе- системах литья под давлением чаще всего используют прессы. Ход их пуансонов должен обеспечивать такое расстояние между пли- плитами, чтобы при установленном штампе можно было беспрепят- беспрепятственно устанавливать отливку в матрицу с помощью манипуля- манипулятора или ПР. 236 Пресс должен иметь систему автоматического выталкивания отливок из пуансона. Иногда целесообразно иметь систему вы- выталкивания в матрице. Без системы выталкивания использование прессов менее эффективно; они должны иметь возможность работы в режиме одиночных ходов. Скорость ползуна должна регулиро- регулироваться при холостом и рабочем ходах. Время обрезки литников и облоя должно быть меньше времени изготовления отливки. Прессы должны работать непрерывно в течение двух смен. При аварийном сигнале «Стоп» пресс должен останавливаться в любом положении механизмов. Требования к средствам автоматизации. Так как параметры технических средств, используемых в автоматизированных си- системах литья под давлением, влияют как на работу технологи- технологического оборудования, так и на качество отливок, то весьма важно установить их пределы. В первую очередь, необходимо выработать требования к ЗДУ, ПР, устройствам для очистки и смазывания пресс-форм и средствам контроля полноты извлечения отливки из пресс-формы. При создании автоматизированных систем литья под давле- давлением следует учитывать как общие требования, предъявляемые технологическим процессом к ЗДУ, так и специальные требования, предъявляемые к конкретным типам ЗДУ. ЗДУ прежде всего должно обеспечивать постоянство дозы расплава. Уменьшение дозы снижает качество отливок и затруд- затрудняет их удаление за пресс-остаток из пресс-формы с помощью манипулятора или ПР. Увеличение дозы удлиняет время затверде- затвердевания пресс-остатка, а соответственно цикл изготовления от- отливки. ЗДУ также должно обеспечивать постоянство времени выдачи дозы расплава. Если время выдачи дозы по каким-либо причинам возрастает, то происходит более сильное охлаждение расплава и соответственно изменение режимов литья. Кроме того, с уве- увеличением времени выдачи дозы возрастает время изготовления отливки, т. е. падает производительность машины. Если время выдачи дозы расплава сокращается, то может возникнуть ситу- ситуация, когда машина будет не готова к приему расплава. Время нахождения расплава в камере прессования машины должно быть минимальным, чтобы снизить потери теплоты. Поэтому должно быть минимальным и время заливки металла в камеру прессования. При использовании ЗДУ ковшового типа конструкция ковша и способ зачерпывания должны предотвращать попадание в него оксидных плен с поверхности расплава в тигле раздаточной печи. Материал ковша или покрытие не должны позволять расплаву налипать на внутреннюю и наружную поверхности ковша. На- Налипание или намораживание расплава на внутреннюю поверх- поверхность ковша приводит к изменению дозы. Намораживание рас- расплава на заливочном отверстии ковша удлиняет время его за- 237
полнения или сокращает объем дозы. Намораживание расплава на наружной поверхности ковша увеличивает его массу и габа- габаритные размеры, что создает неудобства при заливке расплава в камеру прессования и ухудшает динамику движений заливоч- заливочного манипулятора. Заливочный ковш должен плавно опускаться в ванну с рас- расплавом и подходить с расплавом к камере прессования, не вы- вызывая его разбрызгивания. Заливочный ковш не должен опускаться в расплав ниже допустимого значения. Чрезмерное погружение заливочного ковша приводит к налипанию расплава на поворотных цапфах и за- затруднению или препятствию работы механизма поворота ковша. При использовании ЗДУ пневматического, вакуумного или магнитодинамического типа нужно следить за тем, чтобы расплав не намораживался на стенках металлопровода, так как это ведет к сужению проходного сечения и уменьшению расхода жидкого металла, т. е. к сокращению заливаемой дозы. Расстояние от сливного отверстия ЗДУ до камеры прессования должно быть минимальным, чтобы снизить потери теплоты рас- расплава, протекающего по заливочному лотку, угол наклона кото- которого должен обеспечивать плавное и спокойное заполнение ка- камеры прессования расплавом без выплескивания. Чтобы плены оксидов не замешивались в металл, необходимо оптимизировать режим подачи и сброса давления для пневмати- пневматических и вакуумных ЗДУ и режим движения расплава при индук- индукционном подогреве в электромагнитных ЗДУ. В автоматизированных системах литья под давлением ПР обслуживают машины, станки и разнообразное вспомогательное оборудование, например устройства для охлаждения отливки и контроля полноты извлечения отливки из пресс-формы, устрой- устройства для установки арматуры в пресс-форму и др. ПР выполняют транспортные и технологические операции и функции управления. В соответствии с многообразием выполняемых функций к ПР предъявляют различные требования. Прежде всего они должны обеспечивать необходимую точность позиционирования, которая определяется выполняемыми функциями. Так, при установке отливки в штамп пресса или патрон станка, после извлечения ее из пресс-формы машины, требуется более высокая точность пози- позиционирования, чем при контроле полноты извлечения и сбросе отливки в тару. , ПР должны иметь повышенную жесткость конструкции, чтобы обеспечивать надежное извлечение отливки из пресс-формы при ее заклинивании или подливах металла. Время удаления отливки из пресс-формы с помощью ПР не должно превышать времени выполнения этой операции вручную. Это требование необходимо для повышения производительности изготовления отливок. Схват ПР должен обеспечивать надежный зажим конического литника, либо цилиндрического пресс-остатка, исключающий 238 перемещений отливки как при извлечении ее из пресс-формы, так и при транспортировании. В противном случае не будет обеспечена точная установка отливки в штамп пресса, патрон станка или другое оборудование. ПР, используемые в цехах литья под давлением, должны быть защищены от пыли и теплового излучения. Их система управления должна быть защищена от радиопомех и электро- электромагнитных наводок. Всё это повышает надежность работы ПР и производительность автоматизированной системы. Для бесперебойной работы автоматизированной системы весьма важно состояние пресс-формы, т. е. ее подготовленность к новому циклу. Смазыванию пресс-формы обычно предшествует очистка пресс-формы от продуктов сгорания смазочного мате- материала, остатков облоя или частей отливки. Поэтому устройства для смазывания пресс-формы должны иметь средства для ее очистки. Форсунки, используемые для смазывания пресс-формы, должны распылять смазочный материал в виде аэрозольного тумана, так как это позволяет достигать удаленных глубоких и труднодоступ- труднодоступных полостей. Форсунки должны иметь средства для регулирова- регулирования угла распыла и расхода смазочного материала и сжатого воздуха. Устройства для очистки и смазывания пресс-формы должны иметь средства для регулирования времени подачи сжатого воздуха и смазочного материала. Расход смазочного материала в процессе работы устройства должен быть стабильным и минималь- минимальным. При смазывании пресс-форм в закрытом состоянии необхо- необходимо предусматривать специальные устройства для очистки пресс- форм в раскрытом положении. Выбор технологического оборудования. При разработке авто- автоматизированных систем литья под давлением особое значение приобретает выбор технологического оборудования (машины, прессы, станки и т. д.), от которого зависит производительность системы и качество отливок. Разработчик должен оценить возмож- возможность применения действующего оборудования в условиях автома- автоматической работы и принять решение либо о его использовании, либо о замене новым, более прогрессивным. Действующее техноло- технологическое оборудование оценивают в соответствии с требованиями автоматизации, а также с учетом физического состояния оборудо- оборудования (степень изношенности, ремонтопригодность) и его техниче- технических показателей (производительность, надежность, совместимость со средствами автоматизации и др.). Если действующее в цехе технологическое оборудование не удовлетворяет требованиям автоматизации и его характеристики не соответствуют требова- требованиям производства, то необходима его замена на новое, более прогрессивное. Новое технологическое оборудование должно обеспечивать большую производительность, более высокое качество отливок, 239
большую гибкость при переходе на новую отливку» лучщие условия труда. Выбор технических средств для автоматизации операций тех- технологического процесса. Вследствие многообразия технических средств, используемых для автоматизации литья под давлением, выбор оптимального варианта связан со значительными трудно- трудностями. Поэтому целесообразно привести некоторые рекомендации по выбору такого оборудования. Прежде всего это относится к выбору ЗДУ, ПР, устройств для очистки и смазывания пресс- форм, средств контроля полноты извлечения отливки. Выбор оптимального варианта средств автоматизации, так же как и выбор нового технологического оборудования связан с необходимостью увеличения объема выпуска и повышения качества отливок, снижения затрат на производство и повышения его гиб- гибкости, улучшения условий труда и обеспечения безопасной работы. Выбор ЗДУ. В автоматизированных системах литья под давле- давлением ЗДУ применяют для заливки металла в машины с холодными горизонтальной и вертикальной камерами прессования. Примене- Применение ЗДУ того или иного типа определяется рядом факторов: типом камеры прессования машины, массой отливки, видом сплава, чистотой сплава, точностью дозирования, временем выдачи дозы, расходом электроэнергии, безопасностью работы, стойкостью сменных элементов и др. Среди отечественных и зарубежных ЗДУ можно выделить две принципиально отличающиеся группы: ЗДУ, совмещенные с.раз- с.раздаточной печью (пневматические, вакуумные, магнитодинамиче- ские, поршневые, с вытеснителем), и ЗДУ, не совмещенные с раздаточной печью, использующие манипулятор, оснащенный ковшом (встроенные, напольные, портальные). ЗДУ любого типа имеет различные модификации. Многообразие вариантов создает трудности при выборе ЗДУ. Как показывает практика, если для машин с холодной горизон- горизонтальной камерой прессования могут быть использованы ЗДУ любого типа, то для машин с холодной вертикальной камерой прессования целесообразнее применять ЗДУ ковшового типа, так как с помощью последних можно заливать металл непосредственно в камеру прессования без промежуточного лотка, который загро- загромождает зону камеры прессования и препятствует удалению пресс- остатка. При этом для заливки расплава в машины с холодной вертикальной камерой прессования предпочтительнее использовать встроенные или напольные ЗДУ. Портальные ЗДУ не пригодны для обслуживания таких машин из-за сложности доступа заливоч- заливочного ковша к камере прессования. ¦¦ Ковшовые ЗДУ позволяют заливать практически любые дозы расплава, в то время как ЗДУ, совмещенные с раздаточной печью, имеют ограничение по минимальной дозе. Для пневматических и магнитодинамических ЗДУ с уменьшением дозы растет погреш- погрешность дозирования, что затрудняет их использование при изготов- 240 лении мелких отливок. Только ковшовые ЗДУ можно использо- использовать для заливки сплавов в твердожидком состоянии. Большая часть ЗДУ предназначена для заливки алюминиевых сплавов. Для цинковых сплавов ЗДУ специально не изготовляют, так как отливки из цинковых сплавов получают главным образом на машинах с горячей камерой прессования. Если же для изготов- изготовления отливок из цинковых сплавов используются машины с холодными горизонтальной и вертикальной камерами прессования, то для автоматической заливки могут быть применены ЗДУ, предназначенные для алюминиевых сплавов. Для магниевых спла- сплавов разрабатывают специальные ЗДУ. Находят применение пнев- пневматические дозаторы с использованием в качестве рабочего органа инертных газов, а также ЗДУ поршневого типа. Если к отливкам предъявляют высокие требования по чистоте сплава, то задача выбора ЗДУ является довольно сложной. С точки зрения наиболее высокой чистоты сплава предпочтение следует отдать ЗДУ поршневого типа, которые работают по прин- принципу прессующего узла машин с горячей камерой. Расплав заби- забирается из середины тигля без оксидных плен и шлама. В ковшовых ЗДУ возрастает вероятность попадания оксидных плен в заливоч- заливочный ковш. Если ковш имеет специальные отверстие или щель, то расплав из тигля забирается ниже зеркала металла. В этом случае попадание оксидов в ковш возможно в момент погружения. В слу- случае зачерпывания металла через край ковша объем попавших оксидов возрастает. В пневматических ЗДУ забор металла производится из сере- середины ванны. Однако вследствие сильного окисления поверхности металла из-за притока свежих порций влажного воздуха при колебаниях уровня металла в процессе работы дозатора происходит замешивание оксидов в расплав и попадание их в отливку. В маг- нитодинамических ЗДУ из-за непрерывного движения металла в тигле происходит интенсивное и равномерное замешивание окси- оксидов. Причем их объем возрастает с увеличением температуры и времени нахождения расплава в тигле. Герметизация тигля позво- позволяет уменьшить окисление поверхности металла. . Точность дозирования расплава наиболее высока у ковшовых ЗДУ, так как доза металла зависит только от объема ковша. Коле- Колебания дозы из-за намораживания металла на внутренних стенках ковша и расплескивания во время транспортирования невелики. Уровень металла в тигле не влияет на величину дозы. Пневматические и магнитодинамические ЗДУ имеют меньшую точность дозирования. Так как объем дозы определяется временем течения расплава по металлопроводу, то с размыванием или зарас- зарастанием последнего будет изменяться и выдаваемая доза металла. Наибольшей производительностью или минимальным временем выдачи дозы обладают магнитодинамические ЗДУ. Пневматические ЗДУ имеют несколько большее время выдачи дозы из-за продолжи- 241
тельности нарастания давления сжатого воздуха "на зеркало металла. Ковшовые ЗДУ по сравнению с магнитодинамйческими и пневматическими затрачивают на выдачу дозы металла Существенно больше времени из-за необходимости транспортирования ковша от раздаточной печи к машине и выливания металла в камеру прессования. С другой стороны, наибольшее количество электроэнергии потребляют магнитодинамические ЗДУ, а наименьшее — ковшо- ковшовые. Если же учесть, что ковшовые ЗДУ работают в паре с разда- раздаточной печью, то общая потребляемая мощность может превосхо- превосходить мощность, потребляемую магнитодинамическим ЗДУ. Это связано с тем, что раздаточные печи имеют открытое зеркало металла, а следовательно, и большие потери теплоты. Магнито- Магнитодинамические и пневматические ЗДУ выполняют с крышками, закрывающими зеркало металла и теплоизолирующими его от окружающей среды. С точки зрения безопасности работы ЗДУ каждого типа имеют достоинства и недостатки. Наличие подвижных частей у ковшовых ЗДУ представляет опасность из-за возможности возникновения пожара в случае выплескивания металла при транспортировании. Опасность возникновения пожара сохраняется в случае прорыва трубопроводов в машине и попадания масла на зеркало металла раздаточной печи. В свою очередь, у магнитодинамических и пневматических ЗДУ из-за отказа системы управления возможно вытекание неограниченного объема расплава, что связано с серьез- серьезными последствиями, включая пожар и длительную остановку машины. Надежность работы ЗДУ связана прежде всего с работой сменных элементов. Долгое время низкая стойкость металлопро- вода в магнитодинамических и пневматических ЗДУ не позволяла их успешно эксплуатировать. С увеличением срока службы метал- лопроводов эти дозаторы стали все шире использовать для автома- автоматизации заливки металла. Причина успеха кроется не только в свойствах материала металлопровода, но и в режимах работы ЗДУ. Постоянство температуры металлопровода в течение всего срока эксплуатации является необходимым условием. Разрушение металлопровода обычно происходит при выключении печи, а особенно интенсивное — при затвердевании неслитого металла. Поэтому нецелесообразно выключать эти ЗДУ ни на выходные, ни на праздничные дни, ни тем более на ночь при двухсменной работе цеха. Стойкость ковшей, изготовленных из чугуна, зависит от каче- качества краски. Если краска надежно предохраняет внутреннюю и наружную поверхности ковша, то срок службы ковша достаточно большой. Простота замены ковшей в ЗДУ позволяет довольно часто производить их окраску. 242 Ковши из керамических материалов обладают низкими тепло- теплопроводностью и смачиваемостью, что уменьшает намораживание и налипание расплава. Однако повышенная хрупкость керамики приводит в результате колебаний температуры к снижению стойко- стойкости таких ковшей, поэтому чугунные ковши долговечнее. Выбор ПР. Как уже отмечалось, ПР в автоматизированных системах литья поД давлением выполняют транспортные и техноло- технологические операции и осуществляют функции управления оборудо- оборудованием. К транспортным операциям относятся удаление отливки из пресс-формы, подвод отливок к устройству для контроля пол- полноты извлечения, укладка отливок в штамп пресса или установка в патрон токарного станка, укладка отливок в тару или на кон- конвейер. Технологическими операциями являются очистка и смазы- смазывание пресс-формы с помощью устройств, установленных на руке робота, установка арматуры в пресс-форму, охлаждение отливок в баке с водой или под распыленной струей воды. К функциям управления следует отнести команды устройствам иа очистку и смазывание пресс-формы, камеры прессования, прессующего и контрпоршней; команду машине на закрытие пресс-формы; команду прессу на выполнение операции обрезки литников и облоя; получение подтверждений от машины о закрытии пресс-формы и выталкивание отливки; получение подтверждений от устройства о полноте извлечения отливки и др. Выбор промышленного робота проводят в три этапа: определе- определение технических характеристик ПР; формирование множества вариантов ПР; оценка ПР по комплексному показателю качества. А. Определение технических характеристик ПР. Выбор ПР проводится в соответствии с его функциями в автоматизированной системе. Так, для удаления отливки из формы и укладки ее в тару может быть использован ПР с цикловой системой управления. Если же перечень операций и функций достаточно велик, а ПР с цикловой системой управления не может их выполнить, то при- применяют ПР с позиционной или контурной системой управления. Важным этапом при выборе ПР является определение его техни- технических характеристик. Грузоподъемность ПР определяется массой отливок, изготовляемых на машине, а также массой захватного устройства с учетом различных приспособлений, смонтированных на руке ПР для выполнения технологических или контрольных операций. Рабочая зона ПР или величины перемещений его руки определяется типоразмерами машины, пресса и другого обслужи- обслуживаемого оборудования. Скорости перемещения руки ПР выбира- выбираются, исходя из времени литейного цикла, чтобы время выполнения ПР необходимых операций не увеличивало время изготовления отливки. Весьма важной характеристикой ПР является точность позиционирования. Чем точнее требуется выполнить операции, тем выше должна быть точность позиционирования. При выборе ПР следует учитывать, что плоские неглубокие отливки легко удаляются ПР из пресс-формы путем поворота руки 243
в горизонтальной плоскости на небольшой угол. Корпусные же отливки, глубоко расположенные в пресс-форме, не могут быть удалены с использованием только поворота руки ПР в горизон- горизонтальной плоскости. Для их удаления необходимо перемещение руки ПР вдоль оси машины. Такие движения выполняют ПР с модулями сдвига, либо ПР с контурной системой управления, позволяющие выполнять одновременно движения по нескольким координатам. Альтернативным вариантом удаления корпусных отливок является управляемое раскрытие пресс-формы, предпо- предполагающее, что после предварительного раскрытия пресс-формы, выталкивания отливки и захвата ее роботом производится допол- дополнительное перемещение подвижной плиты машины, позволяющее снять отливку с пресс-формы. Технические характеристики ПР являются показателями его качества. Показатели качества могут быть единичными и комплекс- комплексными. Единичные показатели качества относятся только к одному свойству изделия, а комплексные — к нескольким. Для оценки качества изделий используют методы квалиметрии [18]. К единичным показателям Аи качества ПР (где i = 1, 2, ..., п — число моделей ПР; / = 1, 2, ..., т — число показателей качества) могут быть отнесены все технические характеристики, проявляющиеся как при его создании, так и при эксплуатации. Это, прежде всего, грузоподъемность, число степеней подвиж- подвижности, точность позиционирования, величины и скорости переме- перемещений, типы привода и системы управления, время безотказной работы, стоимость и др. Показатели качества должны иметь числовые значения. Если какие-то характеристики ПР не имеют числовых значений, то им присваиваются экспертные оценки в виде баллов. Все показатели качества должны быть приведены к такому виду, чтобы качество ПР повышалось, например, только с ростом или только с уменьше- уменьшением каждого из них, т. е. необходимо выбрать и обеспечить принцип повышения качества ПР. В соответствии с требованиями автоматизированного техноло- технологического процесса на единичные показатели качества ПР вводятся ограничения Аи > [Ai}]. Каждое из ограничений [Аи] рассмат- рассматривается как существенно необходимое. ПР считается непригод- непригодным, если он не удовлетворяет хотя бы одному ограничению. Б. Формирование множества вариантов ПР. Цель формирования множества вариантов ПР — определение таких моделей ПР, кото- которые по своим техническим характеристикам удовлетворяли бы требованиям автоматизированного технологического процесса. Определение некоторого множества I моделей ПР с числом / показателей качества по ограничениям [Л^-], установленным в соответствии с требованиями автоматизированного технологиче- технологического процесса, ведется путем отбора ПР из банка данных. Банк данных по ПР формируется на основе каталогов, справочников, 244 рекламных* проспектов, паспортов, а также расчетных и экспери- экспериментальных данных и экспертных оценок. По конструктивно-компоновочному исполнению ПР можно под- подразделить на две группы: напольные и портальные. Каждая группа, в свою очередь, включает четыре подгруппы, отличаю- отличающиеся исполнительными механизмами. Первую подгруппу пред- представляют ПР стреловой конструкции с консольным расположением руки. Во вторую подгруппу входят ПР стреловой конструкции с подвижной кареткой для перемещения руки. К третьей подгруппе относятся ПР шарнирно-стреловой конструкции. Четвертую груп- группу составляют ПР шарнирной конструкции. Предварительный отбор моделей ПР ведется по одному важней- важнейшему показателю качества. Обычно таким показателем является грузоподъемность. Далее проводится усечение множества вариан- вариантов в соответствии с ограничениями [Ац] показателей качества Ai}. ПР исключается из дальнейшего рассмотрения, если он не удовлетворяет хотя бы одному ограничению. В результате усечения остается такое множество моделей ПР, в котором все ПР удовлетво- удовлетворяют требованиям автоматизированного технологического про- процесса. В. Оценка ПР по комплексному показателю качества. Комп- Комплексный показатель качества ПР Zt = 2 YtlSh G.1) /=i где Yи — нормированный единичный показатель качества ПР; 5^ — весовой коэффициент единичного показателя качества ПР. Нормированное значение единичного показателя качества ПР представляет собой отношение единичного показателя качества этого ПР к сумме единичных показателей качества всех выбранных ПР: и — 2 Аи. G.2) Весовой коэффициент единичного показателя качества ПР может быть определен как отношение экспертной оценки Е3 этого показателя качества в баллах к сумме экспертных оценок всех показателей качества, принятых в качестве единичных при выборе ПР: IzEj. G.3) Метод экспертных оценок, связанный с учетом мнений группы специалистов, нашел наибольшее распространение для определе- определения весовых коэффициентов сравниваемых разнородных величин. Пример. Выбрать ПР напольного исполнения для роботизированной линии на базе машины литья под давлением с холодной горизонтальной камерой прессо- прессования и усилием запирания 4000 Н. 245 I
7.2. Варианты моделей ПР с единичными показателями Номер модели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Модель ПР (страна-изготовитель) РКТБ (СССР) Versatran E-302 (Япония) Kuka-Nachi 4000 (Япония- ФРГ) НМ-500Р (Япония) Conslarm II (Япония) Uniman 1000 (Япония) Uniman 4000 (Япония) Robolang 15 (Франция) Versatran E (Япония) POI (Италия) Conslarm CP (Япония) «Циклои-5.01» (СССР) «Циклон-5.02» (СССР) КМЮЦ.42.31 (СССР) «Бриг-10» (СССР) ПР-10И (СССР) ПР-10М (СССР) 117А (СССР) RE-10 (Япония) Einfach-Hand (ФРГ) PR-16P (ЧССР) МПУС-10 (СССР) Matbak IRB-10 (Япония) Robot-Welder (Италия) «Универсал-15» (СССР) ИЭС-690 (СССР) УМ-IT (СССР) ТУР-10К (СССР) At 8 9 10 10 10 10 10 15 18 20 20 10 10 10 10 10 10 10 10 12 16 10 10 13,6 15,4 20 10 10 А, 4 5 5 5 5 5 5 6 6 4 6 4 5 4 5 4 5 5 4 4 6 5 5 6 6 5 4 5 А, 1,0 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 0,5 0,1 0,7 0,2 1,0 0,1 0,1 0,5 0,3 0,3 0,3 0,4 0,5 0,3 0,2 0,3 0,75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 А, 1,0 1,0 2,0 1,0 1,0 1,0 2,0 10,0 1,4 5,0 1,0 10,0 10,0 2,0 3,3 3,3 3,3 2,5 2,0 3,3 5,0 3,3 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 2,0 качества л. 600 762 760 700 1000 760 760 700 760 750 1000 600 600 700 600 600 600 800 750 1000 1000 600 800 882 1000 1000 700 600 э г г г г г г э г п г п п г п п п э п п п п г г г э г э Ли 7 4 4 4 4 4 4 7 4 10 4 10 10 4 10 10 10 7 10 10 10 10 4 4 4 7 4 7 ,• Ц п к к п п п п п п п ц Ц Ц Ц ц Ц к Ц ц ц Ц п к п к п к Л СО 10 7 4 4 7 7 7- 7 7 7 7 10 10 10 10 10 10 4 10 10 10 10 7 4 7 4 7 4 Условные обозначения: 1. Тип привода: Э — электрический, Г — гидравлический, П — пневматический. 2. Тип системы управления: Ц — цикловая, П — позиционная, К — контурная. При выборе ПР нужно учитывать следующие единичные показатели каче- качества: грузоподъемность Ах, число степеней подвижности Л2, точность позицио- позиционирования А3, линейное горизонтальное перемещение руки Л4, тип привода Лв, тип системы управления Лв. Показатели качества ПР должны удовлетворять сле- следующим требованиям: 8 -< Ах < 20 кг, Л2 ^> 4, Л3 < 1 мм, 1000 ^ Л4 ^= 600 мм. На остальные показатели качества ограничения не накладываются. Каче- Качество ПР считается тем выше, чем больше значения показателей качества. В соответствии с принятым принципом улучшения качества ПР при ана- анализе точности позиционирования необходимо использовать обратные значения этих величин, т. е. принять А'г = 1/Л3. Так как типы привода и системы управления ие имеют числовых оце- оценок, то им присваиваются экспертные оценки в баллах: Л5=Л§, Ав— А%. Множество вариантов моделей роботов, предварительно отобранное из банка данных, с удовлетворением требований по грузоподъемности включает 96 моделей, с учетом числа степеней подвижности — 78, с учетом точности по- позиционирования — 66, с учетом линейного перемещения — 28 моделей (табл. 7,2). 246 7.3. Значения комплексных показателей качества ПР Номер модели ПР (см. табл. 7.2) I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 zi 0,0256 0,0279 0,0301 0,0274 0,0309 0,0286 0,0308 0,0543 0,0371 0,0461 Раир XXVIII XXV XXI XXVI XVIII XXIV XIX I IX V Номер модели ПР (см. табл. 7.2) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ч 0,0400 0,0487 0,0503 0,0293 0,0360 0,0344 0,0360 0,0331 0,0330 0,0396 Ранг VI IV II XXIII XI XIV XII XVI XVII VII Номер модели ПР (см. табл. 7.2) 21 22 23 24 25 26 27 28 zl 0,0495 0,0360 0,0297 0,0334 0,0365 0,0190 0,0265 0,0302 Ранг III XII XXII XV X VIII XXVI XX С учетом принципа повышения качества ПР приняты следующие эксперт- экспертные оценки показателей качества. По типу привода: пневматический А\ = 10 баллов, электрический А% = 7 баллов, гидравлический Л| = 4 балла. По типу системы управления: цикловая А* = 10 баллов, позиционная А\ = 7 баллов, контурная А* = 4 балла. Сумма экспертных оценок значимости показателей качества в г=1 Весовые коэффициенты показателей качества ПР рассчитываются по фор- формуле G.3): Sn = 0,250; Sa = 0,225; S3 = 0,175; S4 = 0,2; S8 = 0,l; Se = 0,05. По формуле G.2) определяются нормированные значения показателей ка- качества ПР. Ниже приведены суммарные значения единичных показателей ка- качества: 28 28 28 2 Аи = 3365 2 Ан = 138; 2 At3 = 81,7з й=1 г=1 1=1 28 28 28 2 Ац = 21 384; 2 А% = 187> 2 А*6 = 211. В результате расчетов нормированных показателей качества получают таблицу данных размером 6X28, которая в примере опущена. Значения комплексных показателей качества выбранных моделей ПР, вы- вычисленные по формуле G.1), представлены в табл. 7.3. Полученные результаты комплексных показателей качества позволяют оп- определить уровень качества (ранг) ПР по использованным для сравнения шести единичным показателям качества. Наиболее высокий уровень качества из отоб- отобранных роботов имеют роботы мод. Robolang-15 (Франция), «Циклон-5.02» (СССР), PR-16P (ЧССР), «Циклои-5.01* (СССР), POI (Италия), Conslarm CP (Япония). С'увеличением числа единичных показателей качества, используемых для сравнения, объективность оценки уровня качества ПР возрастает. Рассмотрен- Рассмотренный метод может быть применен и при выборе других средств автоматизации, например ЗДУ. 247
Выбор устройства для смазывания пресс-форм. Для автомати- автоматизации процесса смазывания пресс-форм находят применение устройства, отличающиеся как способом нанесения разделитель- разделительного состава, так и конструктивным исполнением. По способу нанесения разделительного состава различают устройства для смазывания открытой и закрытой пресс-форм. По конструктивному исполнению устройства для смазывания открытой пресс-формы делятся на устройства со стационарно расположенными форсун- форсунками и устройства с подвижным блоком форсунок. Последние могут быть с одно- и двухкоординатным перемещением. Блок фор- форсунок может быть установлен на руке ПР. Смазывание пресс-форм в закрытом состоянии является новым способом [29], разработанным в целях защиты окружающей среды от загрязнения, уменьшения потерь смазочного материала и улучшения условий труда в цехах литья под давлением. Этот способ позволяет наносить разделительный состав на сложные поверхности, глубоко расположенные в пресс-форме, не применяя мани пуля ционных устройств. Однако данный способ пока не на- нашел широкого применения. Основным же способом является смазывание пресс-форм в открытом состоянии. Для этого машины литья под давлением оснащаются как стационарными форсунками, так и манипуля- манипуляторами с подвижным блоком форсунок. Смазывание пресс-форм с помощью стационарно установлен- установленных форсунок используется обычно при изготовлении плоских отливок. Такие пресс-формы не имеют глубоких полостей. При получении отливок сложной конфигурации с тонкими стенками и глубокими полостями для смазывания пресс-форм применяют подвижные блоки форсунок с одно- и двухкоординатными мани- манипуляторами. Если же смазывание пресс-формы должно вестись по сложной траектории перемещения блока форсунок, то послед- последний устанавливается на руку ПР, имеющего позиционную или контурную систему управления. Выбор устройств для смазывания элементов прессующей группы. К элементам прессующей группы относятся прессующий поршень и наполнительный стакан машин с холодными горизонтальной и вертикальной камерами прессования и контр поршень машин с холодной вертикальной камерой прессования. Устройства для смазывания прессующих поршней машин с холодными горизон- горизонтальной и вертикальной камерами прессования отличаются друг от друга вследствие различных условий работы поршней. Устройства для смазывания наполнительных стаканов машин с холодными горизонтальной и вертикальной камерами прессова- прессования имеют сходные конструкции. Сходны устройства для смазыва- смазывания цилиндрических поверхностей прессующего и контр порш- поршня, соответственно машин с холодными горизонтальной и верти- вертикальной камерами прессования. 248 Специальное устройство требуется для смазывания прессую- прессующего поршня машин с холодной вертикальной камерой прессова- прессования, так как их поршень в исходном положении не сопряжен с наполнительным стаканом, а находится от него на некотором рас- расстоянии. Поршень и наполнительный стакан смазываются незави- независимо друг от друга. При смазывании прессующего поршня раздели- разделительный состав необходимо наносить на торцовую и цилиндриче- цилиндрическую поверхности поршня. Выбор устройства для удаления пресс-остатка. Удаление пресс-остатка с нижнего поршня машин с холодной вертикальной камерой прессования может осуществляться как автономными устройствами, так и устройствами, использующими привод ма- машины. В качестве приводов автономных устройств служат пневмо- и гидроприводы. Используют также устройства, работающие от привода механизма запирания машины. Сталкиватель пресс- остатка обычно имеет линейное или угловое перемещение. Сталки- ватели с угловым перемещением выполняют в виде консольно- поворотного рычага или двухопорной поворотной рамы. Последние получили наибольшее распространение в машинах фирмы Triulzi (Италия) и Polak (ЧССР). Выбор устройства для контроля полноты извлечения отливки. Для контроля полноты извлечения отливки применяют электро- электромеханические, струйные, инфракрасные и весовые устройства. Устройства первых трех типов могут устанавливаться либо на руке робота, либо автономно рядом с машиной. Весовые устройства всегда автономны и обычно используются в автоматизированных системах без ПР. Устройства, установленные на руке ПР, менее инерционны, чем автономные. Весовые устройства, хотя они наибо- наиболее инерционные, позволяют наиболее точно контролировать пол- полноту извлечения отливки. Электромеханические, струйные и инфракрасные устройства реагируют лишь на число извлеченных отливок и не учитывают их целостность. 7.4. РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ И ВЫБОР ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ Транспортно-технологическая схема (ТТС) роботизированного тех- технологического процесса представляет собой номенклатурный и количественный состав оборудования и его функциональную связь. ТТС может быть изображена в виде графа, вершинами кото- которого служит оборудование, а дугами — функциональная связь оборудования. Многовариантность ТТС связана с разнообразием технологических процессов литья под давлением и последующей обработки отливок, разнообразием исполнения технологического оборудования и средств автоматизации, различием их производи- производительности и функциональных возможностей. Выбор из многообразия ТТС оптимального варианта является сложной задачей и включает три этапа: разработку вариантов 249
М Ь-Н ПР \-*Л П \—*\ ТО Ь-Ч ГВ Рис. 7.4. Варианты ТТС роботизироваииого технологического процесса иа базе машин с горячей камерой прессования ТТС, выбор критериев оптимизации и разработку математической модели целевой функции, выбор оптимального варианта ТТС. Разработка вариантов ТТС. Варианты ТТС могут быть изобра- изображены как в виде отдельных графов для каждого варианта, так и в виде общего графа, включающего все многообразие вариантов. В первом случае разрабатываются ТТС с конкретным набором оборудования и его связями; Во втором случае разрабатывается обобщенная ТТС, где указывается только тип оборудования и направленность связей. В первом случае оптимизируется конечное число вариантов ТТС, а во втором — число вариантов ТТС не- неограниченно, поэтому необходимо вводить ограничения на число единиц оборудования каждого типа. Наиболее простая ТТС (рис. 7.4, а) состоит из машины М литья под давлением с горячей камерой и ПР, который производит удаление отливки. В схеме на рис. 7.4, б ПР обслуживает машину и пресс П, где он удаляет отливку из пресс-формы и укладывает ее в штамп пресса. Этот вариант представляет собой роботизирован- роботизированную систему с двумя различными технологическими процессами: литье и прессование. Если после обрезки литников и облоя отливки обрабатываются в галтовочном барабане (ГБ), то ТТС будет иметь вид, показанный на рис. 7.4, в. Отливки из пресса с помощью 250 специального транспо- транспорта отливок ТО и про- промежуточного накопите- накопителя (на рисунке не пока- показан) направляют в гал- галтовочный барабан. В схе- схеме на рис. 7.4, г ПР обслуживает две маши- машины и два пресса. На машинах изготовляют- изготовляются различные отливки и обрезка литников ведет- ведется на разных прессах. HZEh i I I 1 4 (- I I I 1 -I h I I i Ax, 1 i I 451 Рис. 7.5. Обобщенная ТТС роботизированного технологического процесса При изготовлении одинаковых отливок на трех машинах обрез- обрезка литников может производиться на одном прессе. В этом случае ПР обслуживает три машины и пресс (рис. 7.4, д). Схема на рис. 7.4, е отличается от схемы на рис. 7.4, в тем, что ПР обслужи- обслуживает две машины и два пресса. Схема на рис. 7,4, ж представляет собой роботизированную систему, связанную на входе с плавиль- плавильными печами ПП с помощью транспорта металла ТМ, а на выходе со складом отливок СО с помощью транспорта отливок. ПР в этой схеме обслуживают по две машины и два пресса. Принципы построения ТТС на базе машин с холодной горизон- горизонтальной камерой те же, что и на базе машин с горячей камерой. Отличие схем заключается в наличии ЗДУ. Выше отмечалось, что многообразие вариантов ТТС роботизи- роботизированной системы может быть представлено обобщенной схемой в виде одного графа. На рис. 7.5 изображена обобщенная схема роботизированной линии, в которой может быть использовано I различных типов оборудования и k единиц оборудования каждого типа. С учетом этих ограничений определяется матрица вариантов. Чем больше вариантов ТТС, тем сложнее выбрать оптимальный вариант. В целях упрощения и ускорения процедуры выбора опти- оптимального варианта ТТС разрабатывают математическую модель целевой функции, представляющую собой критерий оптимизации, и с помощью ЭВМ просчитывают все возможные или избранные варианты. Обобщенная ТТС позволяет найти новые технические решения, которые традиционно не используются в производстве. Например, в цехах литья под давлением не используются схемы, в которых ПР обслуживает более двух машин. Если же параметры робота позволяют обслужить большее число машин, то это сулит определенную. экономию материальных средств и пло- площадей. Критерии оптимизации и математическая модель целевой функции. В качестве критериев оптимизации ТТС роботизирован- роботизированной системы используют полные затраты на производство отливок, производительность, гибкость и площадь системы, численность обслуживающего персонала. Чаще всего за целевую функцию, 251
подлежащую оптимизации, принимают полные затрату на произ- производство отливок [50]. Если целевую функцию обозначить через Ф, то она может быть представлена в следующем виде: Ф = Ч(К„ Кв, Кс), где Ки — исходные параметры роботизированной системы, вклю- включающие производительность, надежность, стоимость оборудования, занимаемую им площадь, численность обслуживающего персонала, и др.; Кв — параметры выпуска отливок, включающие произ- производительность PC или годовую программу выпуска, время произ- производства отливок; Кс — параметры структуры ТТС, представляю- представляющие число единиц оборудования каждого вида. Так как Ки и Кв обычно заданы, то целевая функция будет изменяться только с изменением параметров структуры ТТС. Опуская индекс «с» при К, получим Ф = У(Кс) = У(Кг, К„ ..., Ki), где Ki — число единиц 1-го типа оборудования; I — число типов оборудования в роботизированной системе. Задача оптимизации целевой функции сводится к определению параметров Ki, К^, ¦¦¦, Ki, при которых полные затраты на произ- производство отливок минимальны. Число вариантов ТТС, подлежащих оптимизации, определяется произведением параметров структуры: п = КгК^Кз ¦••> Ki- Математическая модель целевой функции для участка или цеха литья под давлением может быть представлена в виде i=\ G-4) где N — число роботизированных комплексов или линий на уча- участке или в цехе; 3t — стоимость оборудования, затраты на его эксплуатацию, производственную площадь и содержание рабочих; Kt — число единиц /-го типа оборудования. С учетом составляющих 3i^Ci + 39i^3ni + 3vi, G.5) где С; — стоимость единицы, оборудования 1-го типа; 3ai — за- затраты на эксплуатацию единицы оборудования, 33i = бСгт0, здесь б — доля стоимости оборудования, расходуемая в год на его экс- эксплуатацию (обычно б = 0,1); т0 — время производства отливок, лет; 3ni — затраты на производственную площадь, занимаемую единицей t-го оборудования, 3ni = хпыгт0, здесь ut — площадь, занимаемая оборудованием; хп — стоимость единицы производ- производственной площади за год; 3pi — затраты на содержание рабочих, обслуживающих единицу /-го оборудования, 3pi = хр2гт0, здесь хр — заработная плата рабочего за год; zt — число рабочих, обслуживающих единицу /-го оборудования. 252 Рнс. 7.6. Маршрутный техноло- технологический процесс роботизиро- роботизированной лнннн Окончательно выражение G.5) примет вид + пг0 + р^0, а целевая функция G.4) с учетом выражения G.5) будет представ- представлена уравнением Ф = N 2 (Ct + бСгт0 + хпыгт0 + хр2гт0) Ki. G.6) Число роботизированных линий N может быть определено отношением общей годовой производственной программы Ао к годовой производительности одной линии А: N = AJA. G.7) Производительность одной линии определяется минимальной производительностью входящего в нее оборудования, а также производительностью, надежностью и числом единиц каждого оборудования в этой линии. Предлагается следующее выражение для определения производительности одной линии: А = а min +flmin 2 G.8) где ат]п — минимальная общая производительность г-го типа оборудования, amln = atKi, здесь at — производительность еди- единицы /-го типа оборудования; t,t — характеристика потока отка- отказов /-го типа оборудования. Таким образом, математическая модель целевой функции Ф включает уравнения G.6) — G.8). Пример. 1. Постановка задачи. Рассмотрим оптимизацию структуры ТТС роботизи- роботизированной системы на базе машины литья под давлением с горячей камерой прес- прессования [50]. Маршрутный технологический процесс (рис. 7.6) роботизированной системы включает плавку цинковых сплавов в плавильной печи ПП, изготовле- изготовление отлнвок на машине М, удаление отлнвок из пресс-формы с помощью промыш- промышленного робота ПР, охлаждение отлнвок в баке с водой У О (устройство охлажде- охлаждения), обрезку лнтннков на прессе П и удаление заусенцев в галтовочном барабане ГБ. Роботизированная система (PC), построенная с использованием нескольких технологических процессов, представляет роботизированную линию (РЛ). Несколько роботизированных лнннй образуют участок нлн цех лнтья под дав- давлением. В соответствии с маршрутным технологическим процессом обобщенная ТТС роботизированного участка (РУ) показана на рис. 7.7. Необходимо выбрать оптимальную структуру РЛ, т. е. определить значения параметров струк- структуры /Cj, K2, К3, Ki, K5 при минимальном значении полных затрат на производ- производство отлнвок. Кроме того, необходимо определить число РЛ, обеспечивающих выполнение годовой производственной программы. 253
i-C РЛ, пп ZH Рис. 7.7. Обобщенная ТТС роботизированного участка литья под давлением Рис. 7.8. Варианты ТТС роботизированной линии 254 Рис. 7.9, Траектория перемещения руки робота С целью уменьшения числа вариантов ТТС, подлежащих опти- оптимизации, принимаем максимальное число единиц оборудования каж- каждого типа (кроме галтовочных ба- барабанов), равное четырем. В про- процессе оптимизации ТТС будем варь- варьировать отношением числа пла- плавильных печей к числу машии литья под давлением. Связи ма- шииа—робот—пресс изменению не подвергаются, т. е. во всех вариан- вариантах робот обслуживает одну машину и один пресс. В каждом варианте один галтовочный барабан. Кроме того, число плавильных печей не должно быть больше числа машин. С учетом изложенных ограничений оптимизации будут подвергнуты десять вариантов ТТС, представленных на рис, 7.8. При Ki — 4, К2 = Ks — Ki = 4 и К& = 1 максимальное число вариантов ТТС n == KiKiKs =4X4X1 = 16. Но с учетом последнего ограничения 4 я- *!*,*,- 2 (*1-Ч = 16-[D-1) + D-2) + D-3) + D-4)] = 10. i=t 2. Расчет производительности оборудования, В соответствии с маршрут- маршрутным технологическим процессом роботизированной системы выбрано следующее оборудование: плавильная печь САТ-0,15, машина литья под давлением с горя- горячей камерой прессования А-40, промышленный робот Циклон-5.01, кривошипно- шатунный пресс КД-2118, специальный галтовочный барабан с криогенным ох- охлаждением. Для плавильной печи <*i = Ом/(тплтм) = 0,56 шт/с, где GM = 200 кг — масса металла, загруженного в печь; тпл = 1 ч — время плав- плавления металла; тм =0,1 кг — масса металла, необходимого для изготовления одной отливки с литниковой системой. Для машины лнтья под давлением аа = г/и0ТЯ = 0,31 шт/с, где г = 4 — число одновременно изготовляемых отливок; тотл = 13 с — время изготовления куста отлнвок. Для расчета производительности ПР целесообразно изображать траекторию перемещения его руки (рис. 7.9) в соответствии с маршрутным технологическим процессом, изображенным на рис. 7.6: 2 =i ¦ = 0,21 шт/с. Т '•'ОХЛ Т" '•'ВО где L% = L2 = L3 = 500 мм — длина линейных горизонтальных перемещений руки ПР при обслуживанни соответственно машины литья под давлением, уст- устройства охлаждения и пресса; v = 300 мм/с — линейная скорость горизонталь- горизонтального перемещения руки ПР; а = 180° — угол поворота руки ПР относительно вертикальной оси; ш = 90 град/с — угловая скорость поворота рукн ПР относительно вертикальной оси; тохл = 2 с — время охлаждения отлнвок; тво = 1 с — время выстаивания ПР при взаимодействии с оборудованием. Если ПР кроме линейных и угловых горизонтальных перемещений выпол- выполняет вертикальные перемещения руки, вращает руку относительно горизоиталь- 255
7.4. Исходные данные для расчета целевой функции Параметр Производительность, шт/с Поток отказов Стоимость, тыс. руб. Площадь, ма Численность рабочих, чел. ПП 0,56 0,03 1,0 2.0 1/15 Оборудование М 0,31 0,10 21,0 5,0 2/9 ПР 0,21 0,15 25,0 6,0 1/3 П 1,3 0,05 3,0 2,0 1/9 ГБ 2,4 0,05 1.0 4,0 1/9 ной оси или имеет другие перемещения, а также осуществляет технологические задержки, например, для контроля полноты извлечения отливкн, то все это необходимо учитывать при расчете его производительности, вводя соответствую- соответствующие члены. •Для пресса aj = г/тоб = 1,3 шт/с, где тОб = 3 с — время обрезкн литников. Для галтовочного барабана аь = Gr/lm0.rn (тгал + taar + Твыг)] = 2,4 шт/с, где Gr = 80 кг — масса всех отливок без литников в галтовочном барабане; тотл — масса одной отливки без литиика; тгал = 300 с, тзаг = 120 с, твыг = = 120 с — время галтовки, загрузки и выгрузки отливок. 3. Определение надежности оборудования. Надежность работы оборудова- оборудования может быть определена на основании эксплуатационных данных г) = = ч-яК^ж + тр)> гДе тн — среднее время наработки оборудовавня на отказ; тр — среднее время восстановления или ремонта данного оборудования. Надежность работы оборудования характеризуется также потоком отказов С = тр/тн. 4. Исходные данные для расчета целевой функции. Исходные данные, ха- характеризующие оборудование PC и необходимые для рясчета целевой функции, представлены в табл. 7.4. Кроме данных, приведенных в табл. 7.4, для расчета целевой функции не- необходимы следующие параметры: б = 0,1; хп = 90 р/(ма-год); х0 = 2500 р/год; Ао — 22-10е шт/год; т0 = 15 лет. 5. Результаты расчета целевой функции. Для оптимизации структуры ТТС рассматриваемой PC были выполнены расчеты целевой функции по десяти вари- вариантам (см. рис. 7.14). Результаты расчетов представлены в табл. 7.5. Расчетное число РЛ, необходимых для выполнения годовой программы, округляется до целого числа в сторону увеличения. Полученные в результате расчетов данные показывают, что. минимальные затраты соответствуют 3 ва- варианту ТТС. В то же время 1, 2, 3, 5, 6 и 8 варианты имеют сравнительно не- небольшое различие полных затрат. Так, затраты 1 варианта превосходят затраты 3 варианта всего на 6% , поэтому для этих вариантов окончательный выбор струк- структуры РЛ можно провести, руководствуясь простотой технического решения. Са- Самым простым является 1 вариант, который и был принят для реализации на производстве. Зависимость структуры роботизированной системы от парат метров ПР. Исследования влияния параметров ПР на струк- структуру PC, применительно к рассмотренному выше примеру показы- показывают, что наиболее существенно на нее действуют линейные и угловые скорости перемещения руки ПР. Стоимость ПР влияет 256 7.5. Результаты расчета целевой ¦»';.?;; '- Параметр ^; Число единив обо- оборудования в РЛ, шт.: *2 к. Къ Число РЛ, шт. Полные затраты, млн. руб. Ранг варианта функции Вариант 1 1 1 1 1 1 6 1,10 VI 2 1 2 2 2 1 " 3 1,06 III 3 1 3 3 3 1 2 1,04 I 4 1 4 4 4 1 2 1,37 VII 5 2 2 2 2 1 3 1,08 V 6 2 3 3 3 1 2 1,05 II 7 2 4 4 4 1 2 1,38 VIII 8 3 3 3 3 1 2 1,07 IV 9 3 4 4 4 1 2 1,40 IX 10 3 4 4 4 1 2 1,42 X 7.6. Зависимость структуры роботизированной линии от параметров промышленного робота Параметр ПР о а* 0,3 1,0 3,0 3,0 1,0 3,0 1.0 ш, град/с 90 90 90 180 90 45 90 тыс. руб. 25 25 25 25 15 25 40 Полные затраты, млн. руб. . 1,289 1,045 0,957 0,823 0,895 1,109 1,270 Оптимальное число единиц оборудовавня в РЛ, шт. К. 2 2 2 2 2 1 2 к, 4 3 4 2 3 1 3 К, 4 3 2 1 3 1 3 к. 1 3 1 2 3 1 3 к. 1 1 1 1 1 1 1 Число РЛ, шт. 2 2 2 3 2 6 2 Число единиц оборудова- оборудования обслу- обслуживаемых ПР, шт. 2 2 3 4 2 2 2 только на полные затраты (табл. 7.6). С увеличением скорости перемещения руки робота возрастает число единиц оборудования, обслуживаемых им, что приводит к появлению новых оптимальных ТТС. 7.5. РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ И ВЫБОР СТРУКТУРНО-КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ Как уже отмечалось, исходной информацией для разработки структур но-компоновочной схемы (СКС) автоматизированной или роботизированной системы служит оптимальный вариант ТТС технологического процесса. CRC является основой для разработки планировки автоматизированной или роботизированной системы. Проектирование автоматизированных систем базируется на тех же требованиях, которыми руководствуются и при проектировании 9 Заказ 66 257
роботизированных систем: PC должна обладать гибкостью и авто- автономностью, иметь возможность развития и встраивания в другие системы, иметь унифицированные и взаимозаменяемые элементы, оптимальную структуру, высокую надежность, производитель- производительность и эффективность. Гибкость и переналаживаемоеть PC обеспечивают ее биетрую и простую перестройку на производство новых отливок заданной номенклатуры. Автономность PC выражается в ее возможности работать в автоматическом режиме независимо от режимов работы других систем на входе и выходе. Встраиваемость PG в другие системы более высокого уровня должна обеспечивать ее синхрон- синхронную или асинхронную работу с другими PG на входе и выходе. Развиваемость предусматривает возможность усовершенствования системы, т. е. повышения эффективности ее работы за счет приме- применения новейших технологических, робототехнических, вспомога- вспомогательных, транспортных и контрольных средств. Унификация и взаимозаменяемость составных элементов упрощают обслуживание и сокращают простои системы при выходе элементов из строя. Оптимальность структуры PC характеризуется минимальными простоями, площадями, стоимостью и максимальными надеж- надежностью, производительностью и безопасностью. PG классифицируют по характеру операций технологического процесса, выполняемых роботом; количественному составу техно- технологического оборудования и роботов; компоновке технологиче- технологического оборудования и роботов. По первому признаку все PC подразделяют на две большие группы: роботизированные технологические системы (РТС) и робо- роботизированные производственные системы (PFIG). В РТС роботы выполняют вспомогательные операции технологического процесса, главным образом транспортные. В РТС литья под давлением к таким операциям относятся удаление отливки из пресс-формы, ее укладка в штамп пресса, заливка металла в камеру прессования. В PnG роботы выполняют основные операции технологического процесса. К ним относят операции по очистке и смазыванию пресс- формы, установке армирующих элементов, контроль целостности и качества отливок. На практике чаще всего используются РТС либо комбинации PTG и РПС В зависимости от набора технологических процессов и состава оборудования PG могут быть представлены в виде роботизирован- роботизированных технологических комплексов (РТК), линий (РТЛ), участков (РТУ) или роботизированных производственных комплексов (РПК), линий (РПЛ), участков (РПУ). Например, РПК литья под давлением может быть создан на базе машины с горячей камерой прессования с использованием ПР для выполнения только техно- технологических операций, а удаление отливки из пресс-формы может быть проведено без применения ПР. Чтобы создать РПЛ из преды- предыдущей PC, необходимо добавить в нее, например, систему автомати- автоматизированного удаления литников и облоя на базе галтовочного бара- 258 ^ J -M ПР a) 'M ПР г л ПР ... /_ S) ПР С; ' S м м B) Рис. 7.10. Варианты СКС PC на базе ма- машины с горячей камерой прессования баиа. РТУ и РПУ образуют путем объединения РТК, РТЛ, РПК и РПЛ в PG, из- изготовляющие отливки опре- определенной номенклатуры. По второму признаку PG можно подразделить на че- четыре типа: первый тип — один ПР обслуживает одну единицу технологического оборудования; второй тип — один ПР обслуживает не- несколько единиц техноло- технологического оборудования; тре- третий тип — несколько ПР обслуживают несколько единиц технологического оборудова- оборудования; четвертый тип — несколько ПР обслуживают одну единицу технологического оборудования. Примером PC первого типа может служить РТК, в котором ПР удаляет отливку из пресс-формы. PC второго типа представляет РТЛ, в которой ПР удаляет отливку из пресс-формы и укладывает ее в штамп пресса. В PC третьего типа ПР обслуживает две машины и один пресс, а роботы-заливщики обслуживают машины. В PC четвертого типа ПР и робот-заливщик обслуживают одну машину. По третьему признаку PC различают по конструктивно-компо- конструктивно-компоновочному исполнению робота и взаимному расположению техно- технологического оборудования и роботов. По конструктивно-компоно- конструктивно-компоновочному исполнению ПР могут быть встроены в оборудование, быть напольного, подвесного, портального, мостового или подвиж- подвижного исполнения. По расположению технологического оборудования и роботов PC бывают трех типов: первый тип — технологическое оборудова- оборудование расположено по окружности, а ПР установлен в центре; второй тип — технологическое оборудование и ПР расположены в линию; третий тип — ПР расположены по окружности, а технологическое оборудование — в центре. СКС PC представляет собой состав и взаимное расположение оборудования, входящего в ТТС. Для одной и той же ТТС может быть разработано несколько вариантов СКС, поэтому встает вопрос о выборе оптимального варианта. Многообразие вариантов СКС определяется качественным и количественным составом ТТС. Наименьшим разнообразием вариантов отличаются СКС для PC на базе машин с горячей камерой, а наибольшим — СКС для PC на базе машин с холодной горизонтальной камерой. Некоторые варианты СКС для различных ТТС PC литья под давлением пред- представлены на рис. 7.10—7.12. Данные СКС построены по принципу усложнения, т. е. увеличения числа единиц оборудования, обслу- обслуживаемых ПР. Так, в схеме на рис. 7.10, а ПР обслуживает только 9* 259
3 1- cm S) >S3 Г54» -ЯП J 7- -ЕЩ- к * -toj J - ¦da- 0 n'O к) B/ (9/ 1— Рис :. 7.11. Варианты (а—ж) СКС PC на базе машины с колодной горизонтальной «сферой прессования: / — машина; 2 — ЗДУ, совмещенное с раздаточной печью; 3 ~- ПР; 4 — пресс; б — раз- раздаточная печь; 6 — ЗДУ ковшового типа машину, в схемах на рис. 7.10, б, в — две единицы оборудования (две машины или машину и пресс), в схеме на рис. 7.10, г — две машины и пресс. СКС, показанные на рис. 7.11, кроме того, отли- отличаются типом ЗДУ. Одни варианты используют ЗДУ, совмещенные с раздаточной печью, а другие — ЗДУ ковшового типа с несовме- несовмещенными раздаточными печами. Характерной особенностью компо- компоновочных схем PC на базе машин с холодной горизонтальной каме- камерой является то, что ЗДУ может быть расположено параллельно машине с двух сторон. СКС PC для машин с холодной вертикальной камерой (рис. 7.12) содержат ЗДУ только ковшового типа. Это связано с тем, что конструкция узла прессования машины затруд- затрудняет использование ЗДУ, совмещенных с раздаточной печью. Дру- Другой особенностью СКС PC для машин с холодной вертикальной камерой является установка раздаточной печи по оси машины. 260 (о/ / de- 1— 7— -ЯЛ 5— 4- -7 7-— а) б) S) -RT1 г) Z ©и и, >Pol -ёв- ;— 4 -йэ- д) е) Рис. 7.12. Варианты (а — е) СКС PC на баве машины с колодной вертикальной камерой: / —машина; 2 — раздаточная печь; 3 — ЗДУ ковшового типа; 4 — ПР; 5 — пресс Это связано с кратчайшим расстоянием от тигля с расплавленным металлом до заливочного отверстия камеры прессования. На рис. 7.10—7.12 изображены СКС как для различных, так и для одинаковых ТТС PC. Например, схемы на рис. 7.11, в, г построены для одной и той же ТТС: ЗДУ—М—ПР—П. В схеме на рис. 7.11, в ЗДУ, ПР и пресс расположены по одну сторону машины, а в схеме на рис. 7.11, г ЗДУ находится с одной стороны машины, а ПР и пресс — с другой. Возможны и другие комбинации относительного расположения оборудования по этой ТТС. После выбора ТТС разрабатывают варианты СКС. Оптимальный вариант СКС выбирают по какому-либо критерию. Например, в качестве критериев часто принимают площадь, занимаемую оборудованием PC, удобство обслуживания оборудования, протя- протяженность материальных потоков (расплав, отливки, отходы, оснастка). Оптимальный вариант может определяться как по одному крите- критерию, так и по комплексному показателю, учитывающему несколько критериев. Для количественных оценок различных вариантов СКС целесообразно каждому варианту давать экспертные оценки в виде баллов. Далее выбор оптимального варианта СКС может быть проведен аналогично выбору ПР. 7.6. РАЗРАБОТКА ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ К вспомогательным устройствам автоматизированных и роботизи- роботизированных систем литья под давлением относят нестандартное технологическое оборудование, загрузочные захватные, транс- транспортные и контрольные устройства. 261
В виде нестандартного технологического оборудования разра- разрабатывают или модернизируют заливочно-дозирующие устройства, устройства для смазывания пресс-формы, пресс-камеры, пресс- поршня и контр поршня, устройства для сталкивания пресс- остатка. Загрузочные устройства в PC литья под давлением применяют, например, для поштучной выдачи ориентированных деталей, используемых в качестве арматуры в отливках. Захватные устройства, которыми оснащают ПР и манипулято- манипуляторы, обычно выполняют в виде клещевых механизмов с угловым перемещением рычагов. Так как отливки захватываются главным образом за цилиндрический пресс-остаток (в машинах с холодной горизонтальной камерой) или за конический ходовой литник (в машинах с горячей и холодной вертикальной камерами), кон- конструкция захватных устройств отличается в основном формой и размером губок. Поэтому сокращение числа диаметров камер прессования или ходовых конических литников ведет к сокраще- сокращению числа захватных устройств. Транспортные устройства в виде подвесных, напольных, под- подземных цепных и ленточных конвейеров исаользуются для подачи как отливок от машины или пресса к галтовочному барабану, так и отходов от них в плавильное отделение. Контрольные устройства как средства автоматизации приме- применяют главным образом для контроля полноты извлечения отливок. Они выполняются как автономными, так и встроенными в ПР или манипулятор. В первом случае отливка, захваченная ПР, подно- подносится к контрольному устройству для проведения операции кон- контроля, а во втором случае операция контроля выполняется во время транспортирования отливки. Встроенные контрольные уст- устройства повышают производительность PC, но делают более гро- громоздким рабочий орган ПР, что ограничивает его манипуляцион- ные возможности. Автономные контрольные устройства могут быть более сложными, чем встроенные, но для проведения конт- контрольных операций с их помощью требуется дополнительное время, что снижает производительность PC. Кроме того, они занимают дополнительную площадь. 7.7. ПЛАНИРОВКА PC После разработки вспомогательных устройств можно приступать к планировке роботизированной системы. Исходной информацией на этом этапе служит СКС, размеры оборудования и устройств, рабочей зоны ПР и манипуляторов. Оптимизация размещения оборудования выполняется с учетом обхода ПР препятствий и максимальной производительности роботизированной системы. Пример планировки роботизированной линий литья под давле- давлением на базе машины с холодной горизонтальной камерой показан на рис. 7.13. Площадь, занимаемая линией, составляет 30 ма. Для планировки была использована СКС, показанная на рис. 7.11, в. 262 Рис. 7.13. Планировка роботизиро- роботизированной линии иа базе машины с ко- колодной горизонтальной камерой: / — машина мод. А71107; 2 — ЗДУ мод. Д-63М; 3 — промышленный робот мод. УМ-1Т; 4 — преое мод. ДБ-2424; б — элек- электрошкаф машины; 6 — электрошкаф ЗДУ; 7 — трансформатор ЗДУ; 8 — пулы? управ- управления машины; 9 — гидростанция ПР; 10 — электрошкаф и пульт управления ПР; // — электрошкаф цехового питания; 12 — тара для отливок; 13 — тара для литников; 14 — лоток 10 Несмотря на компактность раз- размещения оборудования, плани- планировка имеет серьезные недос- недостатки, связанные с неудобством обслуживания оборудования и вывоза отливок и литников. Одной из причин использо- использования такой компактной СКС послужила необходимость раз- размещения средств автоматизации в действующем цехе литья под давлением с ограничен- ограниченными площадями. Во вновь строящихся цехах используют схему, показанную на рис. 7.11, г, которая позволяет создать более благоприятные усло- условия для обслуживания оборудования, вывоза отливок и литников. Большое значение при разработке планировки имеет оптими- оптимизация размещения оборудования. Целью оптимизации является определение кратчайших траекторий перемещения руки ПР. Наиболее эффективно эта задача решается с помощью моделирова- моделирования на ЭВМ перемещений ПР. Программное обеспечение моделиро- моделирования должно учитывать размеры ПР, технологического и вспомо- вспомогательного оборудования PC. При использовании ПР для выполне- выполнения сложных программ часто требуется моделирование кинематики ПР в целях определения достижимости заданных точек и выполне- выполнения необходимых операций. Предварительное моделирование позволяет оптимально разместить оборудование PC и избежать в дальнейшем его перестановки, добиться максимальной произво- производительности оборудования за счет эффективного использования ПР. 7.8. ПРОГРАММА РАБОТЫ PC Программа работы автоматизированной или роботизированной системы состоит из нескольких программ работы оборудования, входящего в эту систему. Для разработки программы PC в качестве исходных данных используют ТТС, циклограмму операций техно- 263
Номер операции 1 2 3* * 5 6 7 В 9 10 11 12 Первый цикл z к X XJ 1X1 IXJ IX X XI IX Второй цикл z z X X z XI Рис. 7.14. Циклограмма тех- технологического процесса РК на базе машины с горячей камерой прессования: / — смазывание пресс-формы; 2 — закрытие пресс-формы; 3 — запрессовка металла; 4 — вы- выдержка отлнвкн в пресс-форме; 5 — возвращение пресс-поршия в исходное положение; 6 — по- пополнение камеры прессования металлом; 7 — раскрытие пресс- формы; 8 — выталкивание от- ливкн из пресс-формы; 9 — уда- удаление отливки из пресс-формы ПР; 10 — контроль полноты из- извлечения отлнвкн;// — укладка отливкн в тару; 12 — возвраще- возвращение ПР в исходное положение логического процесса, блок-схему взаимосвязи оборудования, траекторию движения рабочего органа ПР (см. рис. 7.9). Циклограмма операций технологического процесса. Она опре- определяется типом PC и составом входящего в систему оборудования. Основными отличительными признаками PC литья под давлением являются машины, на базе которых созданы системы, и технологи- технологические процессы, используемые при изготовлении отливки. Цикло- Циклограммы технологических процессов роботизированных комплексов (РК) и линий (РЛ), созданных на базе машин различных типов, имеют определенные отличия. Прежде всего, циклограммы для РК имеют меньше операций, чем циклограммы для РЛ, так как последние включают, кроме процесса литья, процессы обрезки литников, удаления заусенцев, механической обработки и др. С учетом типа машины меньшее число операций будут иметь цикло- циклограммы PG на базе машин с горячей камерой и большее — на базе машин с холодной вертикальной камерой. С увеличением числа операций возрастает сложность разработки программы работы PC. Циклограммы, представленные на рис. 7.14—7.16, являются типовыми и носят принципиальный характер, так как в них не отражен масштаб времени. Однако они могут служить основой для разработки реальных циклограмм, создаваемых PC. Изменение состава технологических процессов, оборудования, последователь- последовательности выполнения операций и учет времени выполнения операций приводит к большему разнообразию циклограмм. В приведенных примерах циклограмм показано несколько цик- циклов изготовления отливок, чтобы видеть параллельность работы оборудования. Циклограммы PG определяют состав программ работы определенных видов оборудования. Так, для циклограммы, изображенной на рис. 7.15, операции № 1—3 выполняются устрой- устройствами смазывания (УС), операции № 4, 6—10 — машиной (М), операция №5 — ЗДУ, операции № 11, 13—15 — ПР, операция № 12 — устройством контроля (УК), операция № 16—20 — прес- прессом. Каждый вид оборудования работает по своей программе. В свою очередь, эти программы могут иметь различные подпро- 264 I Номер операции 1 2 3 5 6 7 В 9 10 11 12 13 п 15 16 17 18 .19 20 Первый цикл я X X" Я Я Я Я X У. х\ IX Второй цикл 5? X я >< X К X X IX X. к XJ IX Я Я >< XI Рис. 7.15. Циклограмма технологического процесса РЛ на базе машины с хо- холодной горизонтальной камерой прессования: / — смазывание пресс-формы; 2 — смазывание пресс-поршня; 3 — смазывание камеры прессования; 4 — закрытие пресс-формы; 5 — заливка металла в камеру прессования ЗДУ; 6 — запрессовка металла; 7 — выдержка отлнвкн в пресс-форме; 8 — раскрытие пресс-формы; 9 — возвращение пресс-поршня в исходное положение; 10 — выталкива- выталкивание отливкн нз пресс-формы; // — удаление отлнвки из пресс-формы ПР; 12 — контроль полноты извлечения отлнвки; 13 — охлаждение отливкн в воде; 14 — укладка отливкн в штамп пресса; 15 — возвращение ПР в исходное положение; 16 — обрезка литинков и облоя; 17 — возвращение пуансона в исходное положение; IS — ввод лотка для приема отливки; 19 — выталкнваине отлнвкн из пуансона; 20 — сбрасывание отлнвки с лотка в тару граммы (рис. 7.17). В рассматриваемом примере программа РЛ состоит из отдельных программ УС, М, ЗДУ, ПР, УК и П. Про- Программа УС, в свою очередь, содержит подпрограммы смазывания пресс-формы, пресс-поршня и пресс-камеры, а программа ПР имеет модификации М—УО—П, по которой ПР обслуживает машину, устройство охлаждения отливки и пресс; М—П, когда ПР обслуживает машину и пресс, и М, когда ПР обслуживает только машину. Машина, пресс, устройство для смазывания пресс-формы и другое оборудование, входящее в РЛ или другую PC, могут иметь и другие различные подпрограммы и их модификации. Блок-схема взаимосвязи оборудования. Блок-схема взаимо- взаимосвязи оборудования PC составляется на основе ТТС и циклограммы технологического процесса. Из блок-схемы на рис. 7.18 видно, что наибольшую функциональную нагрузку несет ПР, который взаимодействует с машиной, устройствами смазывания и контроля и прессом. ПР не только взаимодействует g оборудованием, но и выполняет манипулящионные операции в отливкой. 265 L
Номер операции 1 г 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12 13 14 15 16 П 18 Пербып цикл Ё X х X Я [X Я Я X X XI IX Второй цикл Я Ж Я X X X Я я X IX X X! XI Рис. 7.16. Циклограмма технологического процесса РК на базе машины с хо- холодной вертикальной камерой: / — омааываиие пресс-формы; 2 — омааываиие пресс-поршня; 3 — закрытие пресс- формы; 4 — возвращение нижнего поршня в исходное положение; S — смааываине ниж- нижнего поршня; 6 — смааывание камера прессования; 7 — заливка металла в камеру прес- прессования ЗДУ; 8 — аапресоовка металла; 9 — выдержка отливки в пресс-форме; 10 — возвращение преое-поршня в исходное положение; // — отреака и выталкивание преса- остатка; 12 — раскрытие пресс-формы; 13 — сталкивание пресс-остатка с коитрпорш- ня; 14 — выталкивание отливки; IS — удаление отливки на пресс-формы ПР; 16 — кон- контроль полноты извлечения отливки; 17 — укладиа отливки в тару, 18 — воавращенне ПР в исходное положение Работа РЛ начинается с команда! ПР устройству смазывания УС. Выполняются операции смазывания пресс-формы, пресс- поршня и пресс-камеры. После выполнения операций смазывания УС подает команду М на выполнение операций изготовления от- отливки, т.е. выполнения программы М. Выполняется операция закрытия пресс-формы. Далее машина подает команду ЗДУ на выполнение операции заливки металла. По окончании заливки ЗДУ подает команду машине на продолжение выполнения про- программы М. Производится запрессовка металла в пресс-форму, выдержка, раскрытие пресс-формы и выталкивание отливки. После этого машина подает команду ПР на выполнение операции удаления отливки из пресс-формы и повледующих операций программы ПР. После удаления отливки из пресс-формы ПР взаимодействует с УК, определяя полноту извлечения отливки. При полном извлечении отливки ПР подает команду УС на повто- повторение цикла изготовления отливки, а сам продолжает выполнение своей программы. При неполном извлечении отливки выполнение программы РЛ приостанавливается до устранения неполадок. Далее ПР транспортирует отливку к прессу, укладывает ее в штамп и подает команду прессу П иа выполнение операций обрезки литии- 266 Прагаанпа Программа РА 1 Программа М Программа ЗДУ 1 Подпрограмма „Пресс-$орпа" Подпрограмма „Пресс-поршень" Подпрограмма „Пресс-капера 1 1 Программа ПР Программа УК L 1 Подпрограмма 1 м-уо-п Программа П Подпрограмма м~п Подпрограмма М Рис. 7.17. Состав программы РЛ ков. После выполнения операции обрезки литников ПР возвра- возвращается в исходное положение, ожидая команду от машины о выталкивании отливки из пресс-формы. Программа промышленного робота. Программа ПР состав- составляется в три этапа: словесная запись программы, запись програм- программы в условных обозначениях, запись программы с помощью техни- технических средств. Словесная запись программы. В PC робот взаимодействует с тех- технологическим и вспомогательным оборудованием и выполняет манипуляционные операции. Для удобства разработки программы робота маиипуляциоиные операции записывают сначала в виде макроопераций. В блок-схеме, показанной на рис. 7.18, ПР выполняет следующие макрооперации: удаляет отливки из пресс- формы; устанавливает отливку в УК; укладывает отливку в штамп пресса; удаляет литиик из штампа пресса; укладывает литник в тару; возвращается в исходное положение. Каждая макроопера- макрооперация, выполняемая ПР, содержит перемещения, ориентацию и по- положение схвата. При разработке программы ПР с целью опреде- определения перемещений схвата вычерчивают траекторию его движения (рис. 7.19). В приведенном примере ПР из исходного положения 1, подав команду машине М иа выполнение литейного цикла, перемещает Рис. 7.18. ТТС (а) и блок-схема взаимосвязи оборудования F) РЛ (стрелками показана последовательность взаимодействия оборудования) 267
Рис. 7.19. Траектория дви- движения схвата ПР при об- обслуживании оборудова- оборудования РЛ: М — машина литья под давле- давлением; Я — пресо; УК — уст- устройство контроля полноты из- извлечения отливки; Т — тара для отливок; / —16 — точки по- позиционирования ПР свою руку последова- последовательно в точки 2 и 3. Далее рука опускается вниз в точку 4 и по- после укладки отливки в штамп пресса П подни- поднимается вверх в точку 5. Для выполнения прессом операции обрезки литников ПР отходит в точку 6, после чего подается команда прес- прессу. Далее ПР перемещает руку в точку 7, опускает ее в точку 8 для захвата в штампе отливки без литников и вновь поднимает вверх в точку 9, откуда транспортирует отливку в точку 10 и укла- укладывает в тару Т в точке 11. В точке 12 ПР ждет команду от машины о выполнении операции удаления отливки из пресс-формы. Полу- Получив команду, ПР перемещает руку последовательно в точки 13 и 14, захватывает отливку и перемещает ее в точки 15 и 16. В точке 16 проводится контроль полнота извлечения отливки с помощью устройства контроля УК- В случае полного извлечения отливки ПР перемещается в точку 1 и подает команду машине для повторе- повторения .литейного цикла, а сам транспортирует отливку к прессу. При неполном извлечении отливки выполнение программы приоста- приостанавливается до выяснения причин и их устранения. Пркмер 1. Программа для робота УМ-IT с позиционной системой управления. Для обслуживания оборудования PC литья под давлением применяют ро- роботы с позиционной и цикловой системами управления. Первые выполняют сложные программы с большим числом точек позиционирования. Вторые исполь- используются для выполнения более простых программ с ограниченным числом точек позиционирования. Для РЛ, ТТС и блок-схема взаимосвязи оборудования которой показаны иа рис. 7.18, программа работы робота в словесной записи будет иметь вид: I. Исходное положение. Горизонтальное перемещение руки X = —350 мм, вертикальное перемещение руки К = —230 мм, поворот руки относительно вер- вертикальной оси ф = 60°, схват закрыт и повернут вертикально, команда УС. 2. X — 0, схват повернут горизонтально. 3. К = 30 мм. 4. ф = 89° 50'. 5. X = 330 мм. 6. Y = —35 мм. 7. Схват раскрыт (отливка в штампе). 8. X = 0. 9. Команда П (пуансон вниз). 10. Y = —42 мм, команда П (пуансон вверх). II. Х = 330 мм. 12. Скват закрыт (литиив в сивате). 268 I 13. Y =±"86-мм. 14. X = % команда от УК (контроль литника в сквате). 15. Y = ^230 мм, ф = 60°. 16. X =• —^350 мм, схват раскрыт (литиик в таре). 17. ф=—^8* скват повернут вертикально, команда от М (отлквка вытолкнута). 18. X = 0. 19. X = Ш) мм. 20. ф =,. 10°. 21. Схват закрыт (отливка в сквате). 22. ш =±= —6°. 23. X = 0. 24. X = —350 мм, номаида от УК (контроль полноты извлечения отливки). Далее программа повторяется. Степень детализации словесной записи про- программы определяется квалификацией программиста, который записывает про- программу в условный обозиачеиияк. Иногда в словесной запкси программы в скоб- скобках могут приводиться комментарии. Пример 2. Программа для робота ПР-ЮИ с цикловой системой управления. РК включает машину литья под давлением с холодной вертикальной каме- камерой, ЗДУ, устройства для очистки и смазывания пресс-формы и пресс-группы, контроля полноты извлечения отливки. ТТС и блок-схема взаимосвязи оборудо- оборудования отличаются от тех, что показаны на рис. 7.18, отсутствием пресса. Словесная запись программы работы робота выглядит следующим образом: 1. ПР принимает команду от М о том, что отливка вытолкнута из пресс-формы. 2. Перемещение кисти ПР по оси X вперед. 3. Перемещение кисти ПР по оси К влево. 4. Зажим схвата. 5. Перемещение кисти ПР по оси К вправо. 6. Перемещение кисти ПР по оси X назад. 7. ПР принимает команду от УК о том, что отливка в сквате. 8. ПР подает команду УС. 9. Поворот руки ПР влево. 10. Вращение кисти ПР влево. 11. Раскрытие схвата. 12. Вращение кисти ПР вправо. 13. Поворот руки ПР вправо. 14. ПР отключает команду УС. Далее программа повторяется. Запись программы в условных обозначениях. Использование ус- условных обозначений для записи программы позволяет не только сократить объем записи, но и использовать в дальнейшем тех- технические средства для механизированного набора или нанесения программы на носитель. В качестве условных обозначений чаще всего используют буквенные, буквенные с индексами и буквен- буквенно-цифровые; используют буквы как русского, так и латинско- латинского алфавитов. Пример 1. Программа робота УМ-IT с позиционной системой управления. Запись программы выполняется в коде БЩК-5 (буквенно-цифровой код для перфоленты с пятью дорожками: К— кадр, Н — конец кадра, В — технологи- техно