Turnarea pieselor metalice

TURNAREA PIESELOR METALICE

1. Aspecte generale

Tehnica moderna pune la dispozitia industriei o gama larga si variata de procedee prin care se pot realiza astazi piesele si subansamblele care intra in compunerea masinilor si instalatiilor.

Productia de piese turnate ocupa in cadrul industriei constructoare de masini un loc important, aproximativ 15 - 20 % din productia de fonta bruta (de prima fuziune), se transforma in piese turnate.

Prin turnare se obtin astazi piese cu o configuratie complicata avand greutatea pornind de la cateva grame si pana la cateva sute de tone. In practica pot fi intalnite uneori situatii cand turnarea este singurul procedeu prin care se poate realiza o anumita categorie de piese, iar daca comparativ cu alte procedee avem in vedere si economia de material, se poate spune ca procesul de turnare a pieselor este si unul din cele mai economice.

Prin piesa turnata se intelege obiectul mecanic obtinut prin turnarea metalului lichid intr-o forma (cavitate) inchisa sau deschisa care cuprinde in corpul ei o serie de spatii goale reprezentand configuratia exterioara si interioara a piesei turnate. Distanta intre peretii spatiilor goale reprezinta grosimea peretilor piesei turnate.

Forma de turnare este ansamblul nemetalic sau metalic care cuprinde unul sau mai multe spatii goale, care prin umplere cu metal lichid si solidificare va da una, sau mai multe piese turnate. Peretii exteriori si cavitati reprezinta configuratia exterioara a piesei, iar miezurile reprezinta configuratia interioara. Miezurile se aseaza in forme cu ajutorul unor prelungiri cunoscute sub denumirea de marci. Formele sunt prevazute cu retele de turnare.

Reteaua de turnare este alcatuita dintr-un ansamblu de elemente pentru introducerea metalului lichid in forma, umplerea formei, evacuarea gazelor si asigurarea solidificarii fara defecte de turnare.

1.1. Clasificarea metodelor si procedeelor de turnare

Alegerea metodei de turnare este conditionata de natura productiei, de dimensiunile si greutatea pieselor.

Prin natura productiei se intelege numarul de piese care urmeaza a fi turnate. In mod conventional se pot deosebi urmatoarele categorii de productii: individuala (de unicate, sub 100 bucati), serie mica (100500 bucati), serie mijlocie (5005 000 bucati), serie mare (5 000 20 000 bucati) si productie in masa (peste 20 000 bucati).

Din puncte de vedere al dimensiunilor si greutati, se pot deosebi in mod conventional urmatoarele categorii de piese: mici (sub 100 kg.), mijlocii (100500 kg.),  mari (5005 000 kg.) si foarte mari (peste 5 000 kg.).

In prezent productia cea mai mare de piese turnate se obtine prin turnarea in forme temporare si anume in forme crude (neuscate) executate din amestec de formare cu ajutorul modelelor nepermanente.

2. Turnarea in forme nepermanente

2.1. Procesul tehnologic de obtinere a pieselor turnate in forme temporare

Metode de turnare in forme temporare cuprinde o serie de operatii care in ansamblu constituie procesul tehnologic respectiv.

In figura 1 se prezinta obtinerea pieselor turnate.

Fig. 1. Obtinerea unei piese turnate

2.2. Materiale de formare

Formele temporare se compun dintr-un material de baza granular (nisip), cu refractaritate ridicata, caruia i se adauga diferiti lianti si materiale de adaos. Produsul obtinut prin dozarea si omogenizarea acestor materiale in proportii dorite se numeste amestec de formare.

Constituentii principali ai nisipului folosit in turnatorie sunt silica (SiO ) si argila. In cazuri speciale, la piese mari din otel, se recomanda utilizarea unor amestecuri pe baza de zirconiu.

In vederea obtinerii miezurilor se foloseste, in principiul, acelasi amestec de formare, cu exceptia celui care contine lianti organici (ulei de in, etc.).

Amestecul de formare pentru a putea fi folosit in turnatorie trebuie sa indeplineasca anumite conditii functie de natura pieselor care se toarna.

Proprietatile mai importante ale amestecurilor de formare sunt:

- permeabilitatea: exprima capacitatea amestecurilor de formare de a permite trecerea gazelor prin spatiile intergranulare;

- rezistenta mecanica la solicitari de compresiune, forfecare, tractiune, incovoiere, etc. ca urmare a actiunii aliajului lichid;

- plasticitatea: exprima proprietatea amestecului de formare de a se deforma sub actiunea unei forte exterioare fara a se produce crapaturi si de a-si pastra forma dupa incetarea eforturilor;

- durabilitate: exprima proprietatea amestecului de a-si pastra caracteristicile fizice la folosiri repetate.

- refracteriatea: exprima proprietatea amestecului de a rezista la temperatura de turnare a aliajului fara a se vitrifica si fara a intra in reactie cu aliajul sau oxizii acestuia.

Aceste proprietati depind de umiditatea continutului de liant (argila sau betonita) granulatie si gradul de indesare al amestecului de formare.

2.3. Executia formelor

Cea mai simpla si cea mai veche metoda de formare este formarea manuala care aplica si astazi in cazul pieselor mari sau a unor piese foarte simple.

2.3.1. Formarea mecanizata

Pentru productia de serie se adopta procedeul de formare mecanizata, semiautomata sau automata. In aceste conditii se utilizeaza masini de formare, care produc indeasa prin scuturare sau prin scuturare si presare.

Masinile de indesat prin scuturare (vibrare) (fig. 2) realizeaza inde­­sarea ca urmare a ridicarii mesei cu placa model la 30 - 80 mm si a caderii acesteia la loc. Numarul caderilor este destul de mare si depinde de tipul masinii.

Fig. 2. Masina de format prin scuturare: a) principiul de functionare;   1 - placa de model; 2 - modelul; 3 - rama de formare; 4 - rama de umplere; 5 - piston; 6 - sistem de supare cu sertar; 7 - tija; b) vairatia gradului de indsare a amestecului pe inaltimea ramei

Prima masina realizeaza o forma mai putin densa si uniforma fata de a doua.

Masinile cu indesarea prin scuturare-presare (fig. 3) se utilizeaza cand se produc piese mari si de serie.

Fig. 3. Principiul masinii de format prin scuturare si presare: a) principiul de functionare; b) gradul de indesare a amestecului pe inaltimea formei; 1 - pistonul de scuturare: 2, 3 - cilindrii; 4 - supapa; 5 - placa de model; 6 - model; 7 - rama de umplere; 8 - sabot.

Eseu: CAIET DE SARCINI pentru executia infrastructurii din beton armat Referat: Manual de reabilitare termica a cladirilor prin imbunatatirea protectiei termice a peretilor exteriori

Cu ajutorul aerului comprimat se realizeaza ridicarea si coborarea pistonului 1 (scuturarea) mesei, ramei si placii de model. Supapa 4 este comandata de tija legata de masa masinii. Cilindrul 2 in care lucreaza pistonul de scuturarea este in acelasi timp si pistonul de presare. Functionarea se face in doua etape succesive. Dupa ce s-a terminat scuturarea se actioneaza asupra pistonului de presare care ridica masa cu rama si placa de model presand-o in sabotul 8.

Formarea in amestec de formare prezinta multe avantaje, dintre care se amintesc: flexibilitatea mare, simpla si economica putand fi utilizata la producerea unei game largi de piese de la cateva grame la zeci de tone. Pe de alta parte formarea in amestec de formare prezinta unele dezavantaje: nu poate fi folosita pentru obtinerea unor piese cu pereti foarte subtiri: precizia dimensionala si aspectul suprafetelor fiind mai putin corespunzatoare.

2.3.2. Forme executate din amestecuri de ciment

In vederea cresterii calitatii pieselor turnate in forme de amestec de formare s-au adus o serie de imbunatatiri procedeului si anume:

Formele executate din amestecuri de ciment contin aproximativ 10% ciment amestecat cu nisip si 5 % apa. Acest amestec este utilizat pentru obtinerea suprafetei in contact cu modelul sau placa de metal. In rest forma se executa din amestec de formare obisnuit.

Dupa formare formele  sunt lasate 12 zile pentru intarire. Suprafeta formei obtinute este foarte rezistenta.

2.3.3. Forme executate din amestecuri de formare cu liant, silicat de sodiu, intarite cu CO

La aceste forme dupa indesare se insufla timp de cca. 30 secunde CO₂ in interiorul formei.

Sub actiunea CO silicatul de sodiu reactioneaza conform reactiei:

Na O·nSiO + CO + m·H O = nSiO ·pH O + Na CO (m - p)H₂O

sticla solubila silicagel carbonat de soidiu

In figura 4 se prezinta modul de insuflare a CO in forma.

Fig. 4. Insuflarea bioxidului de carbon la o semiforma: 1 - tub; 2 - canale executate in placa model si model

2.3.4. Forme executate din amestecuri autointaritoare

Cand un liant reactiv impreuna cu un catalizator se amesteca cu nisipul inainte de operatia de formare se obtin forme din amestecuri autointaritoare. Intarirea amestecului de formare are loc intr-un timp limita. Ca urmare au aparut amestecuri continue care alimenteaza direct masinile de formare.

In functie de combinatia dintre liant si catalizator au aparut mai multe variante:

1. Forme pe baza de amestecuri lichide cu silicat de sodiu si silicat   bicalcic;

2. Forme pe baza de amestecuri fluide cu rasini furanice in care are loc polimerizarea furanului cu un catalizator pe baza de acid fosforic;

3. Forme pe baza de amestecuri fluide cu silicat de etil ca liant (procedeul Shaw), cand nisip de zirconiu, samota macinata sau praf de cuart se amesteca cu silicat de etil ca liant.

2.3.4. Forme coji cu rasini termoreactive

Formele coji cu liant termoreactiv se executa numai pe cale mecanizata si numai cu placi de model metalic. Procesul tehnologic de obtinere a formelor coji consta in urmatoarele (fig. 5):

- introducerea nisipului peliculizat in cutia de meiz preincalzita la 250300 C;

- mentinerea timp de un minut pe placa de model sau cutia de miez cald pentru polimerizare;

- extragerea formelor si a miezurilor de pe placa de model, respectiv cutia de miez;

- incalzirea miezului intr-un cuptor separat pentru terminarea polimerizarii;

- asamblarea si consolidarea formelor si a miezurilor pentru terminarea polimerizarii.

Fig. 5. Fazele procesului tehnologic de obtinere a formelor coji.

Grosimea unei forme coji poate fi intre 315 mm. Prezinta dezavantajul ca nu au rezistenta mare, ceea ce limiteaza greutatea pieselor turnate la maximul 50 kg.

Se utilizeaza pentru turnarea de piese de otel, fonta si metale neferoase usoare. Piesele turnate au mare precizie dimensionala si suprafata fina.

In functie de liantul utilizat se pot executa forme coji cu lianti organici, cu argila sau betonita, cu sticla solubila si intarire chimica cu CO

2.3.5. Forme coji cu modele usor fuzibile

Spre deosebire de formele cu liant termoreactiv, care au suprafata de separatie, formele coji cu modele usor fuzibile sunt fara plan de separatie.

Procesul tehnologic de obtinere a pieselor in forme coji cu modele usor fuzibile cuprinde urmatoarele faze (fig. 6.):

Fig. 6. Procesul tehnologic de obtinere a pieselor in forme coji

- confectionarea modelului fuzibil dintr-un amestec de 50 % parafina + 50 % stearina, mase plastice sau aliaje usor fuzibile.

- realizarea formei coaja propriu-zisa prin scufundarea ciorchinelui bine degresat cu apa si sapun, intr-un ameste de praf de cuart si silicat de  etil hidrolizat sau silicat sodiu in raportul 1 : 1 in continuare se presara ciorchinele cu nisip curtos, care adera la stratul de silicat de etil si praf de cuart si se introduce pentru intarire in solutie de clorura de amoniu 25 %.

Stratul de material refractare are o grosime de 12 mm. Dupa o repetarea de 36 ori se obtine forma coaja;

- indepartarea modelului fuzibil din forma coaja prin scufundarea acestuia in apa calda sau prin incalzire cu aer cald. Materialul care rezulta se colecteaza si se refoloseste;

- uscarea formelor coji cu scopul cresterii rezistentei mecanice;

- impachetarea formelor coji in cutii de otel in care se indroduc nisip pana la umplerea cutiei;

- calcinarea formelor coji la 1 0001050 C;

- turnarea aliajului lichid in forma calda la cel putin 700 C;

- dezbaterea formelor si curatirea pe cale chimica a pieselor.

Ca urmare a unei precizii dimensionale deosebite, se elimina aproape complet prelucrarea. Metoda se utilizeaza in cazul turnarii unor piese mici pentru automobile, masini de cusut, etc. Se utilizeaza cu succes la turnarea aliajelor greu prelucrabile sau neprelucrabile de tipul stelit, aliajelor dure, etc.

2.3.6. Formarea in vid

Este o metoda noua pentru executia formelor temporare. Diferenta dintre formarea clasica in amestec de formare si formarea in vid este aceea ca materialul de formare consta numai din nisip, fara adaos de liant. Fortele de legatura dintre granulele de nisip se asigura prin aceea ca fiecare semiforma este acoperita pe ambele fete cu o foaie de material (0 mm) plastic si ca in fiecare semiforma se creaza o depresiune.

Metoda se aplica in cazul turnarii unor piese de serie mica.

Se obtine piese cu suprafete foarte curate ceea ce usureaza munca de curatire si se prezeaza la o mecanizare si automatizare avansata a procesului tehnologic.

2.3. Turnarea formelor cu modele volatile

Este o metoda de turnare si presupune executia unui model din poliesteren (fig. 7) care se volatilizeaza la 275 - 290 C. Dupa executia formei, modelul nu se mai extrage din forma, ceea ce are avantajul ca piesele obtinute au o precizie dimensionala mare si nu prezinta bavuri.

Fig. Turnarea in forme cu modele volatile. 1 - rama de formare; 2 - model de polistiren

Metoda se aplica cu succes in cazul turnarii unor piese mari si de serie foarte mica (unicate). O varianta a procedeului este cea a turnarii pieselor in forme realizate din alice de fonta stabilizate magnetic.

Aceasta presupune, ca se executa modelul din polistiren, dupa care forma sau modelul acoperit cu alice se trece pe un transportor magnetic, al carui camp magnetic asigura stabilitatea alicelor pana la solidificarea aliajului.

2.4. Extragerea modelului din formele temporare

Dupa modul de scoatere a modelului din formele temporare, masinile cele mai folosite sunt: cu ridicarea ramei, cu extragerea modelului, cu placa rabatabila.

2.4.1. Masini de format cu ridicarea ramei

Principiul de functionare (fig. 8) consta in ridicarea ramei de pe placa de model cu ajutorul unor ghidaje antrenate cu aer comprimat, care trec prin orificii speciale, executate in placa model si care se aseaza in colturile ramei. Pe masa ramane placa de model cu modelul.

Fig. 8. Demularea cu mecanisme cu ghidaje. a - pozitia initiala; b - dupa ridicarea ramei; 1 - ghidaje; 2 - placa de model; 3 - model.

Metoda aceasta se foloseste in cazul modelelor de inaltime mica si simple. In cazul scoaterii modelului prin ridicarea ramei, a pieselor cu contururi complicate, exista posibilitatea ca modelul sa antreneze si o parte a amestecului de formare. Pentru piese mari, unde exista pericolul ca la scoaterea modelului sa se rupa si forma se folosesc pentru scos modelul masini cu pieptene (fig. 9.).

Fig. 9. Demularea cu placa pieptene. a - pozitia initiala; b - dupa ridicarea ramei; 1 - placa pieptene; 2 - placa de model; 3 - mecanism cu tije.

Functionarea masinii este urmatoarea: rama 1 se aseaza pe placa pieptene 2, iar ridicarea semiformei de pe placa model 3 se face cu ajutorul mecanismului cu tija 4.

2.4.2. Masini de format cu extragerea modelului

La aceste masini, extragerea modelului se face prin coborarea placii de model in timp ce rama ramane pe loc (fig. 10). Aceste masini pot fi folosite pentru extragerea modelelor din ramele superioare. Pentru a se extrage modelele din ramele inferioare cu astfel de masini ar trebui rasturnata rama inferioara cu 180 ceea ce este destul de incomod si de aceea nici nu se aplica.

Fig. 10. Principiul masinii de format cu extragerea modelului

2.4.3. Masini de format cu placa rabatabila

Aceste masini se folosesc la scoaterea modelelor din ramele inferioare. Rama inferioara prinsa solidar de placa de model are posibilitatea de a se roti cu 180 . Dupa indesarea amestecului de formare se basculeaza rama cu tot cu placa de model cu 180 si se aseaza pe o masa de primire (2) dupa care rama se desprinde fie lasandu-se in jos, fie ridicand modelul. Masinile se folosescin cazul formelor mari cu parti centrale masive si inalte.

In figura 11 se prezinta principiul de functionare al masinii de scos modele cu masa rabatabila.

Fig. 11. Demularea cu mecanism cu masa rabatabila. 1 - placa de mode; 2 - masa de primire

3. Turnarea in forme permanente

Formele care se pot folosi la mai multe turnari succesive, fara reparatii poarta denumirea de forme permanente. Se folosesc in general la turnarea pieselor in serie mare, care nu au o configuratie complicata.

Formele permanente se pot clasifica dupa natura materialului din care se executa acestea si dupa modul de umplere cu aliaj lichid.

Dupa natura materialului din care sunt confectionate se intalnesc forme executate din fonta cenusie, otel carbon, aluminiu cu siliciu, molibden grafitat.

Dupa modul de umplere cu metal sau aliaj lichid formele permanente pot fi pentru turnarea statica, sub presiune, centrifuga, continua, prin aspiratie.

Din punct de vedere a calitatii pieselor turnate, are importanta deosebita ultima clasificare a formelor permanente. In continuare se vor prezenta pe scurt principalele tehnologii de obtinere a pieselor in forme permanente.

3.1. Turnarea statica

Turnarea statica in forme permanente (turnare in cochila) se utilizeaza in special la turnarea aliajelor de aluminiu si fontelor cenusii. In figura 12 se prezinta turnarea unui piston din aluminu in forma metalica. Formele permanente se preincalzesc inainte de umplere si se vopsesc cu vopsea refrectara de protectie. In timpul lucrului, daca temperatura lor creste, se impune racirea lor cu apa.

Fig. 12. Turnarea unui piston din aluminiu in forma metalica: 1 - forma; 2 - pistonul turnat; 3 - miezuri.