Temat: FORMOWANIE RĘCZNE Z MODELU DREWNIANEGO W DWÓCH SKRZYNKACH

Ć w i c z e n i e 6 Temat: FORMOWANIE RĘCZNE Z MODELU DREWNIANEGO W DWÓCH SKRZYNKACH 6.1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zaznajomienie studentów z zabiegami i czynnościami formowania ręcznego z modeli nieuproszczonych przy użyciu narzędzi i przyrządów formierskich, a w szczególności z przygotowaniem do formowania, z samym formowaniem oraz ze składaniem i przygotowaniem form do zalania ciekłym metalem. 6.2. Wiadomości uzupełniające Odlewanie jest jedną z najczęściej stosowanych metod technologicznych. Jest to metoda tania i może być stosowana do produkcji zarówno małych, jak i wielkich przedmiotów, przy czym mogą one być o kształtach prostych i skomplikowanych, ponadto nadaje się zarówno do produkcji jednostkowej, jak i masowej [1]. Można przy tym stosować dużą ilość różnych stopów; koszt odlewów jest na ogół niższy od kosztu podobnych przedmiotów otrzymywanych według innych metod. W miarę rozwoju techniki odlewy znajdowały coraz to nowe zastosowania, w niektórych zaś przypadkach zostały zastąpione częściami wytwarzanymi według innych metod, np. tłoczonymi z blach lub prętów, prasowanymi z tworzyw sztucznych, ze spieków itp. Stałe polepszanie własności mechanicznych i fizycznych stopów odlewniczych, udoskonalania starych i wprowadzanie nowych, 121

wydajniejszych metod technologicznych, które umożliwiają otrzymywanie odlewów dokładnych wymiarowo i o gładkiej powierzchni bez przeprowadzania obróbki mechanicznej, zmieniają nie tylko technologiczny, lecz również ekonomiczny charakter współczesnego odlewnictwa. Wybór najwłaściwszej metody technologicznej wytwarzania odlewów jest często trudny, ponieważ takie same odlewy pod względem jakości można otrzymać przez zastosowanie kilku różnych sposobów. W tych przypadkach decyduje analiza ekonomiczna. Odlewnictwo pod względem tworzywa odlewu można podzielić na [2]: - odlewnictwo żeliwa, - odlewnictwo staliwa, - odlewnictwo metali nieżelaznych. Wytwarzanie odlewu, niezależnie od rodzaju tworzywa, składa się z trzech głównych etapów: - wykonania formy odlewniczej i rdzeni; - przygotowania ciekłego metalu i wypełnianie nim formy odlewniczej; - usuwanie odlewu z formy i jej wykończenie. W każdej z wymienionych dziedzin odlewnictwa istnieją dość poważne różnice w sposobach wykonania formy, warunkach doprowadzenia metalu do formy, warunkach topienia itp. Obecnie najczęściej stosowane są następujące sposoby formowania: - w formach piaskowych, - w formach skorupowych, - w formach gipsowych, - w kokilach grawitacyjnie i pod niskim ciśnieniem, - pod ciśnieniem, - odśrodkowe (w formach wirujących), - według metod precyzyjnych. Najważniejszą pozycję w przemyśle zajmuje odlewnictwo żeliwa. Największe znaczenie ma odlewanie do form piaskowych, gdyż odlewy żeliwne i staliwne w znacznej większości, a odlewy z metali nieżelaznych w ok. 50% wykonywane są w formach piaskowych. Dlatego też tematem ćwiczeń z odlewnictwa będzie wytwarzanie odlewów w formach piaskowych. 122

6.2.1. Przebieg procesu formowania Formowaniem nazywamy zespół czynności niezbędnych do wykonania formy odlewniczej [3]. Proces formowania może odbywać się ręcznie przy użyciu narzędzi lub w sposób częściowo względnie całkowicie zmechanizowany za pomocą maszyn formierskich i specjalnych urządzeń. Formowanie ręczne stosowane jest głównie w produkcji jednostkowej i małoseryjnej, formowanie maszynowe - w produkcji masowej i seryjnej, i niekiedy również w produkcji jednostkowej (np. przy użyciu narzucarki). We wszystkich sposobach formowania, wykonanie formy składa się z następujących czynności: - przygotowanie miejsca pracy, narzędzi i materiałów; - napełnienie skrzynek i zagęszczenie masy w skrzynkach; - wykonanie odpowietrzenia; - wyjęcie modelu z formy; - wykończenie wnęki formy; - montaż rdzeni i kontrola jakości oraz wymiarów formy; - złożenie formy i przygotowanie jej do zalewania. Każda z tych czynności składa się z kolei z wielu zabiegów, które w zależności od rodzaju formy, jej przeznaczenia i sposobu formowania mogą różnić się nieco od siebie. W praktyce odlewniczej znane są następujące sposoby formowania ręcznego: - w dwóch skrzynkach, - w kilku skrzynkach, - w gruncie, - w skrzynkach usuwalnych, - z modeli uproszczonych, - w rdzeniach. Do wykonania formy odlewniczej potrzebne są: model i skrzynki rdzeniowe, skrzynki formierskie, masa formierska i rdzeniowa oraz narzędzia i przyrządy formierskie. Modelem odlewniczym nazywamy przyrząd służący do wykonania form, które po wypełnieniu ciekłym metalem odtwarzają kształty odlewu (przeważnie zewnętrzne) [4]. Wewnętrzne kształty odlewu odtwarza się za pomocą rdzeni wykonywanych w rdzennicach. Modele odlewnicze mogą być dzielone w jednej lub kilku płaszczyznach. Przy produkcji jednostkowej dużych i ciężkich odlewów stosuje 123

się modele uproszczone, natomiast przy formowaniu maszynowym modele umieszcza się na specjalnej płycie, zwanej płytą modelową. Modele odlewnicze wykonywane są z drewna, stopów metali, materiałów ceramicznych i tworzyw sztucznych. Skrzynki formierskie są to ramy przeznaczone do wykonywania form odlewniczych. Mogą one być odlewane (z żeliwa, staliwa lub ze stopów lekkich) w całości lub w postaci elementów (boków), które następnie łączy się śrubami lub przez spawanie (staliwne). Ponadto wykonuje się skrzynki z odpowiednich kształtowników walcowanych i łączonych przez spawanie. Podstawową wielkością, według której ustala się wymiary elementów konstrukcyjnych skrzynki jest wymiar znamionowy Z = L + B 2 mm gdzie: L długość skrzynki w świetle, mm, B szerokość skrzynki w świetle, mm. Dla skrzynek okrągłych średni wymiar znamionowy jest równoznaczny ze średnicą skrzynki w świetle w mm. Klasyfikację, charakterystykę oraz główne wymiary skrzynek można znaleźć w odpowiednich normach. Narzędzie służące do napełniania skrzynek i zagęszczania masy formierskiej to: łopaty, sita formierskie, ubijaki ręczne i pneumatyczne oraz zgarniaki. W celu zwiększenia przepuszczalności, formę nakłuwa się nakłuwakami. Do wyjmowania modelu z formy służą gwintowane uchwyty wkręcane do modelu lub specjalne klucze. Naprawianie ewentualnych uszkodzeń, wygładzanie powierzchni wnęki formy, usunięcie zanieczyszczeń, wycięcie niektórych elementów układu wlewowego oraz pokrycie powierzchni wnęki formy pudrem lub czernidłem wykonuje się przy użyciu zmiotek, odkurzaczy, dmuchawek, mieszków, rozpylaczy i narzędzi do wykańczania formy (gładziki, lancety, jaszczurki, łyżeczki). Zestaw podstawowych narzędzi formierza i rdzeniarza przedstawiono na rys. 6.1. Przy montażu rdzeni i kontroli formy używane są: przymiary, sprawdziany wymiarów i kształtów, przyrządy do szlifowania rdzeni oraz urządzenia do kontroli stopnia zagęszczenia masy formierskiej. 124

Rys. 6.1. Podstawowe narzędzia formierza i rdzeniarza 6.2.2. Przerób mas formierskich Materiały, które stosuje się do wykonywania form i rdzeni nazywa się materiałami formierskimi [4]. Są one pochodzenia (głównie) mineralnego. Dzieli się je na: materiały formierskie podstawowe (piaski i gliny formierskie) i materiały formierskie pomocnicze (spoiwa organiczne i nieorganiczne, grafit, pył węglowy, pudry formierskie itp.). Piaskami formierskimi nazywa się niektóre z sypkich i luźnych skał osadowych, składających się z osnowy piaskowej (powyżej 65% masy) i naturalnego lepiszcza mineralnego (poniżej 35% masy). Osnowę piaskową stanowią głównie ziarna kwarcu (SiO 2 ) o wymiarach 0,02 3,3 mm, zanieczyszczane ziarnami skaleni. Minerały występujące w piasku formierskim o wymiarach poniżej 0,02 mm nazywa się lepiszczem. Lepiszczem nazywa się niekiedy glinę wiążącą. Minerały wchodzące w skład lepiszcza dzieli się na dwie grupy: wiążące i niewiążące po nawilżeniu i wysuszeniu. Do grupy pierwszej zalicza się głównie: kaolinit (powstały przy wietrzeniu skał magmowych), illit (różni się od glin kaolinitowych większą zawartością alkaliów oraz większą zawartością Fe 2 O 3, CaO i MgO) i bentonit (zawierający do 80% iłów montmorylonitowych powstały z produktów wietrzenia 125

glinokrzemianów i tufów wulkanicznych). Klasyfikacja piasków formierskich w zależności od wielkości ziarn osnowy piaskowej jest znormalizowana. Materiały naturalne występujące w postaci luźnych skał osadowych i zawierających powyżej 50% lepiszcza nazywa się glinami formierskimi. Do grupy pomocniczych materiałów formierskich zalicza się: spoiwo, materiały umożliwiające otrzymanie czystej i gładkiej powierzchni odlewu, materiały zapobiegające przylepianiu się masy do modelu, materiały zwiększające podatność i przepuszczalność mas, szpilki formierskie i podpórki rdzeniowe. Spoiwa są to materiały o własnościach wiążących, pochodzenia organicznego i nieorganicznego, naturalne lub sztuczne. Stosuje się je głównie jako spoiwa do mas rdzeniowych, rzadziej do mas formierskich. Mieszaninę głównych i pomocniczych materiałów formierskich dobraną w odpowiednim ilościowym stosunku i przerobioną w określony sposób na specjalnych urządzeniach nazywamy masą formierską jeżeli jest przeznaczona do sporządzenia form lub masą rdzeniową jeżeli przeznacza się ją do wykonania rdzeni. Masy formierskie można podzielić zależnie od: 1) przeznaczenia do odlewów staliwnych, żeliwnych, z metali nieżelaznych, 2) rodzaje osnowy masy kwarcowe, szamotowe, magnezytowe, chromitowe itp., 3) zastosowania przy formowaniu przymodelowe, wypełniające, jednolite, 4) składu naturalne, gliniaste, syntetyczne, 5) stopnia zużycia nowe, odświeżane, używane i zużyte, 6) wilgotności formy do odlewania na wilgotno, w stanie podsuszonym, na sucho i w stanie wypalonym. Niektóre masy formierskie stosowane są również do wykonywania rdzeni, są to masy: ze szkłem wodnym, cementowe, skorupowe, szamotowe, gliniaste itp. Pozostałe masy rdzeniowe można zaliczyć do mas syntetycznych, ponieważ składają się z piasku kwarcowego (w większości przypadków płukanego) z dodatkiem różnych spoiw. Świeże piaski formierskie dostarczone do odlewni nie nadają się, w większości przypadków, do bezpośredniego użycia i dlatego przed 126

wprowadzeniem ich do mas muszą być odpowiednio przygotowane. Dotyczy to również mas formierskich, które przy powtórnym użyciu należy poddać różnym zabiegom. Metody przeróbki materiałów formierskich (sporządzania mas) zależą głównie od rodzaju masy i materiałów wyjściowych. Przeróbka materiałów formierskich w odlewni składa się z następujących operacji: suszenie, rozdrabnianie, przesiewanie, oddzielanie magnetyczne, wymieszanie, nawilżanie, spulchnianie i operacja dodatkowa regeneracja. Do sporządzania mas formierskich stosuje się piaski naturalne oraz kwarcowe [5]. Zasadą jest unikanie suszenia piasków zawierających lepiszcze, aby nie obniżyć własności wytrzymałościowych nadawanych przez glinę. Ilość wody zawarta w piaskach naturalnych jest nieznaczna. Dlatego dla odświeżania mas formierskich należy ją uzupełnić. Gdy konieczne jest suszenie, nie wolno dopuścić aby przegrzanie piasków z gliną koalinitową przekroczyło 250⁰C, a bentonitową 200⁰C. Piaski kwarcowe mogą być dowolnie silnie przegrzewane. Piaski i masa formierska używana w poprzednim formowaniu przed wprowadzeniem do mieszarek winny być ochłodzone do temperatury otoczenia, a następnie przesiane przez sito oraz poddane oddzieleniu wtrąceń metalicznych za pomocą elektromagnesów. Każda masa powinna być przygotowana w mieszarce, przy czym czas mieszania w mieszarce pobocznicowej wynosi 60 90 s, a w mieszarkach krążnikowych 8 10 minut. Czas mieszania należy ustalić dla każdej masy w zależności od typu mieszarki. Masy mieszane zbyt krótko wykazują nierówną i niską wytrzymałość. Przedłużenie czasu mieszania powoduje ogrzewanie się masy wywołujące jej osypywanie. Składniki mas wprowadza się w ściśle określonej kolejności do mieszarki. W przypadku sporządzania mas w mieszarce pobocznicowej woda jest zawsze wprowadzana przed składnikami sypkimi, podczas gdy w innych typach mieszarek podawana jest jako jeden z ostatnich składników. Czas mieszania mas syntetycznych wyjściowych lub z piasków kwarcowych półtłustych (8 15% lepiszcza) względnie tłustych (15 25% lepiszcza), sporządzanych wyłącznie w mieszarkach krążnikowych wynosi 10 minut, a w pobocznicowych 90 s. Masy odświeżane, do których wprowadza się świeże materiały w ilościach do 15% miesza się w mieszarkach krążnikowych 3 8 minut, a w pobocznocowych 60 90 s. 127

Masy wypełniające miesza się w mieszarkach krążnikowych 3 5 minut, a w pobocznicowych 30 60 s. Masy rdzeniowe specjalne z dużą zawartością lepiszcza, jak również masy na formy półtrwałe miesza się wyłącznie w mieszarkach krążnikowych w czasie do 30 minut. Masy rdzeniowe z zawartością gliny około 3 5% ze spoiwami higroskopijnymi sporządza się wprowadzając piasek kwarcowy, regenerowany, tłusty oraz ewentualny dodatek gliny, mieszając wprowadzone składniki w czasie 2 minut. Następnie wprowadza się wodę i miesza 3 5 minut, a po wprowadzeniu spoiwa higroskopijnego miesza się jeszcze 3 5 minut. Masy rdzeniowe ze spoiwami olejowymi dodawanymi do piasków kwarcowych miesza się w czasie 3 5 minut. W celu zwiększenia wytrzymałości wprowadza się dodatek mielonej gliny koalinitowej w ilości 2 5%, miesza suche składniki przez 1 2 minut, a następnie wprowadza się spoiwo olejowe i miesza przez 3 8 minut. W celu uzyskania wyższej wytrzymałości w stanie świeżym oraz po wysuszeniu, do tych mas nie dodaje się wody. Masy formierskie poddaje się badaniu w stanie wilgotnym na przepuszczalność, wytrzymałość na ściskanie oraz zawartość wilgoci, w stanie wysuszonym oznacza się też przepuszczalność i wytrzymałość na ściskanie, a przy masach rdzeniowych wytrzymałość na rozciąganie. 6.2.3. Oznaczanie wilgotności Zmiana zawartości wilgoci powoduje poważne zmiany szeregu własności technologicznych mas formierskich [6]. O wyborze wilgotności roboczej decydują warunki technologii wykonania odlewu oraz przebiegi zmian kilku różnych własności w zależności od zawartości wilgoci. Przebiegi te kształtują się odmiennie dla rozmaitych mas. T a b e l a 6.1 Zawartość wilgoci w masach formierskich Zawartość wilgoci, % Rodzaj metalu sposób zalewania na wilgotno sposób zalewania do form suszonych Staliwo 3 6 3 8 Żeliwo 3,5 5,5 4 8 Stopy Cu 3,5 4,5 4 8 Stopy Al. 3,5 5,5 128

W tab. 6.1 przedstawiono zawartość wilgoci w masach formierskich. Przez pojęcie wilgotności rozumie się wodę, która zostaje usunięta z materiału formierskiego w temperaturze 105 110⁰C. Jest to zasadniczo woda adsorpcyjna, kapilarna i swobodna, gdyż usuwanie wody sieciowej następuje w wyższych temperaturach. Zawartość wilgoci w masach formierskich oblicza się dwoma sposobami: 1) przyjmuje się za 100% składniki suche, zaś zawartość wilgoci wyraża się jako naddatek powyżej 100%; 2) przyjmuje się za 100% sumę składników suchych i wody. Sposób pierwszy stosowany jest przede wszystkim przy podawaniu składu mas, gdzie suma składników suchych przeliczona jest na 100%. Sposób drugi stosowany jest powszechnie przy określaniu wilgotności mas w laboratorium. Zasadniczo należy posługiwać się sposobem pierwszym tak przy ustalaniu składu mas, jak i w badaniach laboratoryjnych. Metoda grawimetryczna określania wilgotności polega na odważeniu w starowanym naczyńku 50 g materiału badanego z dokładnością do 0,01 g i wysuszeniu go do stałej masy w suszarce laboratoryjnej w temperaturze 105 110⁰C. Na podstawie danych praktycznych ustalono, że dla ilości wilgoci spotykanej w stosowanych materiałach formierskich wystarczający jest czas suszenia ~1 godziny. W przypadku materiałów o dużej zawartości wilgoci (powyżej 15%) próbkę zważoną po okresie suszenia 1 h, wkłada się ponownie do suszarki i przetrzymuje w niej przez dalsze 15 minut, a następnie ponownie waży. Czynność tę powtarza się aż do ustalenia masy badanego materiału. Naczynia z próbką po wyjęciu z suszarki wkłada się do eksykatora, przetrzymuje w nim aż do ostygnięcia próbki do temperatury otoczenia, a następnie waży z dokładnością do 0,01 g. Zawartość wilgoci (W) oblicza się ze wzoru W = a b 100% gdzie: a a masa wilgotnej próbki, b masa wysuszonej próbki. W celu obliczenia wilgotności (W n ) jako naddatku powyżej 100% (przyjmując za 100% składniki suche) stosuje się następujący wzór W = 100 W 100 W % 129

Jako wynik miarodajny przyjmuje się średnią arytmetyczną z dwóch pomiarów, przy czym różnica między tymi wartościami nie może przekraczać 0,1% wilgoci. W przeciwnym przypadku oznaczenie należy powtórzyć na dwóch nowych próbkach. 6.2.4. Formowanie ręczne Ręczne wykonywanie form małych i średniej wielkości przeprowadza się głównie w skrzynkach formierskich [4]. Najczęściej wykonuje się formy w dwóch skrzynkach, rzadziej w jednej lub w trzech, przy czym można stosować formowanie z obieraniem, luźną częścią formy itp. W tabeli 6.2 (a, b, c, d) przedstawiono różne sposoby wykonywania form (przy użyciu modeli). Niektóre operacje w procesie formowania są prawie jednakowe przy wszystkich sposobach formowania ręcznego. Zalicza się do nich głównie: zagęszczanie (ubijanie) formy, odpowietrzanie formy, obijanie i wyjmowanie modelu z formy, naprawę i wygładzenie formy, wkładanie formy i przygotowanie jej do zalewania. W tabeli 6.3a podano dane dotyczące odległości między modelami i elementami formy, a w tabeli 6.3b normatywy szpilkowania formy, natomiast w tabeli 6.4 najmniejszą grubość warstwy masy przymodelowej oraz w tabeli 6.5 normatywy odpowietrzania form. Poniżej zestawiono kolejność najważniejszych czynności formowania ręcznego z modelu w dwóch skrzynkach przy użyciu masy formierskiej na wilgotno [7]: 1) oczyścić miejsce na płytę podmodelową, 2) ustawić płytę podmodelową, 3) oczyścić dolną część modelu, ustawić na płycie, opylić, 4) ustawić modele układu wlewowego (wlewów doprowadzających), 5) ustawić dolną skrzynkę formierską, 6) nasiać na modele masę przymodelową i obcisnąć ręką, 7) nasypać do skrzynki masę wypełniającą, 8) zagęścić masę ręcznie w trudno dostępnych częściach formy, 9) zagęścić masę ubijakiem, 10) zgarnąć nadmiar masy, 11) wykonać nakłuwakiem otwory odpowietrzające na całej pomierzchni formy, 12) podnieść skrzynkę razem z płytą podmodelową, obrócić o 180⁰ i ustawić na przygotowanym miejscu. 130

T a b e l a 6.2a Różne sposoby wykonywania form (przy użyciu modeli) Formowanie w dwóch skrzynkach z modelu niedzielonego Model położyć na płycie, ustawić skrzynkę i poprószyć model pudrem Model pokryć warstwą masy przymodelowej i nasypać masę wypełniającą Masę zagęścić (ubić) Zgarnąć nadmiar masy i odpowietrzyć formę Odwrócić formę o 180⁰ i wygładzić jej powierzchnię Nałożyć górną skrzynkę formierską i poprószyć pudrem Założyć model wlewu głównego, nasiać masy przymodelowej, nałożyć masę wypełniającą i zagęścić Zdjąć górną część formy 131

T a b e l a 6.2b Formowanie w dwóch skrzynkach z modelu niedzielonego Formowanie w dwóch skrzynkach z modelu niedzielonego W dolnej i górnej części formy wykonać kanały układu wlewowego Obić i wyjąć model z formy Złożyć, obciążyć i zalać formę Odlew wraz z układem wlewowym Formowanie z obieraniem z modelu niedzielonego Wykonać dolną część formy i odwrócić o 180⁰ Wybrać (obrać) masę wokół tej części mo-delu, która uniemożliwia wyjęcie go z formy Wykonać górną część formy Formę rozebrać, wyjąć model, formę wykończyć i złożyć Formowanie za pomocą fałszywki i kształtowej płyty podmodelowej a) Zagęścić masę w skrzynce formierskiej, odwrócić ją o 180⁰ i wygładzić formę b) Model zagłębić w masę, aż do części wystającej. Fałszywka zastępuje kształtową płytę podmodelową (c) c) Zamiast fałszywki lepiej stosować kształtową płytę. Pozostałe operacje wykonuje się normalnie 132

Formowanie z modelu z częściami luźnymi Formowanie z modelu z częściami luźnymi T a b e l a 6.2c Przy wyjęciu modelu, wbić haczyk w część luźną, obić ją lekko i wyjąć Część luźną obłożyć masą, wyjąć szpilkę, wykonać formę i wyjąć część luźną Aby wyjąć z formy części luźne, część a musi W przeciwnym przypadku część luźną być mniejsza niż wymiar b modelu należy podzielić Formowanie z modelu dzielonego w dwóch skrzynkach Odlew Wykonać dolną część formy Wykonać górną część formy Rozłożyć formę, wyjąć model, wykończyć i złożyć formę 133

T a b e l a 6.2d Formowanie w trzech skrzynkach (koło pasowe) Formowanie w trzech skrzynkach (koło pasowe) Wykonać środkową część formy Wykonać dolną część formy Obrócić całość o 180⁰ i wykonać górną część formy Formę rozebrać, wyjąć model i złożyć rdzeń. Formę wykończyć i złożyć 1 skrzynka górna, 2 skrzynka środkowa, 3 skrzynka dolna Formowanie z płaskim rdzeniem ( plackiem ) Formowanie z plackiem pozwala uniknąć formowania w trzech skrzynkach. a) Dolna część modelu. b) Zagęścić masę w dolnej skrzynce do górnego poziomu kołnierza, nałożyć rdzeń 2, zagęścić masę do górnego poziomu rdzenia, wyjąć rdzeń i kołnierz, założyć rdzeń i wykonać dolną formę. Formowanie z luźną częścią formy, tzw. sztuczką Model żeliwny garnka Zaformować górną część modelu Formę odwrócić i zaformować górną wewnętrzną część modelu 134

T a b e l a 6.3a Odległości pomiędzy modelami a elementami formy w mm (dane orientacyjne) Masa odlewu kg a b c d e F między między między między dolną modelem wlewem modelami powierzchnią a ścianką a ścian- skrzynki ką modelu a formierskiej skrzynki dolną formier- pow. skiej formy między górną powierzchnią modelu a górną pow. formy między modelem a wlewem roz-prowadzającym do 5 40 40 30 30 30 30 5 10 50 50 40 40 40 30 10 25 60 60 40 50 50 30 25 50 70 70 50 50 60 40 50 100 90 90 50 60 70 50 100 250 100 100 60 70 100 60 250 500 120 120 70 80-70 500 1000 150 150 90 90-120 1000 2000 200 200 100 100-150 2000 3000 250 250 125 125-200 3000 4000 275 275 150 150-225 4000 5000 300 300 175 175-250 5000 10000 350 350 200 200-250 pow. 10000 400 400 250 250-250 135

Rodzaj powierzchni formy Normatywy szpilkowania form Długość szpilek formierskich mm T a b e l a 6.3b Odległość pomiędzy szpilkami, mm sposób zalewania formy na wilgotno na sucho Pionowe i lekko pochyłe 60 100 80 100 80 100 Poziome, w pobliżu doprowadzenia metalu 60 100 60 80 60 80 Poziome, przy grubości ścianki odlewu do 60 80 80 100 100 120 35 mm Poziome, przy grubości ścianki odlewu powyżej 35 80 100 40 60 60 80 mm Formy wykonane w gruncie w pobliżu doprowadzenia metalu 40 60 25 30 25 30 (odlewy ciężkie i średniej wielkości) Krawędzie wlewów doprowadzających w formach wykonanych w gruncie 40 60 10 15 10 15 Ścięcia krawędzi formy 60 100 60 80 Krawędzie i ostre kąty formy W pobliżu części odejmowanych formy o głębokości powyżej 25 mm Miejsca naprawiane 60 100 25 30 25 30 40 80 40 80 60 80 nie krótsze niż dwukrotna grubość naprawianej warstwy 10 15 136

Najmniejsza grubość warstwy masy przymodelowej [5] Wielkość Mała Średnia skrzynka formy wg skrzynka formierska [1] formierska L + B L + B L + B = 500 1000 = 500 2 2 2 Grubość warstwy masy w mm Oznaczenia: L = długość skrzynki formierskiej, B = szerokość skrzynki formierskiej. Duża skrzynka formierska L + B = 1000 2 T a b e l a 6.4 Forma murowana Forma wzorniko-wa 10 20 20 30 30 100 10 15 5 15 Normatywy odpowietrzania form [5] T a b e l a 6.5 Prasowanie w skrzynkach Powierzchnia formy, m 2 do 0,25 0,25-1,0 1,0-2,0 2 Średnica szydła odpowietrzającego, mm 3 5 7 10 Ilość nakłuć na 1 m 2 15 10 7 6 13) zdjąć płytę i oczyścić, 14) wygładzić powierzchnię podziałową formy i posypać ją pyłem rozdzielczym, 15) oczyścić i ustawić górną część modelu na dolnej części oraz opylić model, 16) ustawić model wlewu rozprowadzającego, 17) ustawić górną skrzynkę formierską na dolnej, 18) ustawić modele wlewu głównego i nadlewu, 137

19) nasiać na modele masę przymodelową i zagęścić ręcznie, 20) napełnić skrzynkę masą wypełniającą, 21) zagęścić masę ręcznie w trudno dostępnych częściach formy, a następnie ubijakiem, 22) zgarnąć nadmiar masy, 23) wykonać nakłuwakiem otwory odpowietrzające na całej powierzchni formy, 24) obić i wyjąć modele wlewu głównego i nadlewu, 25) wygładzić ostre krawędzie otworów w formie, 26) ułożyć klocki dla ustawienia górnej skrzynki, 27) podnieść górną skrzynkę, obrócić o 180⁰ i postawić na klockach, 28) wygładzić powierzchnię podziałową górnej części formy, 29) obić i wyjąć modele z górnej części formy, 30) obić i wyjąć modele z dolnej części formy, 31) naprawić uszkodzenia w górnej i dolnej części formy, 32) szpilkować występy, 33) wykonać nakłuwakiem otwory odpowietrzające na powierzchni podziałowej dookoła wnęki na górnej i dolnej części formy, 34) oczyścić rdzenie i sprawdzić ich odpowietrzenie oraz wykonać kanały dla odprowadzenia gazów z rdzeni w górnej i dolnej części formy, 35) ustawić rdzenie w dolnej części formy, 36) ustawić i zamocować rdzenie w górnej części formy, 37) uszczelnić rdzenniki, 38) przedmuchać dolną i górną część formy, 39) podnieść górną skrzynkę, obrócić ją o 180⁰ i złożyć formę, 40) zaformować w nadstawkach zbiornik wlewowy i nadlewy, 41) przykryć wszystkie otwory na górnej powierzchni formy kawałkami papieru, 42) ustawić na formie nadstawki z nadlewami i zbiornikiem wlewowym, uszczelnić ich połączenie z formą oraz uszczelnić formę, 43) obciążyć formę. Wielkość minimalnej masy m obciążnika można obliczyć ze wzorów: a) dla formy odlewniczej bez rdzeni wzór ogólny m = k V γ G [kg] 138

wzór uproszczony dla stopów żelaza m = 1,5 7 V G [kg] b) dla formy odlewniczej z rdzeniami, które są dociskane przez górną część formy wzór ogólny m = k V γ + γ γ V G [kg] wzór uproszczony dla stopów żelaza m = 1,5 7 V + 5 V G [kg] gdzie: k współczynnik (uwzględniający uderzenie strumienia metalu przy zalewaniu), którego wartość przyjmuje się: 1,5 dla odlewów o prostym kształcie, 2,0 dla odlewów o kształcie złożonym, V objętość zawarta nad powierzchnią odlewu w górnej części formy sięgająca do poziomu ciekłego metalu w zbiorniku wlewowym, dm 3, V rd objętość rdzenia bez znaków rdzeniowych, dm 3, γ m gęstość ciekłego metalu, kg/dm 3, dla żeliwa i staliwa przyjmuje się γ m = 7 kg/dm 3, dla stopów miedzi 8 kg/dm 3, dla stopów aluminium 2 kg/dm 3, γ rd gęstość masy rdzeniowej (1,8 2,0), kg/dm 3, G masa górnej części formy, kg. 6.2.5. Zasady obliczania układów wlewowych Układ wlewowy jest to system kanałów i zbiorników wykonanych w formie odlewniczej, mających za zadanie [8]: - ciągłe, równomierne i spokojne doprowadzenie ciekłego metalu do wnęki formy, - zabezpieczenia przed przedostawaniem się żużla i zanieczyszczeń do wnętrza formy, - zasilanie odlewu ciekłym metalem podczas krzepnięcia, 139

- współdziałanie z innymi czynnikami w celu wywołania równoczesnego lub kierunkowego krzepnięcia i chłodzenia odlewu. Układ wlewowy składa się z następujących elementów: - zbiornik wlewowy (ZW) ma za zadanie ułatwienie wprowadzenia ciekłego metalu do formy, zabezpieczenie ciągłości zalewania oraz wstępne zatrzymanie zanieczyszczeń, Rys. 6.2. Układ wlewowy: 1 zbiornik wlewowy (ZW); 2 wlew główny (WG); 3 wlew rozprowadzający (WR); 4 wlew doprowadzający (WD); 5 przelew (PL); 6 nadlew (NL) - wlew główny (WG) jest kanałem pionowym, o kształcie stożka ściętego o zbieżności 3 5⁰ łączącym zbiornik z następnym elementem wlewem rozprowadzającym, - wlew rozprowadzający (WR) jest kanałem poziomym o przekroju najczęściej trapezowym, umiejscowionym w górnej połowie formy w płaszczyźnie podziału, który ma za zadanie zatrzymanie zanieczyszczeń oraz zmniejszenie szybkości strugi metalu i doprowadzenie metalu do wlewów doprowadzających, - wlewy doprowadzające (WD) kierują ciekły metal od wlewu rozprowadzającego bezpośrednio do odlewu; są to kanały poziome o przekroju najczęściej trapezowym lub trójkątnym, umiejscowione przeważnie w dolnej formie w płaszczyźnie podziału, - przelew (PL) jest kanałem pionowym o kształcie ściętego stożka, umieszczonym zazwyczaj w najwyższym punkcie odlewu w prze- 140

ciwległym końcu wlewów doprowadzających; przelew służy do szybkiego odprowadzenia gazów i powietrza z wnęki formy w pierwszej chwili zalewania oraz do sygnalizowania chwili wypełnienia formy ciekłym metalem. Do małych odlewów, jak również przy formowaniu maszynowym przelewów na ogół nie stosuje się. Grubość przelewów musi być mniejsza od grubości ścianek odlewu, na którym zostały umieszczone (0,8 grubości ścianki odlewu). Przy projektowaniu układu wlewowego należy brać pod uwagę następujące wytyczne: 1. W celu uzyskania spokojnego przepływu metalu w kanałach, zamiast jednego grubego wlewu doprowadzającego, stosuje się kilka (np. 2 6) wlewów o mniejszych przekrojach, jednak przy zbyt małych przekrojach wlewów doprowadzających może nastąpić zakrzepnięcie w nich metalu. 2. Metal wpływając do formy nie powinien napotykać przeszkód w postaci występów formy lub rdzeni. Nie należy kierować strumienia metalu prostopadle w pionową ścianę formy. Kierunek strumienia powinien pokrywać się z kierunkiem jednej lub kilku ścian albo żeber odlewu. Jeżeli ściana odlewu ma krzywiznę, strumień metalu można kierować według stycznej do krzywizny. 3. W celu uniknięcia zasysania żużla i zanieczyszczeń przez układ wlewowy, przepustowość poszczególnych elementów układu wlewowego, licząc od wlewu głównego do wlewów doprowadzających, powinna się zmniejszać. 4. Przez odpowiednie zaprojektowanie układu wlewowego można regulować w szerokim zakresie rozkład temperatur w odlewie podczas jego krzepnięcia i stygnięcia. Rozróżnia się dwie odmiany procesu krzepnięcia odlewów: jednoczesne i kierunkowe. Zasadę krzepnięcia jednoczesnego stosuje się do odlewów żeliwnych o dużym stopniu grafityzacji. Ciekły metal do takich odlewów doprowadza się do cienkich nie obrabianych miejsc odlewu jak: żebra, występy itp., które są wtedy zasilane najgorętszym metalem. Metal dopływając do grubych części odlewu ma już nieco niższą temperaturę. W tych warunkach krzepnie i stygnie mniej więcej równomiernie zarówno w cienkich, jak i grubych przekrojach. Krzepnięcie kierunkowe stosuje się do odlewów wytwarzanych ze stopów mających skłonności do tworzenia jam skurczowych, np. 141

staliwa, żeliwa o małej zawartości krzemu, czy też do stopów metali nieżelaznych (poza stopami lekkimi). W odlewach z tych tworzyw krzepnięcie powinno się zaczynać w określonych miejscach odlewu, np. położonych w dolnych częściach formy i stopniowo rozszerzać się ku górze, a następnie kończyć w miejscach zasilanych przez nadlew lub ewentualnie przez wlew, czyli w miejscach położonych na górze formy. Jama skurczowa tworzy się wówczas w miejscach, które krzepną ostatnie, a więc w nadlewie lub wlewach. 6.2.6. Obliczanie układu wlewowego dla odlewów ze stopów metali nieżelaznych wykonywanych w formach piaskowych Do obliczania najkorzystniejszego czasu zalewania stopów metali nieżelaznych w formy piaskowe stosuje się wzór t = s M [s] gdzie: t - czas zalewania w sekundach, s - współczynnik zależny od przeważającej (lub średniej) grubości ścianki odlewu, M - masa odlewu wraz z układem wlewowym, kg. Wartość współczynnika s dla metali nieżelaznych podano w tabeli 6.6. T a b e l a 6.6 Wartość współczynnika s dla stopów metali nieżelaznych Grubość ścianki g mm Wartość współczynnika s stopy aluminium stopy miedzi (brązy cynowe) Do 6 1,8 0,65 6 10 2,0 0,70 10 15 2,2 0,75 15 20 2,4 0,80 20 40 2,6 0,90 40 60 3,0 1,10 142

Sumę powierzchni przekrojów wlewów określa się na podstawie wzoru S = M t K [cm ] gdzie: M - masa odlewu wraz z układem wlewowym, kg, t - czas zalewania, s, K - prędkość zalewania formy (ilość metalu w kg przepływającego w ciągu 1 s przez 1 cm 2 przekroju wlewu głównego). Wartość K dobiera się z tabeli 6.7 w zależności od ρ k obliczonego według wzoru ρ = M V w którym: ρ k - stosunek masy do objętości odlewu, M - masa odlewu, kg, V - iloczyn wymiarów zewnętrznych odlewu, dm 3. Wartości K objęte w tabeli 6.7 dotyczą form wilgotnych; przy zalewaniu form suszonych, wartości te należy zwiększyć o 50%. Przekrój wlewu rozprowadzającego (belki wlewowej) powinien być 1,5 1,7 razy większy od sumy przekrojów wlewów doprowadzających [4]. Przekrój dolnej części wlewu głównego powinien być równy sumie przekrojów wlewów doprowadzających (układ wlewowy prosty) lub mniejszy o około 25% (układ wlewowy rozgałęziony). W przypadku gdy z obliczenia wynika, że przekrój wlewu doprowadzającego jest mniejszy od przekroju zasilanego węzła lub ścianki, zaleca się stosowanie zasilaczy. W przypadku stopów aluminium wlewy główne mają zwykle kształt okrągły [10], wlewy rozprowadzające kształt trapezowy o stosunku wysokości do podstawy 1 1,3, wlewy doprowadzające kształt prostokąta o grubości równej lub nieco większej od grubości ścianki odlewu w miejscu zasilania. Stosuje się zasadę krzepnięcia kierunkowego. Zasadę tę stosuje się również w przypadku odlewania brązów bezcynowych i mosiądzów. Poszczególne przekroje elementów układu wlewowego można obliczyć ze stosunku k = ; k = ; k = 143

T a b e l a 6.7 6 7 5 6 - - 0,75 0,70 0,65 0,70 4 5-0,65 0,60 Prędkość zalewania K [kg/(cm 2 s)] w zależności od współczynnika ρk Wartość ρk 3 4 2,5 3,0 2,0 2,5 1,5 2,0 1,0 1,5 0,5 1,0 0,3 0,5 do 0,3 Rodzaj stopów - 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,22 0,2 Stopy aluminium (siluminy) 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 - Stopy miedzi z brązami (aluminium) Brązy aluminowe - 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 144

Współczynnik powierzchni przekrojów dla różnych stopów metali nieżelaznych podano w tabeli 6.8. T a b e l a 6.8 Współczynnik powierzchni przekrojów dla różnych stopów metali nieżelaznych Odlewy k g k b k d Aluminium 1,0 1,2 2,2 2 6 Mosiądze specjalne 1,0 2 2,8 1 4,8 Brązy fosforowe i cynowo-cynkowe 1,0 1 4,0 0,7 2,0 Brązy aluminowe 1,0 2 4 2 4 Magnez 1,0 2 4 2 4 Stopy Al lub S < S < S gdzie S < S > S Mosiądze i brązy bezcynowe S > S S < S < S 6.2.7. Pomiar twardości (stopnia zagęszczenia) masy formierskiej gotowej formy Pomiar twardości form wilgotnych przy użyciu twardościomierza LTW A Polega na jego dociśnięciu do powierzchni mierzonej formy w ten sposób, aby podstawa przyrządu ściśle do niej przylegała. Podczas pomiaru część kulki (1), (rys. 6.3), zagłębia się w masę 145

formierską, a reszta z połowy kulki cofa się i za pośrednictwem sprężynki (2) powoduje wychylenie wskazówki przyrządu. W tym momencie należy odczytać twardość masy formierskiej na skali przyrządu. Pomiar twardości należy dokonać minimum w pięciu miejscach powierzchni formy, a następnie obliczyć średnią wartość tego pomiaru. Rys. 6.3. Twardościomierz LTW A do pomiaru stopnia zagęszczania form wilgotnych: 1 kulka o Ф 5,08 mm; 2 sprężyna 6.3. Materiały i urządzenia W czasie ćwiczenia stosujemy następujące materiały i urządzenia: 1. Piasek formierski półtłusty (zaw. Lepiszcza 14,9%), oznaczenie P-1140/200/100-M80-1350. 2. Model odlewniczy dzielony lub niedzielony. 3. Narzędzia i przyrządy formierskie. 4. Mieszarka laboratoryjna typu LM. Składniki masy formierskiej w postaci piasku formierskiego z dodatkiem gliny formierskiej, pyłu węglowego, spoiwa itp. w stanie rozdrobnionym (na sucho lub w stanie ciekłym) ulegają mieszaniu i rozcieraniu przez dwa krążniki: jeden toczący się dookoła osi pionowej od środka misy, a drugi od zewnątrz. Sumaryczna masa składników powinna wynosić 3 6 kg. 146

5. Mieszarka masy rdzeniowej typu MS-0075B (skrzydłowa) przeznaczona jest do sporządzania mas rdzeniowych z piasku kwarcowego na spoiwach olejowych i żywicznych, na dekstrynie lub szkle wodnym oraz może być użyta do sporządzania niewielkiej ilości mas formierskich. Napełnianie mieszarki składnikami masy odbywa się przez kratę wsypową zakrywającą misę. Załadowane do mieszarki składniki masy podlegają procesowi mieszania za pomocą obracającego się wewnątrz mieszarki mieszadła w kształcie litery S i dwóch wymiennych łopatek przymocowanych do mieszadła. Ruch obrotowy tych części powoduje przemieszczanie się masy od środka misy na pobocznicę, skąd wskutek działania łopatek masa powraca do środka misy. Opróżnianie mieszarki odbywa się samoczynnie po otwarciu drzwiczek zamykających otwór wsypowy w pobocznicy misy. 6. Suszarka elektryczna komorowa typu SEL-8N. Temperatura znamionowa 250⁰C. 7. Waga laboratoryjna typu WS-21. 8. Suszarka próżniowa typu KBC G16/215. 9. Piec elektryczny komorowy typu PEK-2A o mocy P znam = 37 kw. 10. Tygiel grafitowy. 11. Twardościomierz LTW A. 6.4. Przebieg ćwiczenia Na podstawie modelu odlewniczego (ewentualnie rysunku surowego odlewu) obliczyć i dobrać najbardziej odpowiedni typ układu wlewowego. Przed przystąpieniem do obliczania układu wlewowego należy najpierw obliczyć masę odlewu (tab. 6.9), następnie przekroje wlewów doprowadzających oraz ustalić kształt i wymiary pozostałych elementów układu wlewowego, jak wlewu głównego i rozprowadzającego (tab. 6.6 do 6.8). Po obliczeniu układu wlewowego dobrać skrzynkę formierską. Następnie sprawdzić wilgotność masy formierskiej oraz przygotować ją mieszając składniki masy w mieszarce. Po przygotowaniu masy formierskiej wykonać formę z otrzymanego modelu niedzielonego, posługując się, przy wykonywaniu poszczególnych czynności, odpowiednimi narzędziami i przyrządami. 147

T a b e l a 6.9 Niektóre własności fizyczne podstawowych stopów odlewniczych [5] Nazwa stopu Stopy aluminiowe Zawartość głównych składników stopowych % Ciężar właściwy przy 20⁰C g/cm 3 Ciężar właściwy w stanie ciekłym g/cm 3 granica wartość średnia 4,5 Cu 2,8 5 12 Si 2,6 2,7 11 13 Si 2,6 2,1 2,7 2,4 10 3,8 Mg 2,6 2,7 Stopy magnezu do 10 Al 1,7 1,81 1,5 1,7 1,6 Stopy cynku Stopy miedzi: 3,5 5 Al 0 4 Cu 6,6 6,9 5,65 6,15 5,9 brązy cynowo-ołow. 10 Sn 10 Pb 8,7 9,3 7,3 7,9 7,6 brązy cynowe 10 5 Sn 8,8 8,9 brązy aluminiowe 5 10 Al 7,4 8,2 6,7 7,3 7,0 brązy krzemowe 3 1,5 Si 6,5 6,7 7,3 7,9 7,6 Mosiądze Żeliwo (szare i białe) 58 Cu 8,4 60 Cu 8,5 7,5 8,0 7,75 70 Cu 8,5 90 Cu 8,8 C 2,8 3,8 6,95 7,35 6,75 7,05 7,0 Si 1,0 2,7 Staliwo węglowe C 0,15 0,8 7,20 7,45 7,05 7,20 7,12 Po wykonaniu formy należy dokonać pomiaru twardości (stopnia zagęszczania) masy formierskiej przy użyciu twardościomierza LTW A minimum w pięciu miejscach powierzchni podziału formy, a następnie obliczyć wartość średnią tego pomiaru. Pomiar twardości formy w różnych miejscach umożliwia kontrolę równomierności jej zagęszczenia. 148

6.5. Opracowanie sprawozdania Sprawozdanie z ćwiczenia winno zawierać: 1) cel ćwiczenia, 2) opis użytych urządzeń, przyrządów i narzędzi formierskich, 3) krótki opis przebiegu ćwiczenia, 4) podany tok obliczeń układu wlewowego: masę odlewu, przekroje wlewu głównego (S wg ); wlewu rozprowadzającego (S wr ) i wlewu doprowadzającego (S wd ), stosowane wzory, 5) wyniki pomiaru wilgotności masy formierskiej, 6) sposób przygotowania masy formierskiej oraz przebieg czynności przy formowaniu formy, 7) szkic modelu i układu wlewowego oraz formy odlewniczej z naniesionymi głównymi wymiarami, 8) wyniki pomiaru twardości gotowej formy, 9) wnioski z ćwiczenia. PYTANIA KONTROLNE 1. Co nazywamy formowaniem i jakie rozróżniamy sposoby formowania? 2. Z jakich czynności składa się wykonanie formy? 3. Jakie są elementy niezbędne do wykonania formy? 4. Wymienić narzędzia formierskie. 5. Jakie stosuje się materiały formierskie do wykonania form i rdzeni? 6. Z jakich elementów składa się układ wlewowy? 7. Na czym polega zasada krzepnięcia jednoczesnego? 8. Na czym polega krzepnięcie kierunkowe? 149

Literatura [1] M. Skarbiński: Zasady konstruowania odlewanych części maszyn. WNT, Warszawa 1968. [2] M. Skarbiński, P. Murza-Mucha: Ćwiczenie z odlewnictwa. Wyd. Pol. Warszawskiej 1964. [3] K. Błaszkowski: Technologia formy i rdzenia. Warszawa 1968. [4] T. Piwoński: Poradnik modelarza, formierza i rdzeniarza. WNT, Warszawa 1977. [5] Praca zbiorowa: Mały poradnik odlewnika. WNT, Warszawa 1965. [6] A. Lewandowski, Z. Wertz: Badanie materiałów formierskich. WNT, Warszawa 1967. [7] Praca zbiorowa: Przygotowanie produkcji odlewu. WNT, Warszawa 1963. [8] P. Murza-Mucha: Odlewnictwo Techniki Wytwarzania. PWN, Warszawa 1978. [9] Praca zbiorowa: Laboratorium z techniki wytwarzania. Odlewnictwo. Pol. Śląska Gliwice 1979. [10] Z. Górny i inni: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT, Warszawa 1963. 150