Способ получения крупногабаритных отливок «Поршень»

 Феклин Н. Д.

Поршень двигателя представляет собой деталь (Рис.1; Рис.2 - варианты конструкции поршней), совершающую возвратно-поступательные движения внутри цилиндра, при этом, на него воздействуют экстремальные нагрузки; высокие давление и температура, а также инерционные нагрузки. Поэтому, к поршням предъявляются значительные требования: высокая механическая прочность; хорошая теплопроводность; малая плотность; незначительный коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства; хорошая коррозионная устойчивость.

 Рисунок 1.

 Рисунок 2.

Конструкция отливки «Поршень» отличается от других деталей значительным различием толщин стенок и наличием массивов, затрудняющих возможность получения плотной однородной структуры металла без усадочных раковин. Основные массивы поршня сосредоточены в головке и бобышках под поршневой палец.

В настоящее время, наиболее перспективным и распространенным способом получения высококачественных отливок заготовок поршней является метод литья в кокиль - специальную разборную металлическую форму (Рис.3 – вариант конструкция половинки кокиля) с использованием оптимальной боковой литниковой системы со щелевым питателем (Рис.4; Рис.5; Рис.6 –варианты литниковых систем кокиля), позволяющим производить плавное заполнение формы металлом. Применение данной технологии позволяет, получать отливки «Поршень» со сложной конфигурацией внутренней и наружной геометрии, минимальной массы и стабильного качества (Рис.7; Рис.8 - варианты отливок с литниковой системой).

 Рисунок 3.   

Внутренняя полость поршня имеет поднутрения, значительно усложняющие конструкцию металлического стержня кокиля. Для формирования полости поршня используется разборной металлический стержень (Рис.9), состоящий из нескольких сложных элементов (Рис.10 – эскиз сечения разборного стержня), в собранном состоянии, плотно прилегающих друг к другу и позволяющих производить поэлементную разборку стержня из отливки. Воздействие расплавленного металла на такой металлический стержень со временем приводит к износу и деформации его составных частей. При этом  происходит заливка образовавшихся щелей стержня металлом, заклинивание элементов стержня в отливке, изменение конструкции внутренней полости отливки, разрушение элементов стержня. При очень высокой стоимости стержня, частая его замена приводит к значительному повышению стоимости отливок. При этом время бездефектного использования корпуса кокиля, (как правило, состоящего из двух частей) многократно превышает время эксплуатации стержня.

Риснок 9.

Рисунок 10.

Высокие требования к качеству отливки «Поршень», особенно по наличию газовых раковин и пористости, приводят к не возможности замены металлического стержня на стержни, изготовленные по другим технологиям. Не металлические стержня при контакте с расплавленным металлом выделяют газы, что при быстром остывании металла, при контакте его с металлическим кокилем, приводит к образованию в теле отливки всевозможных газовых дефектов.

Применение стержней, изготовленных по технологии вакуумно-пленочной формовки, предполагающей наименьший объем выделения газов от сгорания облицовочной пленки и их удаление через тело стержня за счет разряжения, при рабочей температуре кокиля равным 200-250оС, практически не возможно. Температура плавления облицовочной пленки не более 120-160оС, поэтому установка стержня в кокиль может привести к мгновенному расплавлению пленки и разрушению стержня еще до заливки формы металлом.

Для замены дорогостоящих металлических стержней, предлагается новая технология их изготовления с использованием сухого песка, вакуума и алюминиевой фольги.    Технология изготовления таких стержней очень похожа с технологией вакуумно-пленочной формовки, отличающейся тем, что вместо облицовочной пленки применяется тонкая алюминиевая фольга. Алюминиевая фольга является прочным материалом, принимающим необходимую форму, даже весьма сложную, ведь она очень тонкая и ее легко деформировать. Ею можно плотно покрыть практически любую поверхность. Она легко складывается, изгибается, сохраняя при этом свою прочность. На поверхности алюминиевой фольги не возникает электростатического напряжения, грязь к ней не притягивается.  Алюминиевая фольга устойчива, как к высоким, так и к низким температурам.

Производство стержней с использованием алюминиевой фольги (Рис.11 – вариант стержня, изготовленного из песка, алюминиевой фольги и вакуума) обладает рядом существенных преимуществ перед всеми видами существующих стержней, особенно при производстве отливок из алюминия, либо его сплавов.

1. Толщина алюминиевой фольги – от 0.005мм, что, даже, при наложении нескольких слоев один на другой, при облицовке модели стержня, не повлияет на конфигурацию отливки.
2. Ширина выпускаемой алюминиевой фольги до 1500мм, позволяющая ее использование для облицовки большого размера моделей.
3. Высокая термостойкость – температура плавления алюминия более 600оС, что позволяет ее использовать при высокой температуре формы (кокиля), либо высокой температуре формовочного материала (песка) без разрушения стержня.
4. Низкая стоимость фольги (примерно 4 доллара 1 кг.), что, с учетом использования более тонкого, чем пленка материала, дешевле любой облицовочной пленки.
5. Такие стержни более устойчивые к случайным механическим воздействиям – более прочные.
6. Полностью исключается выделение каких-либо газов при заливке формы металлом, а также загрязнение отливки остатками пленки и появление газовых раковин от ее термического разложения.
7. При облицовке модели не требуется предварительный нагрев фольги, как для облицовочной пленки.
8. Отходы алюминиевой фольги, после получения отливки, полностью используются в общем технологическом процессе (как шихта).
9. Технология полностью экологически безопасная.

Рисунок 11.

Для улучшения процесса облицовки глубоких моделей алюминиевой фольгой, необходимо использовать объемную промодель, с последующим наложением ее на модель, плотным прижатием фольги и фиксацией к ней с помощью вакуума. При наличии складок фольги, необходимо придавить (прокатать) их к модели. Остальные выполняемые переходы при производстве стержней, осуществляются аналогично существующей технологии вакуумно-пленочной формовки.

Здесь описан вариант производства стержней с использованием алюминиевой фольги, сухого песка и вакуума, хотя данная технология позволяет производить также и литейные формы на большую группу отливок, максимально решая для производителя такие вопросы, как; повышение качества отливок, снижение объемов брака литья, снижение себестоимости получаемых изделий, экологическую безопасность производства и, к тому же, значительное снижение отходов литейного производства.

Существующие затраты на массивные, дорогостоящие кокиля, особенно при производстве крупногабаритных поршней, не сопоставимы с затратами на производство вакуумных форм при их облицовке алюминиевой фольгой, особенно при единичном и мелкосерийном производстве. При этом, конструкция кокиля позволяет выпускать только одну модель поршня, когда вакуумная форма позволяет получать формы, как для различных моделей поршней, так и другую номенклатуру разнообразных отливок.

Литература: 

1. М.А. Садоха, ОАО «БЕЛНИИЛИТ». Литье и металлургия 3(62).2011/61 «Определение технологических параметров производства отливок поршней высоконагруженных дизельных двигателей».