RU2418651C2

RU2418651C2 - Device to produce piston casting

Info

Publication number: RU2418651C2
Application number: RU2009103682/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Малышев (RU); Владимир Иванович Малышев
Original assignee: Владимир Иванович Малышев
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2011-05-20
Also published as: RU2009103682A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy. Metal mould made up of two mould halves is heated to 70-90°C, metal rod heated to 150-180°C and mould halves are closed. Rarefaction is developed inside mould. Fused metal is extruded from furnace via metal duct at low pressure and into mould cavity. After cast crystallisation, mould is opened and cast is withdrawn. Metal rod is made up o lateral and central parts jointed by magnet together.

EFFECT: no pockholes or pores, fine-grained structure.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области литейного производства, в частности, машиностроения двигателей внутреннего сгорания (ДВС). ОАО Барнаултрансмаш с время Великой Отечественной войны и в настоящем в основном производит транспортные и судовые ДВС оборонного значения. Поршни - поршень диаметр 150 мм, изготовляют из алюминиевого круглого проката кузнечной ковкой, получается грубая заготовка, большой расход металла на механическую обработку и большой вес поршня, поступающего на сборку двигателя при освоении полученного литьем поршня.The invention relates to the field of foundry, in particular, mechanical engineering of internal combustion engines (ICE). Since the time of World War II, Barnaultransmash OJSC has mainly been producing transport and ship ICEs of defense significance. Pistons - a piston with a diameter of 150 mm, are made of aluminum round steel by forging, a rough billet is obtained, a large consumption of metal for machining and a large weight of the piston entering the engine assembly during the development of the piston obtained by casting.

Перегретый расплав приносят за несколько метров в ковше от печи к машине литьем под давлением, заливают в форму из носка ручейком, при этом металл поглощает воздух, образующий поры.The superheated melt is brought a few meters in the ladle from the furnace to the machine by injection molding, is poured into the mold from the sock by a stream, while the metal absorbs the air that forms the pores.

Процесс формирования отливки происходит в три этапа: а) сплав с большой скоростью (до 50 м/с) за короткое время (0,01-0,6 с) заполняет полость пресс-формы, интенсивно перемешиваясь с воздухом и парами смазки, находящимися в полости формы, образуя металловоздушную смесь; б) поверхностный слой отливки получается очень плотным; в) кристаллизация отливки происходит с большой скоростью, что приводит к недостаточному питанию отливки жидким расплавом, но дефектов усадочного происхождения в отливках не наблюдается, так как газы в порах находятся под большим давлением и, расширяясь, способствуют полному заполнения полости пресс-формы металлом, однако механические свойства металла плохие. Вакуумирование формы в процессе литья затруднено, при этом происходит недостаточное питание отливки, появляются усадочные раковины. Присутствие в отливках диспергированных пор недопустимо в поршнях ДВС, особенно повышенной мощности.The process of casting formation takes place in three stages: a) an alloy with a high speed (up to 50 m / s) in a short time (0.01-0.6 s) fills the cavity of the mold, intensively mixing with air and lubricant vapors located in cavity form, forming a metal-air mixture; b) the surface layer of the casting is very dense; c) crystallization of the casting occurs at a high speed, which leads to insufficient supply of the casting with liquid melt, but no shrinkage defects are observed in the castings, since the gases in the pores are under high pressure and, expanding, contribute to the complete filling of the mold cavity with metal, however the mechanical properties of the metal are poor. Evacuation of the mold during the casting process is difficult, while there is insufficient nutrition of the casting, shrinkage shells appear. The presence of dispersed pores in castings is unacceptable in ICE pistons, especially of high power.

Изготовление отливок поршней в разовых формах. Схема технологического процесса получения литой заготовки в разовой песчано-глинистой форме состоит из большого числа операций: приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление форм и стержней, заполнение металлом, разрушение формы, очистка отливки, выбивка стержней охлаждение, отрезка прибыли (литника), грубая механическая обработка резанием, отжиг и т.д.Production of piston castings in single forms. The process flow diagram for producing a cast billet in a single sandy-clay form consists of a large number of operations: preparing molding and core mixtures, making molds and cores, filling with metal, breaking the mold, cleaning the casting, knocking out the rods cooling, profit segment (sprue), rough mechanical cutting, annealing, etc.

Недостатками литья в разовые песчано-глинистые формы являются: низкий % годного, пористость, газовые и усадочные раковины, коробления и др. При заполнении литейной формы жидким металлом разлагается влага, находящаяся в формовочной смеси, выгорают связующие вещества из форм и стержней, выделяются газы из красок, которыми часто покрывают поверхности форм и стержней. Газы могут находиться в металле в свободном состоянии или растворяться в нем, образуя окислы, гидриды, нитриды и газообразующие продукты. Газы, растворенные в металле, часто ухудшают его механические свойства и способствуют образованию литейных дефектов - газовых раковин и пор.The disadvantages of casting into single sand-clay molds are: low% suitable, porosity, gas and shrink shells, warping, etc. When filling the mold with liquid metal, the moisture in the molding mixture decomposes, the binders burn out from the molds and cores, gases are released from paints, which often cover the surface of molds and rods. Gases can be in the metal in a free state or dissolve in it, forming oxides, hydrides, nitrides and gas-forming products. Gases dissolved in a metal often worsen its mechanical properties and contribute to the formation of casting defects - gas sinks and pores.

Литье в кокиль осуществляют путем свободной заливки расплавленного металла под действием гравитационных сил в металлические многократно используемые литейные формы - кокили, изготовленные из стали, чугуна, медных и алюминиевых сплавов, с анодированной рабочей поверхностью. В кокилях можно практически получать отливки из всех сплавов. Наибольшее применение имеют алюминиевые и магниевые сплавы.Chill casting is carried out by free pouring molten metal under the influence of gravitational forces into metal reusable casting molds - chill molds made of steel, cast iron, copper and aluminum alloys, with anodized working surface. Casting from all alloys can be practically obtained in chill molds. The most widely used are aluminum and magnesium alloys.

Литье в облицованные кокили - прогрессивный технологический процесс, позволяющий получать крупные и точные отливки по сравнению с литьем в песчано-глинистые разовые и оболочковые формы. Литье в облицованные кокили позволяет значительно уменьшить припуски на обработку, в 10-20 раз сократить расход формовочных материалов, в 1,5-2 раза снизить трудоемкость очистных и обрубочных работ, улучшить санитарные условия и повысить производительность труда.Casting in lined chill molds is a progressive technological process, which allows to obtain large and accurate castings in comparison with casting in sand-clay single and shell molds. Casting in lined chill molds can significantly reduce machining allowances, reduce the consumption of molding materials by 10–20 times, reduce the labor input of treatment and chipping operations by 1.5–2 times, improve sanitary conditions and increase labor productivity.

Процесс формирования отливки в кокиле, обладающем повышенной теплопроводностью, имеют свои особенности. При быстром охлаждении (в 3-5 раз быстрее, чем в песчано-глинистой форме) структура сплава становится мелкозернистой и плотной, а механические свойства возрастают на 10-20%. Усадка сплава затруднена в процессе кристаллизации, что способствует возникновению в отливках внутренних напряжений, которые в большинстве случаев снимаются термической обработкой.The process of forming a casting in a chill mold with high thermal conductivity has its own characteristics. With rapid cooling (3-5 times faster than in the sandy-clay form), the alloy structure becomes fine-grained and dense, and the mechanical properties increase by 10-20%. Shrinkage of the alloy is difficult in the crystallization process, which contributes to the occurrence of internal stresses in the castings, which in most cases are removed by heat treatment.

Для получения отливки поршня за прототип принимается металлическая форма-кокиль (см. Б.А.Кузьмин и др. Технология металлов и конструкционные материалы. М.: Машиностроение 1981, с.173-175 и др.).To obtain piston casting, a metal mold-chill mold is taken as a prototype (see B.A. Kuzmin and others. Technology of metals and construction materials. M: Mechanical Engineering 1981, p. 173-175, etc.).

Металлическая форма кокиль для получения поршня представлена на рис 17,1.а, состоит из нижней плиты 1 и двух полуформ 4 и 5. В полуформах имеется полость и каналы для ее заполнения металлом 2. Полуформы шарнирно соединены между собой и раскрываются по вертикальной плоскости разъема. Для плотного соединения полуформ имеется замковая часть 3 и 6, внутренние полости и отверстия получают при помощи металлических стержней 2 (2 шт.), 4 и 5 (рис.17.1б), вставляемых в кокиль перед заполнением его металлом. Стержни 2 образуют боковые отверстия в отливке. Внутренняя полость образуется сборным стержнем, состоящим из боковых частей 4 и центральной части 5, а наружная поверхность плитой 1 и полуформами 3 и 6. Заполнение кокиля металлом происходит через литниковую систему 7. После кристаллизации сплава отливки удаляют боковые и центральный стержни. Для удаления составного центрального стержня вначале извлекают клиновую часть 5, боковые части 4 поочередно смещают в образовавшийся зазор и поднимают. После извлечения стержней кокиль раскрывают и удаляют из него отливку (рис.17.2).The metal mold of the chill mold for producing the piston is shown in Fig. 17.1.a, consists of the bottom plate 1 and two half molds 4 and 5. The half molds have a cavity and channels for filling it with metal 2. The half molds are pivotally interconnected and open along the vertical plane of the connector . For tight connection of the half-molds, there is a locking part 3 and 6, internal cavities and holes are obtained using metal rods 2 (2 pcs.), 4 and 5 (Fig. 17.1b), inserted into the chill mold before filling it with metal. The rods 2 form the side holes in the casting. The inner cavity is formed by a precast rod, consisting of side parts 4 and the central part 5, and the outer surface by plate 1 and half-forms 3 and 6. The mold is filled with metal through the gate system 7. After crystallization of the alloy, the side and central rods are removed. To remove the composite central rod, the wedge part 5 is first removed, the side parts 4 are alternately shifted to the resulting gap and lifted. After removing the rods, the chill mold is opened and the casting is removed from it (Fig. 17.2).

Недостатками литья в кокиль для получения отливки поршня являются:The disadvantages of chill casting for piston casting are:

1. Кокиль под заливку расплавом металла готовят сборкой всех его элементов, приводят в рабочее положение, после смыкания полуформ вставляют в сборе стержни, форму заливают металлом, после кристаллизации отливки форму разбирают, полученную заготовку извлекают, все операции цикла делают вручную.1. A chill mold for pouring with a molten metal is prepared by assembling all its elements, put into working position, after closing the half-molds, the rods are assembled assembled, the mold is filled with metal, after crystallization of the casting, the mold is disassembled, the resulting workpiece is removed, all cycle operations are done manually.

2. Расплавленный металл от печи разносят поочередно, заливают в форму из носка ковша, открытый расплав поглощает в себя воздух, образующий в отливках газовые поры.2. The molten metal from the furnace is distributed one at a time, poured into the mold from the toe of the bucket, the open melt absorbs air into itself, forming gas pores in the castings.

3. Уплотнение залитого металла средствами прибыли из литника, масса которых намного больше отливки (при этом большой расход металла), не устраняет объемную усадку, вызывает появление пороков отливки в виде раковин и пор.3. Compaction of the poured metal by means of profit from the sprue, the mass of which is much larger than the casting (at the same time, a large consumption of metal) does not eliminate volume shrinkage and causes casting defects in the form of shells and pores.

Металлические формы практически газонепроницаемые, газы удаляются через мелкие отверстия, а также через литник и прибыль, что неизбежно в отливке создает дефекты в виде диспергированных пор.Metal forms are practically gas tight, gases are removed through small holes, as well as through the gate and profit, which inevitably creates defects in the form of dispersed pores in the casting.

Высокая скорость охлаждения приводит к ускорению кристаллизации отливки, что создает недостаточное заполнение формы металлом, возникают усадочные, термические и фазовые напряжения, образующие горячие и холодные трещины.A high cooling rate leads to an acceleration of crystallization of the casting, which creates insufficient filling of the mold with metal, and shrinkage, thermal and phase stresses arise, forming hot and cold cracks.

На фиг.1 показана схема устройства получения отливки поршня в металлической форме - кокиль литьем под низким давлением сжатого воздуха в плавильной печи, состоит из нижней плиты 1, в ней имеется литниковый канал.Figure 1 shows a diagram of a device for producing piston castings in metal form — a chill mold by low-pressure compression of compressed air in a melting furnace, consists of a bottom plate 1, it has a sprue channel.

На фиг.2 - литник 1, отливка 2 и две полуформы 3 и 4, в полуформах имеется полость для заполнения ее металлом 2. Полуформы кинематически связаны с механизмом закрытия и раскрытия формы, включая пневмопривод замены полученной отливки сборным стержнем, состоящим из боковых частей 5 (2 шт.) и центральной части 6, в нем встроены магниты соединения боковых частей 5, имеется обратно поступающий в вертикальной плоскости с поворотом на 180° держатель 10 стержня 6. Кронштейн 11 служит ограничителем отпускания стержня вниз. Отверстия в отливке 2 выполняются двумя стержнями 9, которые являются штоками двухсторонних поршней в цилиндрах пневмокамер 12, служат пневмоприводом полуформ 3 и 4.In Fig.2 - the gate 1, casting 2 and two half-molds 3 and 4, in the half-molds there is a cavity for filling it with metal 2. The half-molds are kinematically connected with the mechanism for closing and opening the mold, including the pneumatic drive for replacing the obtained casting with an assembly rod consisting of side parts 5 (2 pcs.) And the central part 6, magnets for connecting the side parts 5 are integrated in it, there is a holder 10 of the rod 6 coming back in a vertical plane with rotation by 180 °. The bracket 11 serves as a limiter for releasing the rod down. The holes in the casting 2 are made by two rods 9, which are the rods of two-sided pistons in the cylinders of the pneumatic chambers 12, serve as pneumatic actuators of the half-molds 3 and 4.

Перед литьем стержень 6 вставляется нагретым до температуры 150 180°С, полуформы и плита прогреваются горячей водой до температуры 70-90°С под давлением 0,8-1,5 кгс/см² 1,5-2,0 мин. По окончании литья горячая вода заменяется холодной, происходит постепенное охлаждение формы и кристаллизация отливки. Полуформы и плита 1 нагреваются и охлаждаются водой по каналам 7. К пневмокамерам 12 подведены воздухопроводы: 13 - открытия и 14 - закрытия формы под действием усилия сжатого воздуха. Заполнение формы расплавом металла отливки происходит из плавильной печи 15 литья под низким давлением по трубопроводу 16. Литник отливки 2 снабжен электронагревателем 17. Отсос противодавления в форме осуществляется по отверстию 18. Во избежание литейных дефектов в отливке имеется поршень, подготовленный соответствующим образом расплавленный металл заливают в прогретую металлическую форму под давлением на расплав в печи.Before casting, the rod 6 is inserted heated to a temperature of 150-180 ° C, the molds and the plate are heated with hot water to a temperature of 70-90 ° C under a pressure of 0.8-1.5 kgf / cm ² 1.5-2.0 min. At the end of casting, hot water is replaced by cold water, a gradual cooling of the mold and crystallization of the casting takes place. The half-molds and the plate 1 are heated and cooled by water through the channels 7. Air ducts are connected to the pneumatic chambers 12: 13 — openings and 14 — close the molds under the action of compressed air. The mold is filled with molten metal from the casting from a low-pressure casting furnace 15 through a pipe 16. The casting gate 2 is equipped with an electric heater 17. A backpressure in the mold is carried out through the hole 18. To prevent casting defects, there is a piston in the casting, the molten metal prepared accordingly is poured into heated metal mold under pressure on the melt in the furnace.

Получение поршня в металлической форме-кокиль осуществляется следующим образом. Устройство (установка) для литья поршня под низким давлением имеет полностью автоматизированный рабочий цикл с программным управлением, автоматизированы регулировка усилий смыкания и размыкания полуформ, работа пневмопривода подъема стержня с отливкой, поворот на ~180° для замены в держателе 10 отливки на стержень, возврат стержня, его спускание, смыкание полуформ, изменение скорости заливки, время выдержки давления залитого в форму металла, блокировка узлов при появлении неисправностей в установке не показано. Obtaining a piston in a metal mold-chill mold is as follows. The device (installation) for piston molding under low pressure has a fully automated work cycle with program control, automated control of the closing and opening forces of the half-molds, the operation of the pneumatic actuator for lifting the rod with casting, rotation of ~ 180 ° to replace the casting in holder 10 with the rod, returning the rod , its descent, closing of half-molds, change of pouring speed, time of soaking pressure of the metal poured into the mold, blocking of nodes in the event of malfunctions in the installation is not shown.

Из плавильной печи 15, которая нагревается электронагревателями, под давлением сжатого воздуха 0,1-0,8 кгс/см² расплав выжимается и втягивается разрежением в жесткую прогретую полость формы 2, где в пространстве между полуформами и сборным стержнем 6 кристаллизуется при охлаждении водой. Давление воздуха или инертного газа должно быть невысоким по той причине, что площадь зеркала расплава в печи во много раз больше площади металлопровода 16, незначительное перемещение расплава в печи вызывает высокий подъем жидкого металла внутри металлопровода и в литейной форме кристаллизация отливки происходит последовательно от холодной стенки к центру, поэтому отсутствуют раковины, пористость, усадочные напряжения. От начала до конца кристаллизации в печи поддерживается давление, отливки получаются плотными и мелкозернистыми. После кристаллизации отливки давления газа в печи 15 снимается, затем давление снимается в камерах 14. При этом подается воздух в камеры 13, полуформы 3 и 4 раздвигаются по горизонтальной плоскости в разные стороны. Пневмопривод поднимает стержень с отливкой на высоту формы, поворачивается на 180°, происходит замена отливки стержнем, который возвращается в исходное положение, форма закрывается, цикл повторяется вновь. На столе разборки и сборки из отливки поршней с легким усилием вынимают стержни 6, затем боковые стержни 3 и 4 (вкладыши) с помощью магнитов в стержнях, их собирают и направляют для следующего литья.From the melting furnace 15, which is heated by electric heaters, under a compressed air pressure of 0.1-0.8 kgf / cm ^{2, the} melt is squeezed and drawn by rarefaction into a rigid heated cavity of form 2, where it crystallizes in the space between the half-molds and the collecting rod 6 when cooled by water. The pressure of air or inert gas should be low for the reason that the area of the melt mirror in the furnace is many times larger than the area of the metal wire 16, an insignificant movement of the melt in the furnace causes a high rise of liquid metal inside the metal wire and, in the mold, the casting crystallizes sequentially from the cold wall to the center, therefore there are no shells, porosity, and shrinkage stresses. From the beginning to the end of crystallization in the furnace, pressure is maintained, the castings are dense and fine-grained. After crystallization of the casting gas pressure in the furnace 15 is removed, then the pressure is removed in the chambers 14. In this case, air is supplied to the chambers 13, the half-molds 3 and 4 are moved apart in a horizontal plane in different directions. The pneumatic actuator lifts the rod with the casting to the height of the mold, rotates 180 °, the casting is replaced with a rod that returns to its original position, the mold closes, the cycle repeats again. On the disassembly and assembly table, rods 6 are removed from the piston casting with a slight effort, then the side rods 3 and 4 (inserts) with the help of magnets in the rods, they are assembled and sent for the next casting.

Процесс формирования отливки в механизированной форме, нагреваемой и охлаждаемой водой, имеет свои особенности. При нагретой форме создаются лучшие условия повсеместного заполнения полости формы металлом. При охлаждении формы водой кристаллизация отливки происходит последовательно от холодной стенки к центру, структура сплава становится мелкозернистой и плотной. Сокращается время получения отливки.The process of forming a casting in a mechanized form, heated and cooled by water, has its own characteristics. When the mold is heated, the best conditions are created for the universal filling of the mold cavity with metal. When the mold is cooled with water, the crystallization of the casting occurs successively from the cold wall to the center, the alloy structure becomes fine-grained and dense. The casting time is reduced.

Литье вакуумным всасыванием - внутри формы вакуум-насосом создают разрежение, и расплавленный металл втягивается внутрь формы, где кристаллизуется. Поэтому в отливке отсутствуют раковины, пористость и хорошо удаляются газы.Vacuum absorption casting - vacuum is created inside the mold with a vacuum pump, and the molten metal is drawn into the mold where it crystallizes. Therefore, there are no shells, porosity in the casting, and gases are well removed.

Усадка сплавов в процессе их кристаллизации вызывает сокращение объемов и линейных размеров отливок, уменьшает появление пороков в виде раковин и пор, склонность к возникновению напряжений и образованию трещин.Shrinkage of alloys during their crystallization causes a reduction in the volume and linear dimensions of castings, reduces the appearance of defects in the form of shells and pores, the tendency to stress and cracking.

Литьем под низким давлением в печи на расплав создается прибыль на усадку в интервале кристаллизации отливки, этим самым достигается устранение дефектов усадочного характера.By casting under low pressure in the furnace, the melt creates a profit on shrinkage in the crystallization interval of the casting, thereby eliminating shrinkage defects.

Отливка поршня, например, диаметром 150 мм из алюминиевого сплава АЛ 27, t плавления 638°С плотность 2,7 г/см³, величина усадки ~1,8. В ней стержни, образующие полость и отверстия, изготовляют из марганцовистой стали (10-14% Mn), соответственно усадка 2,5-3,8%, что устраняет возникновение напряжений и образование трещин в отливках.Piston casting, for example, with a diameter of 150 mm from aluminum alloy AL 27, melting point 638 ° C, density 2.7 g / cm ³ , shrinkage value ~ 1.8. In it, the rods forming the cavity and holes are made of manganese steel (10-14% Mn), respectively, shrinkage of 2.5-3.8%, which eliminates the occurrence of stresses and the formation of cracks in the castings.

Таким образом, по сравнительным данным известных способов литья и характера производства затраты на получение отливки поршня в механизированной форме литьем под низким давлением с вакуумированием в 3-5 раз меньше при 100% качестве механических свойств отливки, не расходуется металл на литниковую систему, экономится излишний металл, учитываемый на прочность и затрачиваемый на механическую обработку.Thus, according to the comparative data of the known casting methods and the nature of production, the cost of obtaining a piston casting in a mechanized form by low-pressure casting with evacuation is 3-5 times lower with 100% quality of the casting’s mechanical properties, metal is not spent on the gating system, and excess metal is saved taken into account for strength and expended on machining.

Литьем в механизируемую форму создается техническое оснащение производства, повышается производительность и качество литья.Casting in a mechanized form creates the technical equipment of production, increases productivity and quality of casting.

Устройство для получения отливки поршня может найти широкое использование в производстве поршневых двигателей (ДВС), а также компрессоров и насосов в машиностроении.A device for producing piston castings can be widely used in the production of piston engines (ICE), as well as compressors and pumps in mechanical engineering.

Claims

1. A device for producing a piston casting from aluminum alloys containing a lower plate, a metal mold consisting of two half-molds with a cavity and a vertical plane of the connector, a mechanism for closing and opening molds, a rod for receiving a cavity in the casting and rods for receiving holes in the casting, a furnace for casting a melt under low pressure, on which the half-molds are mounted, and a metal wire for pouring the melt from the furnace, characterized in that the rod for receiving a cavity in the casting is made of prefabricated from the side and central parts minutes connected magnets and closing mechanism and forms disclosure comprises pneumatic lifting prefabricated rod and rotating it 180 ° and actuators mold halves with cylinders having two-sided pistons and rods, which rods serve to produce holes in the casting.

2. The device according to claim 1, characterized in that the channels for the passage of hot and cold water are made in the half-molds and in the base plate of the mold.

3. A method of producing a piston casting from aluminum alloys, comprising installing a metal rod in a metal mold consisting of two half-molds, characterized in that the metal rod is heated to a temperature of 150-180 ° C before being inserted into the mold, the half-molds are heated to a temperature of 70-90 ° C and close, create a vacuum inside the mold, molten metal from the furnace at low pressure through the metal wire is squeezed into the mold cavity, and after crystallization of the casting, the mold is opened and the cast is removed.

4. The method according to claim 3, characterized in that the casting is made of an aluminum alloy having a shrink of ~ 1.8%, and the rods forming the cavity and holes of the casting are made of manganese steel containing 10-14% Mn and having a shrink of 2 , 5-3.8%.