PARTICULARITATI ALE TURNARII LA PRESIUNE RIDICATA (PRIN INJECTARE)

Turnarea la presiune ridicata reprezinta un procedeu turnare neconventional (special), care se caracterizeaza prin particularitatea ca aliajul lichid este introdus in amprenta piesei din forma de turnare prin injectare sub actiunea unei suprapresiuni mari, realizate mecanic. Aliajul lichid este dozat volumetric si este introdus intr-un cilindru (camera) de presare, de unde este injectat in forma de turnare cu ajutorul unui piston actionat mecanic. Este posibil ca injectarea sa se realizeze si prin intermediul unui gaz sub presiune ridicata. Forma este o matrita metalica si are o constructie speciala, de cele mai multe ori fiind racita fortat. Datorita presiunii ridicate aliajul intra in amprenta piesei din forma cu viteza foarte mare, iar timpul de umplere este foarte scurt. Forma metalica determina o solidificare foarte rapida a piesei. Dupa solidificare matrita se deschide, iar piesa si aliajul solidif 454b12e icat in reteaua de turnare sunt extrase. Schema de principiu a turnarii sub presiune ridicata este prezentata in figurile 5.1÷5.4.

Fig. 5.3. Principiul turnarii la presiune ridicata cu camera de presare rece verticala

5.2. Clasificare procedeelor de turnare la presiune ridicata

Procedeele si instalatiile de turnare la presiune ridicata se clasifica dupa mai multe criterii:

- dupa temperatura camerei de presare;

- dupa directia de deplasare a pistonului de presare;

- dupa pozitia suprafetei de separatie a matritelor;

- dupa tipul de aliaj turnat, etc.

In tabelul 5.1 este prezentata o schema a clasificarii masinilor si procedeelor de turnare la presiune ridicata. Particularitatile constructive ale fiecarei variante sunt aratate schematic in figurile 5.1-5.4

Tabelul 5.1 Clasificarea procedeelor si a masinilor de turnare la presiune ridicata.

5.3. Aplicabilitate.

Turnarea la presiune ridicata permite sa se obtina piese cu dimensini foarte precise si cu o netezime a suprafetelor foarte ridicata, ceea ce face ca piesele turnate prin acest procedeu sa poata fi utilizate direct fara operatii ulterioare de finisare. Procedeul de turnare este limitat la turnarea pieselor din aliaje neferoase cu temperatura mica de turnare (aliaje pe baza de Al, Sn, Pb, Zn) si de mase relativ mici si mijlocii (pana la 150 kg/buc.). Datorita vitezei foarte mari de umplere a amprentei piesei din forma acest procedeu permite sa se toarne piese cu pereti foarte subtiri (chiar sub 1 mm) si reprezinta singura posibilitate de obtinere a pieselor cu pereti cu grosime mica si suprafata mare. Datorita costului ridicat al matritelor procedeul este rentabil numai la productie de serie mare.

5.4. Avantaje economice si tehnologice

Acest procedeu de turnare prezinta mai multe avantaje tehnico-economice care decurg din viteza mare de umplere a formei de turnare si din caracterul permanent al formei de turnare. Principalele avantaje sunt urmatoarele:

excluderea operatiilor de formare, cu toate aspectele legate de acestea in ceea ce priveste consumul de materiale si manopera;

calitate superioara a suprafetelor pieselor turnate;

precizie dimensionala foarte ridicata a pieselor turnate cu implicatii privind reducerea costurilor prelucrarilor ulterioare;

asigurarea unor conditii de microclimat mai bune in atelierele de turnare ca urmare a reducerii considerabile a cantitatii de gaze degajate la turnare;

productivitate ridicata;

posibilitati de mecanizare si automatizare;

posibilitatea turnarii unor piese cu pereti foarte subtiri.

Procedeul implica insa si dezavantaje care limiteaza extinderea lui. Mentionam urmatoarele dezavantaje:

cost ridicat al matritelor care face ca procedeul sa fie economic numai in cazul unor productii de serie;

rezistenta mare a formei care se opune contractiei piesei la racire dupa solidificare si care poate sa determine fisurarea pieselor;

tendinta mare de aparitie a suflurilor exogene in piesele turnate ca urmare a turbulentei mari la umplerea formei si a imposibilitatii de evacuare a aerului din forma in timpul de umplere foarte scurt;

investitii mari in instalatii de turnare specializate;

aplicabilitate limitata la o gama restransa de aliaje si la piese cu configuratii relativ simple (cu pereti subtiri, uniformi si cu numar mic de miezuri).

5.5. Particularitatile constructiei formelor

Formele utilizate la turnarea la presiune ridicata sunt forme metalice (forme permanente) asemenea formelor utilizate la turnarea in cochile. Fata de formele metalice obisnuite, matritele pentru turnarea sub presiune se deosebesc prin masivitatea lor si prin sistemele particulare de prindere pe masinile de turnat sub presiune. Avand in vedere solicitarile mecanice foarte puternice in timpul umplerii datorita presiunii dinamice mari a aliajului lichid la intrarea in cavitatea formei, matritele pentru turnarea sub presiune se executa din otel carbon de calitate sau din otel aliat refractar. De cele mai multe ori (mai ales la turnarea aliajelor cu temperatura mai ridicata de turnare) matritele sunt prevazute la interior cu circuite de racire care sa asigure un regim termic optim de turnare corelat cu cadenta de lucru a masinii si cu dimensiunile piesei.

O alta particularitate constructiva este determinata de constructia retelei de turnare care este mult mai simpla si nu cuprinde elemente pentru retinerea incluziunilor.

Actionarea matritelor la inchidere si deschidere este mecanizata fiind realizata de masinile de turnare. Extragerea piesei din forma de turnare se realizeaza la deschiderea matritelor si este asigurata de extractoare. In cazul utilizarii de miezuri acestea sunt metalice, iar actionarea lor este de asemenea mecanizata fiind comandata prin sisteme de came la deplasarea semimatritei mobile.

O problema deosebit de importanta si uneori greu de rezolvat la proiectarea matritelor pentru turnarea sub presiune o reprezinta evacuarea aerului din forma in timpul umplerii, deoarece este dificil de cunoscut traiectoria jetului de metal in interiorul amprentei piesei si locurile unde exista tendinta de acumulare a aerului.

Constructia formelor metalice depinde modul de actionare al matritei mobile pe masina de turnat sub presiune si de pozitia camerei de presare.

5.6. Particularitatile umplerii formei la turnarea sub presiune.

Caracteristic pentru umplerea formei la turnarea la presiune ridicata este viteza foarte mare cu care aliajul intra prin alimentator in amprenta piesei. La o presiune de presare de 100daN/cm² aliajul lichid intra in amprenta piesei cu viteze de pana la 50 - 80m/s in functie de densitate si rezistenta dinamica a retelei de turnare. Viteza foarte mare a jetului determina o curgere turbulenta, iar in cazul intalnirii unor obstacole turbulentele formate de devierea jetului sunt foarte mari. Presiunea dinamica exercitata de jet asupra peretilor formei este foarte mare. Din aceasta cauza nu se pot utiliza miezuri din amestec de formare, iar formele trebuie sa aiba rezistenta mecanica si refractaritate ridicata.

Traiectoria jetului de aliaj in amprenta piesei, la turnarea sub presiune, este foarte importanta, deoarece de modul cum se umple amprenta depinde evacuarea aerului din forma. Daca jetul de metal obtureaza canalele de aerisire inainte de umplerea amprentei atunci aerul din cavitatea formei nu mai poate fi evacuat, iar in piesa apar sufluri. Suflurile sunt pozitionate de obicei in axa termica a peretelui piesei, deoarece in timpul solidificarii aerul este impins in zona care se solidifica ultima.

5.7. Particularitatile solidificarii si racirii piesei turnate la turnarea sub presiune.

La analiza transferului de caldura si a solidificarii in cazul turnarii sub presiune este necesar sa se faca o diferentiere intre cazul turnarii cu camera de presare rece si cazul turnarii cu camera de presare calda. La turnarea sub presiune cu camera rece transferul de caldura incepe din momentul al turnarii aliajului in camera de presare, datorita diferentei de temperatura intre peretii camerei de presare si aliajul lichid. Langa peretii camerei de presare si la suprafata de contact cu pistonul de presare se formeaza un strat subtire solidificat, asa cum este aratat in figura 5.6. Acest strat afecteaza deplasarea pistoanelor si mareste rezistenta dinamica a aliajului la patrunderea in reteaua de turnare. In general transferul de caldura aliaj lichid - forma prezinta aceleasi particularitati ca la turnarea gravitationala in forme metalice:

- conductibilitate termica foarte mare a formei de turnare;

- coeficient de acumulare a caldurii foarte mare al formei;

- umplerea amprentei formei intr-un timp foarte scurt;

- pereti foarte subtiri ai pieselor turnate;

- rigididate foarte mare a peretilor formei in timpul contractiei piesei dupa solidificare.

Aceste particularitati au urmatoarele efecte asupra solidificarii si racirii aliajelor la turnarea in forme metalice:

timpul de solidificare al piesei turnate foarte mic (datorita coeficientului de acumulare a caldurii al formei si datorita grosimii de perete);

interval de solidificare efectiva a piesei (intre inceputul si sfarsitul solidificarii) mai mic;

gradient de temperatura mai mare la interfata metal forma;

racire mai accentuata a aliajului lichid la trecerea prin reteaua de turnare;

racire mai accentuata a varfului jetului de aliaj lichid in amprenta piesei din forma (datorita umplerii in sifon a amprentei);

functionarea maselotelor este in general deficitara datorita racirii rapide a aliajului, inclusiv in maselota;

intreruperea contactului direct intre piesa si forma pe anumite suprafete ale piese ca urmare a contractiei piesei dupa solidificare.

Solidificarea si racirea rapida a pieselor in forma in conditiile in care contractia piesei este franata de incompresibilitatea formei, impune extragerea rapida a miezurilor din piesa si a piesei din forma.

Pentru a se asigura regimul termic necesar la turnare se impune preincalzirea formelor.

La turnarea cu camera de presare calda racirea aliajului incepe numai in momentul intrarii aliajului in amprenta piesei din forma.

5.8. Particularitatile defectelor pieselor turnate la presiune ridicata.

Particularitatile umplerii formelor cu aliaj lichid si ale transferului termic la turnarea sub presiune determina tendinte specifice particulare pentru formarea defectelor la piesele turnate prin acest procedeu de turnare. Defectele de turnare cel mai des intalnite la piesele turnate la presiune ridicata sunt:

incluziuni de zgura sau oxizi;

fisuri sau crapaturi la cald;

sufluri;

microretasuri;

deformatii;

tensiuni interne.

Tendinta mare de aparitie a incluziunilor de zgura este determinata de absenta elementelor pentru retinerea zgurii in constructia retelelor de turnare. Tendinta mai mare de fisurare la cald este determinata de franarea contractiei de catre formele si miezurile metalice. Aparitia suflurilor exogene este cauzata de turbulenta mare din cavitatea formei in timpul umplerii acesteia si    de amplasarea necorespunzatoare a canalelor de aerisire.

Comparativ cu procedeele de turnare clasice este eliminata aparitia defectelor de turnare de tipul incluziunilor de amestec de formare (cruste, coji, excrescente) structuri grosolane. De asemenea este redusa tendinta de aparitie a retasurilor concentrate.

5.9. Particularitatile modelarii matematice si ale simularii umplerii formei turnarea sub presiune ridicata.

Modelarea matematica a umplerii formei consta in transpunerea in ecuatii matematice a proceselor hidraulice si termodinamice care insotesc curgerea aliajului prin reteaua de turnare si in amprenta piesei din forma pe baza legilor din mecanica fluidelor si din termotehnica. Scopurile principale ale modelarii matematice a umplerii formei cu aliaj lichid la turnarea sub presiune sunt:

calculul vitezei de alimentare;

- determinarea timpului de umplere a amprentei piesei;

- determinarea racirii aliajului in timpul umplerii amprentei din forma;

- simularea umplerii formei in vederea determinarii traiectoriei jetului de metal si a amplasarii optime a canalelor de aerisire.

Modelarea matematica exacta a curgerii aliajului lichid si a umplerii cavitatii formei la turnarea sub presiune ridicata este dificil de realizat datorita turbulentei curgerii. Modelul matematic cel mai simplu ia in considerare numai procesul hidraulic simplificat neglijand racirea in timpul umplerii. Aceste modele au la baza urmatoarele ipoteze:

se neglijeaza variatia temperaturii in timpul curgerii aliajului prin reteaua de turnare si in amprenta formei;

se considera ca in timpul curgerii aliajul are temperatura constanta si egala cu temperatura medie din retea;

se neglijeaza fortele de tensiune superficiala,

pierderile de presiune dinamica se calculeaza cu ajutorul relatiilor din mecanica fluidelor.

Aplicand legile clasice ale curgerii lichidelor prin conducte viteza de intrare a aliajului lichid in amprenta piesei din forma se poate calcula prin relatia:

(5.1)

unde: p - este presiunea realizata de pistonul de presare (sau de agentul de presare) asupra aliajului lichid (presiunea de injectare); p_A- contrapresiunea aerului din amprenta formei; ρ - densitatea aliajului lichid; ζ_i - coeficientul de pierdere de presiune dinamica in rezistentele hidrodinamice ale retelei de turnare; S_a, S_i - aria sectiunii alimentatorului si ale elementelor retelei de turnare.

Traiectoria jetului de aliaj in amprenta piesei, la turnarea sub presiune, este foarte importanta deoarece de modul cum se umple amprenta depinde evacuarea aerului din forma. Curgerea aliajului la umplerea formei este influentata de geometria piesei, de traiectoria jetului in amprenta piesei, de raportul dintre sectiunea piesei si sectiunea jetului. Viteza foarte mare a jetului determina o curgere turbulenta, iar in cazul intalnirii unor obstacole turbulentele formate de devierea jetului sunt foarte mari. Referitor la curgerea jetului in amprenta piesei sunt doua modele teoretice (modelul Frommer si modelul Brandt). Cele doua modele sunt ideale si sunt aplicabile in cazul unor piese simple cu configuratie paralelipipedica, cand jetul nu intalneste obstacole pe traiectorie pana in dreptul peretelui opus. Unul dintre modele este aplicabil in cazul cand piesa are sectiune mare comparativ cu sectiunea alimentatorului. In acest caz modelul hidraulic al umplerii porneste de la ipoteza ca umplerea amprentei are loc incepand de la partea opusa alimentatorului spre alimentator, asa cum este aratat schematic in figura 5.5a. In acest caz jetul care are viteza si inertie mare atinge cu viteza mare peretele frontal opus, iar aici in urma lovirii de acest perete este deviat spre peretii laterali formand un front de umplere, care se propaga in sens invers sensului de intrare al jetului. Celalalt model este aplicabil in cazul cand alimentatorul are latime (sectiune) egala (apropiata) de a piesei. In acest caz jetul se acopera sectiunea piesei pe toata latimea de la intrare si in acest caz umplerea se realizeaza incepand de la alimentator spre capatul opus, asa cum este aratat schematic in figura 5.5.b.

In cazul pieselor cu geometrie complexa cu pereti curbati sau care obliga jetul la schimbari de directie in interiorul amprentei, situatia este insa foarte complicata. Un caz care trebuie evitat este reprezentat in figura 5.5c. In cazul unor diferente mari de sectiune intre peretele piesei si al alimentatorului, jetului i se imprima o traiectorie care urmareste conturul peretilor. In acest caz jetul obtureaza canalele de aerisire si inchide la interiorul piesei aerul din forma determinand aparitia iminenta a suflurilor in piesa turnata. Cunoasterea modului de umplere a amprentei este importanta pentru pozitionarea canalelor de aerisire.

5.10. Particularitatile modelarii matematice si ale simularii solidificarii piesei turnate la turnarea sub presiune ridicata.

Modelarea matematica a solidificarii piesei turnate la turnarea sub presiune ridicata urmareste urmatoarele scopuri:

determinarea timpului de solidificare si racire a piesei turnate;

simularea solidificarii piesei si vizualizarea campului de temperatura din piesa turnata si din forma de turnare;

determinarea timpului de extragere a piesei turnate din forma;

determinarea temperaturii optime de preincalzire a formei si a regimului termic al formei de turnare.

Modelarea matematica a solidificarii pieselor turnate in la turnarea sub presiune nu prezinta particularitati esentiale din punct de vedere a transferului termic in raport cu turnarea gravitationala in forme metalice. Ca urmare pentru simularea solidificarii pieselor, in cazul acestui procedeu de turnare, se pot aplica aceleasi modele matematice si aceleasi programe de calculator, utilizand insa valorile caracteristicilor termofizice ale formelor si ale aliajelor intalnite in acest caz.