Ключевые слова: литьё по газифицируемым моделям; корпус электродвигателя; дефект; процесс
Исходный процесс и параметры
Исходный процесс
0.04~0.05MPa
Конструкция отливки показана на рис. 1, материал — HT200. Применяется верхняя литниковая система. Размер литниковой чаши показан на рис. 2. Прямой литниковый стояк ø 40×50mm и 8 шлакоуловителей (размер сечения 15×10) расположены по окружности, размер питателя 2×10mm (ширина 2mm, длина 10mm), закрытая литниковая система; покрытие наносится кистью в 3 слоя, толщина 1.3~1.5mm, периодическая сушка (нагрев в котле в течение 8h в дневное время, затем сушка за счёт остаточного тепла), температура заливки около 1500℃, отрицательное давление при заливке 0.04~ 0.05mpa, выдержка под давлением 6min.
Результаты и анализ
Результаты литья корпусов электродвигателей по исходному процессу показаны на рис. 1.
1a 1b 1c
1d 1e 1f
Рис. 1. Отливка корпуса электродвигателя по исходному литейному процессу
Основными дефектами поверхности отливки являются песчаное включение, шлаковое включение и неспай. Основные причины таких дефектов следующие:
Удаление шлака из расплава чугуна выполняется недостаточно тщательно, а удержание шлака неэффективно; шлак расплава чугуна и шлакообразующий агент попадают в полость вместе с расплавом чугуна; эту проблему можно предотвратить многократным удалением шлака, правильным размещением минеральной ваты и укрытием стальными листами.
В зазорах соединения литниковой чаши, внутреннего шлакоуловителя и других элементов либо в местах их сопряжения прочность покрытия недостаточна, поэтому расплав чугуна размывает покрытие, вызывая отслаивание слоя покрытия и вымывание песка; для предотвращения этой проблемы можно увеличить количество слоёв покрытия литниковой системы и повысить прочность покрытия. Одновременно следует уделять внимание повторному увлажнению покрытия. После извлечения из сушильной камеры его следует сразу закопать в опоке и залить в тот же день.
Плотность пенополистироловой модели слишком высока, температура заливки низкая, поэтому пенополистироловая модель не газифицируется полностью; под воздействием расплава чугуна образуется стекловидный шлак, проходящий через песок при его обработке. Необходимо контролировать плотность пенополистироловой модели, повышать температуру и скорость заливки, по возможности устанавливать шлаковые прибыли в зоне подшипников корпуса электродвигателя, чтобы остаточные примеси в охлаждающемся расплаве чугуна и шлаковых прибылях всплывали и оседали.
На поверхности отливки появляются точечные дефекты; это связано с плохой сплошностью пенополистироловой модели, неплотным заполнением модели или неудовлетворительным предварительным вспениванием, что приводит к повышенной шероховатости и точечным дефектам поверхности отливки.
При дробемётной очистке отливок качество поверхности при использовании стальной дроби размером 0.8mm значительно лучше, чем при использовании стальной дроби размером 1.2mm. Поверхность после обработки дробью меньшего размера более гладкая. Одновременно в соответствии с требованиями к качеству поверхности отливки можно выбирать различную скорость дробемётной очистки, то есть использовать электродвигатель с различной скоростью вращения.
Температура заливки 1530~1560℃; при высокой температуре прочность покрытия для серого чугуна может оказаться недостаточной, что приводит к вымыванию песка.
Улучшение и контроль процесса
Модель изделия
ABB
В качестве примера улучшения процесса рассматривается корпус электродвигателя модели 225. Основные размеры изделия следующие: диаметр 343mm, высота 420mm, толщина стенки 5mm, 60 ребер охлаждения, толщина 5mm, зазор между ребрами 40mm. Конструкция изделия показана на рис. 4. Эта деталь экспортируется компании ABB. Требования к качеству поверхности очень высокие, дефекты не допускаются.
Рис. 2. Отливки корпуса электродвигателя, изготовленные по улучшенному процессу
Предварительное вспенивание гранул пенополистирола
Используется сополимерный материал B — 107. Поскольку конструкция с толщиной стенки отливки и тонкими ребрами достаточно плотная, необходимо контролировать изменение пенополистироловой модели и плотность предварительного вспенивания в пределах 24 ~ 25 g/L. В процессе предварительных испытаний основное внимание уделяется давлению в основной паровой магистрали и изменению температуры в цилиндре; плотность измеряется периодически, чтобы обеспечить равномерность плотности и размера гранул и заложить основу для хорошего качества поверхности модели.
0.08MPa
Примечание: давление в основной паровой магистрали поддерживается на уровне 0.08mpa, давление в цилиндре устанавливается на уровне 0.02mpa, время нагрева составляет 18s.
Изготовление пенополистироловой модели
В качестве примера улучшения процесса рассматривается корпус электродвигателя модели 225. Используется ручная форма. Конструкция формы показана на рис. 3, форма имеет 6 загрузочных отверстий. Из-за конструкции формы порядок заполнения различается, в некоторых местах возникает ложное заполнение. На рис. 4 показан дефект ложного заполнения пенополистироловой модели. После многократных испытаний была определена последовательность подачи зарядного пистолета. Кроме того, из-за различий в способах заполнения качество поверхности пенополистироловой модели сильно различалось, что требовало от оператора более высокого уровня квалификации. При изготовлении пенополистироловой модели необходимо контролировать качество её поверхности. На рис. 5 показан игольчатый дефект при плохой сплошности поверхности, а на рис. 6 — дефект неравномерных гранул, вызванный исходным сырьём и неудовлетворительной структурой поверхности.
Причины этого дефекта следующие: (1) водяные включения, вызванные тем, что вода на поверхности формы не была полностью сдута; перед смыканием формы капли воды на поверхности полости следует полностью удалить продувкой; (2) длительное хранение гранул (более двух дней), при котором летучие компоненты гранул испаряются, поэтому гранулы не могут полностью расшириться под воздействием пара; (3) слишком короткое основное время нагрева и низкое давление в полости, из-за чего гранулы не расширяются полностью; (4) низкая плотность после предварительного вспенивания, крупные частицы, поэтому после вспенивания зазор не может быть полностью заполнен, и т. д.; после регулировки получена высококачественная пенополистироловая модель, показанная на рис. 7, с деталями поверхности.
Рис. 3. Конструкция формы Рис. 4. Дефекты заполнения пенополистироловой модели Рис. 5. Плохая сплошность поверхности с игольчатыми дефектами
Рис. 6. Неравномерные гранулы, вызванные исходным сырьём и неудовлетворительной структурой поверхности Рис. 7. Высококачественная пенополистироловая модель, изготовленная после регулировки
Формовка с засыпкой в опоке
После сушки модель с огнеупорным покрытием непрерывно хранят в сушильной камере до формовки с засыпкой в опоке.
Донный слой песка толщиной 150mm разравнивают и подвергают вибрации, затем устанавливают модель с огнеупорным покрытием, добавляют песок до уровня литниковой чаши, накрывают плёнкой и песком и снова подвергают вибрации; литниковую чашу герметизируют, чтобы во время заливки песок не попадал в литниковую систему, как показано на рис. 9.
Рис. 9. Процесс герметичной заливки через литниковую чашу без попадания песка
Заливка
0.05MPa
Температура заливки 1510℃, отрицательное давление 0.05mpa, выдержка под давлением 12min, масса одной отливки 75kg; процесс заливки должен непрерывно и быстро завершаться, время необходимо контролировать в пределах 10s. Разливочный ковш следует подготовить до прокалки. На поверхности разливочного ковша не должно быть таких примесей, как остатки шлака. В области сливного отверстия разливочного ковша не должно быть рыхлого песка, ковш должен быть плотным. После прокалки удалить шлак, накрыть сливное отверстие разливочного ковша минеральной ватой и прижать стальным листом, чтобы предотвратить попадание шлака в полость.
Анализ результатов и улучшение процесса
После дробемётной очистки отливки, как показано на рис. 10, на ребрах радиатора отливки наблюдается сильный пригар, который может осыпаться, но без образования металлического пригара. Как показано на рис. 10, на поверхности средней и нижней частей отливки имеются газошлаковые поры.
Рис. 10. Дефект в виде шлаковых пор на поверхности соответствующей зоны средней и нижней частей отливки
3.1 Анализ и улучшение процесса
Причина пригара — тонкий слой покрытия и недостаточная огнеупорность. Зональная газошлаковая пористость вызвана низкой температурой заливки и низкой температурой расплава чугуна в отливке. Схема улучшения процесса: нанести покрытие на ребра охлаждения три раза и повысить температуру заливки до 1530℃. После очистки на ребрах радиатора отливки по-прежнему имеется пригар, но он стал меньше, чем прежде; в средней и нижней частях отливки по-прежнему наблюдаются дефекты газошлаковой пористости, как показано на рис. 11.
Рис. 11. Пригар на радиаторе и шлаковые поры в средней и нижней частях
Схема улучшения процесса: отрегулировать эксцентрик вибродвигателя по направлению X вибрационной платформы, чтобы коэффициент совпадения достиг 90%; при формовке в опоке донный песок следует разровнять скребком. Во время вибрации модель с огнеупорным покрытием не должна наклоняться; если при достижении положения заливки это происходит, в опоку следует добавить прокладку, чтобы сохранить модель с огнеупорным покрытием как можно более горизонтально. Процесс заливки должен быть сначала стабильным, а затем быстрым; результаты показаны на рис. 12, что позволяет полностью устранить вышеуказанные проблемы.
Заключение
В заключение, при производстве корпусов электродвигателей методом литья по газифицируемым моделям необходимо полностью учитывать возможные дефекты и принимать соответствующие меры. Оптимизируя параметры процесса, повышая качество модели, усиливая контроль процесса и применяя другие меры, можно эффективно снизить образование дефектов и повысить качество и производственную эффективность отливок корпусов электродвигателей.