Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje
strana |1
1. Livenje Livenje je postupak obrade o brade metala metala bez skidanja strugotine. Livarstvo prestavlja tehnologiju oblikovanja metalnih metalnih predmeta livenjem rastopljenog metala u urađene kalupe pomoću modela, da bi se tako, poslij e hlađenja dobio odlivak. Livenje je veoma pogodan postupak izrade mašinskih dijelova čiji je oblik komplikovan sa unutrašnjim konturama i nepravilnim kanalima. Livenje se takođe koristi i za ekonomčniju izradu mašinskih d ijelova i elemenata. Primjenom livenih dijelova u brodogradnji postiže se pojednostavljenje konstrukcija. U automobilskoj industriji liveni dijelovi se koriste kao blokovi, glave i klipovi motora. Savremena tehnologija i modernija oprema za livenje omogućava dobijanje
odlivaka različitih dimenzija, tačnosti i kvaliteta površine, čime je potreba za naknadnom mehaničkom obradom sve manje prisutna. Livenje - topljenje metala - ulivanje u kalup pod uticajem gravitacione ili druge sile - očvršćavanje - postupak obrade metala bez skidanja strugotine. Livarstvo predstavlja tehnologiju oblikovanja metalnih predmeta livenjem rastopljenog
metala u urađene kalupe pomoću modela, da bi se tako, poslije hlađenja dobio odlivak. Livljivost je sposobnost taline da popuni kalup prije skrućivanja. Prednosti procesa livenja: ● ● ● ●
izrada elemenata složene geometrije vanjskih i unutrašnjih oblika moguće je dobiti dosta visoku diomenzionu tačnost moguće je proizvesti velike oblike moguće je liti bilo koji metal
●
jedina je alterna alternativa tiva za neke materijale materijale
●
jednostavni i jeftini alati alati za većinu većinu postupaka
●
masovna proizvodnja
●
mali škart
veliki raspon dimenzija i mase dijelova (1g - 250T) Nedostaci: ●
●
ograničenja u mehaničkim osobinama i poroznosti
●
zahtijeva mnogo radne snage
● ● ● ●
dimenziona tačnost kvalitet površina (popravljeno kod preciznog i školjkastog livenja) opasnost u proizvodnji skupljanje i segregacija
Postupci livenja: ● Jednokratni kalupi: ○ precizno livenje livenje ○
livenje u školjkasti kalup
livenje u puni kalup ○ livenje u gipsani kalup livenje u keramički kalup ○ livenje pod vakuumom ○ Trajni kalupi: ○ livenje u kohile livenje pod pritiskom ○ ○ centrifugalno livenje livenje sa stiskanjem ○ ○ kontinuirano livenje ○
●
Najzastupljeniji oblik je livenje u pješčane kalupe i zauzima oko 60% ukupne prozivodnje.
Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje
strana |2
1.1. Livenje u pješčane kalupe Za izradu kalupa potrebni su modeli koji se izrađuju u modelarnici najčešće od drveta i metala. Najčešće i najkvalitetnije drvo za izradu modela je lipa. Ako odlivak ima unutrašnju šupljinu, koriste se jezgrenici za izradu jezgara. U odjeljenu za kalupovanje livnice, pomoću modela i jezgrenika izrađuju se kalup i jezgro koje je uglavnom od pijeska određene vrste i
kvaliteta, uz još neki dodatak. Na pločama za kalupovanje se postave odgovarajući modeli, koji se zapraše prahom koji se zove likapodijum. Zaprašivanje se vrši da se vlažan pijesak ne bi zal ijepio za model. Zatim se kalupna mj ešavina ručnim nabijačima ili pomoću kaluparskih mašina sabija u metaln e okvire tzv. kalupnike. Nakon sabijanja pijeska obezbijede se kanali za odvođenje gasova iz kalupa (zvani odušci) koji mogu da prouzrokuju poroznost odlivaka i samim tim ga učine neupotrebljivim. Tako sabijen jedan dio kalupa se okreće, na njega se postav lja drugi dio ili dijelovi modela, ulivni sistemi, sistemi za prikupljanje šljake i sistemi za hranjenje odlivaka koji obezbeđuju dotok tečnog metala prilikom hlađenja odlivaka. Slijedeća operacija je sab ijanje pijeska u gornjem dijelu kalupa. Kada se i ova operacija završi kalupi se rastave i iz njih izvade modeli. Ako odlivak ima i neku unutrašnju šupljinu u kalup se ulaže jedno ili više prethodno pripremljenih jezgara.
Prije nalivanju rastopljenog metala kalup se mora potpuno sklopiti, tako da obrazuje čvrsto nalijeganje. Tada se kroz čašu i kanale ulivnog sistema liv uliva u ulivnu šupljinu kalupa.
1.2. Livenje u školjkasti kalup Suština procesa livenja sastoji se u izradi školjke od pijeska obložene smolom koja na određenoj temperaturi očvršćava. Tako dobijena školjka ima glatku površinu sa tačnim dimenzijama šupljine kalupa.Proces formiranja školjke zasniva se na svojstvima termoočvršćavajućih smola.Pri izradi školjkastih kalupa I jezgara kao vezivno sredstvo se koriste termoplastične smole u koje se dodaje očvršćivač. C I oblažu zrnca kvarcnog pijeska.Hlađenjem smola očvršćava vezujući zrna pijeska pri čemu nastaje fina i čvrsta kora(školjka) male debljine 5 -15 mm.Kalupi se prave na automatskim mašinama.Ovim se postupkom liju odlivci od čelika,željeza i obojenih metala.Odlivci imaju visoku geom.tačnost i glatke površine.Isplati se samo u velikoserijskoj proizvodnji zbog visoke cijene opreme i smola.
Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje
strana |3
Prednosti: glatka površina kalupne šupljine omogućava tečenje litine i bolju kvalitetu površine odljevka; visoka dimenzijska tačnost; dorada često uopšte nije potrebna; zbog urušljivosti kalupa ne dolazi do pojave pukotina na odljevku; može se mehanizirati za velikoserijsku proizvodnju. Nedostaci: skuplji metalni modeli; nije primjenjivo za manje serije ili pojedinačnu proizvodnju
1.3. Livenje u puni kalup Prednosti: model nije potrebno uklanjati iz kalupa; izrada kalupa je jednostavnija i brža od izrade pješčanog kalupa, jer nisu potrebna dva dijela kalupa, automatizacija za masovnu proizvodnju automobilskih motora (blok, glava). Nedostaci: za svaki odljevak potreban je novi kalup, ekonomska opravdanost postupka znatno ovisi o proizvodnoj cijeni modela.
strana |4
Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje
1.4. Livenje pod pritiskom Rastopljeni metal se ulije pod visokim p ritiskom u tačno izrađenu šupljinu čeličnog alata koju u potpunosti ispunjava.
Metal se nalazi svo vrijeme pod dejstvom visokog pritiska sve do stvrdnjavanja. Odlivci imaju glatku površinu, dobru strukturu i tačne dimenzije. Livenjem pod pritiskom odlivci se izrađuju brzo jedna iza drugog, te tako se dobije serija odlivaka koji po karakteristikama i dimenzijama, kao i po obliku međusobno ne razlikuju. Razlikujemo:
postupke s vrućom komorom (topljenje metala je u sklopu same mašine) ●
●
postupke s hladnom komorom (topljenje
metala je van mašine) Kod livenja na mašinama s toplim komorama, komora za ulivanje se nalazi uronjena u rastopljeni materijala i zagrijana na temperaturu rastopljenog
metala, dok kod livenja na mašinama s hladnim komorama, rastopljeni metal ulazi pod niskim
pritiskom kroz ulivne kanale u šupljinu materijala. Proces kretanja metala u komori presovanja može se podijeliti u četiri faze. (slika) Faza 1: Presujući klip zatvara otvor komore za vrijeme T 1 . Brzina kretanja klipa v 1 je dosta mala, visina pritiska fluida p 1 u hidrauličnom cilindru odgovara pritisku koji treba da savlada otpore u hidrauličkom cilindru i komori presovanja. Faza 2: U T 2 periodu komora presovanja ispunjena je metalom do ulaznih kanala. Brzina klipa počinje rasti i dostiže maksimalnu vrijednost. Faza 3: U periodu T3 puni se ulivni sistem i šupljina alata rastopljenim
metalom. Usled naglog suženja struje metala u ulivnom metalu, brzina kretanja klipa pada na vrijednost v 3, a pritisak p 3 rate. Kraj faze 3 nastaje u trenutku potpunog popunjavanja alata rastoljenim
materijalom. U trenutku završetka kretanja presujećeg lipa, usljed inercionih sila pokretnih dijelova presujućeg mehanizma, pritisak naglo raste na vrijednost pritiska dopresovanja. Poslije prestanka oscilovanja visine pritiska uspostavlja se konačna visino hidrostatičkog pritiska p 4 i
počinje faza 4 dopresovanja. Visina pritiska dopresovanja zavisi od vrste legure i može se kretati od 50 - 5000 bara. Mnaksimalne sile dipresovanja treba ostvariti ne u trenutku početka očvršćavanja, već praktično odmah po završetku punjenja alata rastopljenim metalom.
1.5. Precizno livenje Odlivci koji se dobijaju ulijevanjem metala u kalupe izrađene pomoću rastopljivih (voštanih ili plastičnih) modela zovu se precizni odlivci. Ovim postupkom možemo izraditi dijelove komplikovanog oblika koji drugim postupcima ne bi mogli biti izrađeni, ili bi sama izrada bila veoma skupa. Primjenjuju se za livenje svih vrsta legura. Odlivci imaju veoma kvalitetne površine, kao i tačne o blike i dimenzije. Isplativo je za serije do nekoliko stotina odlivaka.
Tehnološki postupak izrade odlivaka za precizno livenje: razrada crteža odlivka po crtežu dijela s dodacima za završne operacije ● projektovanje alata za izradu modela po crtežu odlivka, uzimanjem u obzir skuljanja modelnog sastava i legure ● odlivka. Alat se radi od čelika ili se lije po uzorku od lahko topivih legura ● topljenje modelnog satava i hlađenje do pastastog stanja
Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje ● ● ● ●
●
● ●
strana |5
izrada topivih modela utiskivanjem modelnog sastava pod pritiskom u alat
rastavljanje alata, vađenje lahko topivog modela montaža modela u modelni komplet (spajanje u “grozd”) priprema suspenzije za izradu školjke - suspenzija se sastoji iz mješavine rastvora etil -silikona i vatrostalnog materijala. Sastav suspenzije zav isi od slojeva koji formiraju školjku, npr. sastav suspenzije za nanošenje jednog sloja na modelni komplet je mljeveni kvarc 70% i 30% dirolizovan etil silikat, drugi sloj 60%-40% izrada vatrostalne školjke (uranjanje modelnog kompleta u posude sa suspenzijom, najčešće 3 -4 puta i zasipanje suhim kvarcnim pijeskom, a zatim sušenje
topljenje modela iz vatrostalne školjke u toploj vodi ili toplim zrakom školjka se stavlja u okrugle ili četvrta ste sanduke (kalupnik), a zatim se u sanduk oko školjke sipa suhi kvarcni pijesak
● ● ● ●
žarenje školjke (800 -900°C) - kalup s vatrostalnom školjkom se unosi u peć, gdje se školjka žari topljenje legure livenje izbijanje odlivka iz kalupa - nakon hlađenja odlivka, kalup se stavlja na vibracioni uređaj, pijesak se odstranj uje i
oslobađa se odlivak ●
odsijecanje od odlivnog sistema skidanje ostatka školjke s odlivka
●
naknadna termička obrada (po potrebi)
●
1.6. Centrifugalno livenje Centrifugalno livenje je postupak kojim se liju rotaciona t ijela korištenjem principa centrifugalne sile. Centrifugalna sila
nastaje obrtanjem kokile, i tada dolazi do raspodela rastopljenog metala po zidovima ulivne šupljine. To omogućava izradu šupljih rotacionih t ijela čija je osa simetrije – osa rotacije. Za stvaranje centrifugalne sile koriste se kalupi koji se okreću ili oko svoje horizontalne ili oko svoje vertikalne ose. Mašine kod kojih s e kokile obrću oko vertikalne ose služe za dobijanje manjih odlivaka kod kojih je visina manja od prečnika. Kod mašina kod kojih se kalup okreće duž svoje horizontalne ose, dobija se odlivak veće visine sa relativno malim prečnikom. Centrifugalno livenje ima određene prednosti kao što su: nema potreba za jezgrima prilikom izrade šupljine u odlivku, utrošak materijala je smanjen na minimum, dobra struktura odlivka, dodaci za mehaničku doradu su minimalni i cena olivka je niža u odnosu na druga livenja što pospešuje ekonomičniju potrošnju i povećanje reproduktivnosti. Centrifugalno livenje primjenjuje se za livenje cilindričnih šupljih dijelova kod koji h je neophodna kompaktna struktura materijala bez gasne poroznosti, npr. košuljice cilindara motora SUS, razni prstenasti umeci, klizni ležajevi. Postupak je primjenjiv za sve legure. Za odlivke čiji je prečnik veći od dužine (visine) upotrebljavaju se mašine s vertikalnom osom. Za dugačke odlivke – cijevi – upotrebaljavaju se mašine sa nagnutom osom 3÷5° u odnosu na horizontalu, a kokila može i da se uzdužno pomijera. Alati – kokile se izrađuju od sivog lima. Sa unutrašnje strane se premazuju premazima mješavine kvarcnog pijeska i grafita. Također, alati mogu biti spolja hlađeni vodom. Za razliku od ostalih postupaka livenja, pri centrifugalnom livenju kalup se rotira, pa zbog djelovanja centrifugalne sile
metal se raspoređuje po šupljini kalupa. Ulivanje i stvrdnjavanje odlivka se vrši istovremeno djelovanjem centrifugalne sile i težine materijala. Centrifugalna sila ne djeljuje samo na oblik, nego i na osobine odlivka. Osa okretanja kokile može biti vertikalna – formira se unutrašnja površina u obliku pa rabole, ili horizontalna – formiraju se cilindrični dijelovi.Glavni parametar livenja je broj obrtaja. Prednosti su bolje popunjavanje kalupa i bolje izdvajanje nečistoća usljed centrifugalne sile , nije potreban ulivni sistem niti hranitelj, iskorištenje materijala je 95÷98%, procenat škarta je mnogo manji u poređenju s livenjem u pijesku , a
strana |6
Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje
nedostaci su u tome da legirajući elementi koji su teži bježe na jednu stranu, a lakši na drugu stranu usljed razlika u gustinama, te to da je sam proces znatno nesiguran.
Veličina centrifugalne sile treba da bude veća od težine, da bi se liv podijelio ravnomjerno po zidu kokile. Iz ovih razloga uspjeh livenja ovisi od brzine okretanja, koja mora biti velika, da bi se spriječilo kapanje liva sa zida alata. Gravitacioni koeficijent k – odnos centrifugalne sile i težine:
Veličina k karakteriše stepen dejstva centrifugalne sile na metal. Njegova vrijednost najčešće je 30÷100, a u nekim slučajevima i više. Sile koje djeluju pri obrtanju kalupa na rastopljeni metal doprinose: -
dobrom popunjavanju kalupa rastopljenim metalom
povećanju gustine odlivka izdvajanjem nemetalnih uključaka i gasa iz rastopljenog metala formiranju unutrašnjih površinskih oblika Dejstvo centrifugalne sile može se neg ativno odraziti na homogenost odlivka po hemijskom sasatvu, obrazovanje pukotina u odlivku usljed dejstva pritiska metala na očvrsle spoljašnje spojeve. 1.6.1. Geometrija slobodne površine pri vertikalnoj osi obrtanja
Kako se čestice nalaze u relativnom mirovanju u odnosu na kalup, to se može koristiti jednačina hidrodinamike koja je poznata kao jednačina Eulera: →
Kod skraćivanja i integriranja:
za r2 – r1 = δ → 1.6.2. Slobodna površina pri horizontalnoj osi obrtanja
→
Jednačina pokazuje da ekstrencititet rastopljenog metala pri livenju na mašini s horizontalnom osom obrtanja kalupa zavisi od poluprečnika kalupa rk, unutrašnjeg poluprečnika odlivka r 0 i brzine obrtanja kalupa v 2.
strana |7
Osnovne proizvodnih tehnologija - Livenje 1.6.3. Broj obrtaja kalupa
Broj obrtaja kalupa pri horizontalnoj osi s obzirom na unutrašnje dimenzije odlivka određuju se korištenjem obrazca Kemena
, pri čemu je c – koeficijent zavisan od legure, a r – unutrašnji prečnik odlivka, tj r 0 (za sivi lim c = 180 ÷
250, čelik c = 215, aluminij i njegove legure c = 260 ÷ 350). Druga metoda određivanja broja obrtaja zasniva se na odnosu centrifugalne sile i sile zemljine teže.
1.6.4. Određivanje potrebne količine toplote za livenje
pri čemu je:
ρ – gustina materijala [kgm-3] CČM – specifična toplota čvrste faze [Jkg -1K-1] ili [Jkg-1°C-1] TP – početna temperatura TT – temperatura topljenja δLT – latentna temperatura topljenja Jkg -1
CTM – spec. tečne faze TU – temperatura livenja
