Turnătorie

Bătătura din metal topit dintr-un cuptor de topire pentru turnare ulterioară.

Turnătoria este ramura metalurgiei care se ocupă cu procesele de producție care fac posibilă obținerea obiectelor metalice prin topirea și turnarea metalelor în forme speciale, adică obiecte goale care vor da formă piesei. Stabilirea în cazul în care activitățile menționate mai sus sunt realizate este , de asemenea , numit o turnătorie. Piesele obținute se numesc piese turnate sau fuziuni . Turnarea este una dintre cele mai vechi tehnologii de prelucrare cunoscute: primele instrumente găsite, obținute printr-o turnătorie, datează din 4000 î.Hr.

Procesul de turnătorie poate fi împărțit în două categorii principale:

turnarea tranziției matriței , în care matrița pentru a crea piesa este distrusă la sfârșitul procesului.
turnare permanentă a matriței , în care matrița pentru a crea piesa este refolosită într-un număr mare de cicluri de producție.

Turnarea în formă tranzitorie

Atelier de turnare a clopotelor, sfârșitul secolului al XVII-lea - începutul secolului al XVIII-lea. Muzeul Național de Știință și Tehnologie Leonardo da Vinci , Milano.

Formarea în formă tranzitorie poate avea loc cu utilizarea unui model permanent, și acesta este cazul turnătoriei la sol sau a unui model consumabil, și este cazul turnării cu ceară pierdută și a policastului.

Turnătorie de pământ

Exemplu de desen al unui sistem de turnare

Procesul clasic de turnătorie este cel al turnării pământului , datorită faptului că metalul topit este turnat într-o matriță formată dintr-un pământ special, numit pământ de turnătorie , care la sfârșitul procesului va fi spart pentru a extrage piesa .

Pământurile folosite își pierd calitățile datorită temperaturii ridicate, prin urmare este posibilă reutilizarea lor numai după un tratament adecvat.

Caracteristici principale

Procesul de turnare a pământului are câteva caracteristici fundamentale, utile în alegerea tipului de componentă care urmează să fie obținută.

Este unul dintre cele mai versatile procese și poate fi realizat cu practic orice tip de metal sau aliaj. Gama de piese care poate fi obținută prin procese de turnătorie poate varia foarte mult: de la obiecte mai mici cu o geometrie categoric simplă, cum ar fi lingourile, la produse mult mai voluminoase și extrem de complexe, cum ar fi motoarele marine. Trebuie remarcat faptul că, în cazul obiectelor deosebit de complexe și voluminoase, cum ar fi motorul menționat anterior pentru utilizare navală, alegerea realizării printr-o turnătorie este practic „obligatorie”.

Deși este foarte versatil, turnătoria este un proces foarte de bază: în marea majoritate a cazurilor piesa obținută va trebui să fie supusă unei prelucrări suplimentare pentru a fi finisată pentru a obține caracteristicile dorite ale produsului.

În cele din urmă, procesul de turnare este întotdeauna foarte convenabil pentru producerea unui număr foarte mare de piese, în timp ce în cazul unui număr limitat sau mediu de piese, este recomandabil să evaluați cu atenție avantajele și dezavantajele care decurg din această prelucrare.

Model

Modelul este un obiect care reprezintă forma pe care produsul final va trebui să o asume. Poate fi realizat cu diverse materiale: precum lemn, metal, tencuială, rășini sintetice: fiecare material are puncte tari și puncte slabe; de exemplu, lemnul oferă o lucrabilitate excelentă și ușurința modelului și, ca singur dezavantaj, are o rezistență redusă la suprafață și uzură. Pe de altă parte, materialele metalice oferă o rezistență mecanică și la uzură decisiv mai mare, dar nu au prelucrabilitate; în timp ce greutatea mare face o posibilă schimbare în poziția ultimei probleme, ceea ce va risca ruperea. Aceste caracteristici fac din lemn materialul cel mai frecvent utilizat pentru realizarea modelului.

Scopul modelului este de a crea cavitatea din matriță în care va fi turnat metalul topit. Dimensiunile modelului trebuie să ia în considerare contracția metalului în faza de solidificare și toleranța (vezi Turnarea ). Forma modelului trebuie să ia în considerare necesitatea de a putea extrage modelul din formă fără a o deteriora și, prin urmare, pereții paraleli cu direcția de extracție a modelului trebuie să fie ușor înclinați formând o deschidere numită tiraj sau gură de clopot ; scăderile trebuie, de asemenea, evitate sau modelul trebuie defalcat în mod adecvat; în cele din urmă, fluxurile de miez trebuie să fie prevăzute, adică turnarea suporturilor unde miezurile se vor odihni pentru crearea golurilor în turnare. Pentru a evita tensiunile interne, schimbările bruște de grosime sau direcție trebuie evitate prin asigurarea unor conexiuni adecvate între piese.

Sufletele

Miezurile sunt obiecte care sunt folosite pentru a obține găuri în turnare, adică piese care nu trebuie umplute cu metal lichid. Aceste cavități pot fi realizate cu ușurință în cazul unui raport între diametrul și lungimea găurii care nu este excesiv de mic, altfel miezul se va rupe în timpul turnării ^[1] . Dacă acest raport este foarte scăzut, este recomandabil să faceți gaura prin alte procese, cum ar fi îndepărtarea cipurilor.

Miezurile sunt formate din pământ sau nisip amestecat cu aglomerate, formate cu o matriță negativă numită cutie de miez . Formarea miezului poate fi fierbinte cu un amestec de nisip de diferite granulometrii, rășină liantă și catalizator, amestecat la fața locului prin mulling (cutie fierbinte) cu nisipuri pre-acoperite ( Shell-Molding ) sau rece ( Isocure , Isoset ). Evident, alegerea formării se bazează pe costuri diferite și pe diferite caracteristici de finisare mecanică și de suprafață care urmează să fie obținute din același miez pe piesele turnate finale. La fel ca forma, miezul trebuie să aibă anumite caracteristici mecanice pentru a facilita extragerea acestuia, pentru a preveni orice defecte ale piesei și orice lăsare a miezului în sine.

Formarea

Turnare de coajă sau turnare de coajă

Formarea, în procesele de turnătorie, este activitatea de pregătire a formei , adică a recipientului în care va fi turnat metalul. Poate fi realizat într-o groapă (sau neacoperit), dacă forma este pregătită în podea în nisipul de turnătorie pentru fuziuni mari grosiere, în motta sau paranteză. În acest din urmă caz, matrița este formată din două console , adică două cadre metalice, deschise deasupra și dedesubt, în care se toarnă și se compactează pământul de turnătorie în jurul modelului. Acest tip de pământ este compus din nisip amestecat cu diverse lianți și aditivi; și trebuie să aibă diverse caracteristici. În primul rând trebuie să existe un bun compromis între sfărâmarea și rezistența formei, de fapt forma trebuie să reziste presiunii turnării, totuși nu trebuie să prezinte prea multe dificultăți în îndepărtare, care apare de obicei prin ruperea formei. De asemenea, trebuie să fie un material refractar și permeabil la gaze, pentru a-i permite să scape și pentru a împiedica acestea să creeze porozități interne în produsele viitoare. În plus, prezența unui nisip mai mult sau mai puțin fin se reflectă pe finisajul suprafeței piesei care va fi obținută. Procesul de formare începe cu pregătirea primului suport inferior, care va conține prima jumătate a modelului. Suportul este apoi răsturnat, suprafața pământului este presărată cu o pulbere care împiedică aderarea pământului din a doua consolă, a doua jumătate a modelului este poziționată, a doua consolă este poziționată și fixată deasupra primei și a doua este o parte a matriței, incluzând canalele de aerisire, colierele și orificiile de aerisire. Suporturile sunt apoi deschise, modelul este extras, orice reparații la formă sunt efectuate, miezurile sunt poziționate și cele două consolide sunt reconectate folosind urechile și știfturile corespunzătoare. În funcție de pământul utilizat și de gradul de finisare necesar, turnarea poate avea loc direct sub forma astfel preparată, care se numește verde formată sau poate fi uscată în cuptoare speciale, iar în acest caz se numește formată uscată .

Fuziunea

Topirea metalului trebuie făcută în cuptoare de topire adecvate, care diferă în funcție de materialul care trebuie topit. Pentru fonta , de exemplu, cuptorul clasic este cupola . Cuptoarele rotative alimentate cu oxigen și metan sunt, de asemenea, utilizate recent. Principalele tipuri de cuptoare de topire sunt:

Cuptor cu arc electric : este unul dintre cele mai populare datorită temperaturilor ridicate obținute, controlului ușor al temperaturii și costului redus în comparație cu alte tipuri de cuptoare ^[2] .
Cuptor cu inducție : utilizat în principal în turnătorii mici, unde nu sunt necesare piese turnate mari.
Cuptor cupolă : implică investiții mari în achiziție, care sunt apoi compensate de productivitatea ridicată.
Cuptor de levitație: o bobină de inducție încălzește materialul și determină suspendarea acestuia în interiorul cuptorului; eliminând formarea gazului în turnare

Distribuția

Metalul topit este extras din cuptor, colectându-l într-o ladă , transportat la locul de turnare și prin gravitație, este turnat în matriță prin sprue, cunoscut și sub numele de sprue. În perioada de răcire, fenomenele de contracție apar în material, datorită scăderii temperaturii: în timpul tranziției de stare între solid și lichid, contracția metalului topit este antisotrop, în timp ce, odată ce starea solidă este atinsă, contracția poate fi considerat izotrop . Din acest motiv, forma este supradimensionată în comparație cu piesa care urmează să fie obținută: de exemplu, dacă metalul are o contracție de 1% în timpul răcirii și doriți să obțineți o piesă lungă de 1 metru, lungimea formei va fi 1 , 01 metri. Pentru a evita precizia grosieră a procesului, sistemul este în continuare supradimensionat, astfel încât grosimea este puțin mai mare decât cea dorită în aval de contracția termică: această grosime suplimentară se numește toleranță și va fi luată într-un alt tip de prelucrare pentru a respecta toleranțele mai restrictive. Stocul va trebui să ajungă la un compromis între a avea suficient material pentru ridicat și a nu avea prea mult material rezidual, ceea ce duce, de asemenea, la prelucrarea ulterioară mai lungă și, prin urmare, costisitoare și la o creștere a materialului rezidual (strunjire).

Pentru a face față fenomenelor de contracție ale materialului în tranziție de fază, molii sunt poziționați pe canalul molii , care pot fi definiți ca adaosuri de material pentru a depăși această contracție, care poate crea defecte de formă în piesă, numite conuri sau cavitate de retragere . La sfârșitul procesului, dispozitivele de ridicare și alte ajutoare de turnare, numite montanți de încărcare, sunt îndepărtate prin alte procese.

Extragerea jetului din formă

Odată solidificat și răcit, turnarea este extrasă din matriță cu operația numită shakeout . În efectuarea acestei operațiuni, forma pământului este distrusă și, din acest motiv, se spune că turnarea pământului este pierdută sau tranzitorie , spre deosebire de turnarea în matrițe metalice, numite cochilii sau forme permanente , care sunt refolosite.

În mod similar, pentru a elimina „miezul”, adică forma de nisip care generează secțiunea goală în piesele turnate permanente, carotajul este apoi realizat folosind mașini de sablat, aceste mașini, folosind bile metalice care lovesc piesele turnate, sfărâmă miezul în nisip care le permite separarea turnării aspre.

Piesa extrasă este curățată de pe pământ de turnătorie cu operația gofrare de-, Sprue , Sprue și montanții sunt apoi eliminate, bavurile care s- au format de-a lungul planului de contact dintre cele două semi-forme sunt îndepărtate, imperfecțiunile de suprafață și incrustări și, prin urmare, turnarea poate fi trimisă la orice prelucrare, tratamente și verificări ulterioare.

Principalele probleme și defecte ale turnătoriei de pământ

Este important, în faza de proiectare, să se ia unele măsuri de precauție pentru a evita problemele care ar putea afecta integritatea și funcționalitatea piesei turnate, făcând din aceasta un deșeu:

Un timp de întărire excesiv al matriței sau expunerea excesivă a acestuia la radiații infraroșii, cauzată de un timp de răcire excesiv al metalului, poate duce la o detașare a nisipului de turnătorie, cu producerea unei piese diferite de cea dorită.
Erorile tipice la formarea manuală sunt defectarea formei, scoaterea din matriță și scurgerile de lichid. Primul tip de eroare este cauzat de compactarea nisipului incorect sau neomogen, care va eșua sub presiunea lichidului de turnare. În afara suportului (adică fenomenul care apare atunci când fețele inferioară și superioară ale suportului nu coincid) și scurgerile de lichid se datorează în schimb unei etanșări incorecte a parantezelor sau a combinației lor greșite.
Erorile de dimensionare ale unei piese duc la cavități interne sau de suprafață și porozități ale unei piese. Aceste erori pot fi generate de poziționarea incorectă a coloanelor ascendente sau dimensionarea armăturilor, încărcarea montanților, canalelor și / sau secțiunilor cu mase concentrate. Dacă entitatea porozității și cavității este considerabilă, este posibil să se ajungă la piese cu caracteristici mecanice net inferioare parametrilor de proiectare. În cazul dimensionării excesiv de nesăbuite, unele puncte ale formei chiar nu sunt umplute.

Principalele probleme și defecte ale turnătoriei conchilglia

Există numeroase cauze posibile ale defectelor de turnare a cochiliei:

- În prezent, cea mai mare parte a acestei producții, în special cea de alamă, este realizată manual, astfel încât acțiunea corectă de turnare și abilitățile manuale ale operatorilor joacă un rol foarte semnificativ în realizarea corectă a semifabricatului.

- Distribuția corectă a maselor în geometria articolului în faza de proiectare (masele concentrate sau modificările secțiunilor puternice creează probleme datorită formării tensiunilor de răcire și / sau dificultăților în umplerea volumelor în timpul fazei de turnare)

- Proiectarea corectă, dimensionarea și realizarea matrițelor (cutii de miez și cochilii) joacă un rol fundamental

- Temperatura corectă a metalului topit și fluiditatea sau turnabilitatea acestuia.

- Cantitatea de lianți utilizată la producerea miezurilor ar trebui să fie cât mai mică posibil, astfel încât să nu se prăbușească sub greutatea turnării, dar să permită, de asemenea, formarea gazului la minimum atunci când miezul intră în contact cu topit material, aceste gaze tind să fie incluse în piesele turnate, creând defecte, lipsa materialului, numite găuri de suflare sau porozitate, care deseori fac piesele „neconforme”.

- Timpul corect de decantare a aliajului topit în carcasă la sfârșitul acțiunii de turnare.

Turnarea cu ceară pierdută

Același subiect în detaliu: Ceară pierdută .

Turnarea cu ceară pierdută sau turnarea prin investiție este o practică de turnătorie cu un model și o formă tranzitorii.

Procesul constă în crearea unui model de ceară, care va fi scufundat într-o matriță care conține nisip de turnătorie. Odată ce nisipul s-a solidificat, totul este supraîncălzit, astfel încât ceara să devină lichidă și să poată scăpa astfel din matriță. Odată ce ceara este eliberată, piesa este turnată și extrasă.

Valoarea acestui proces este finisarea foarte ridicată a suprafeței piesei finale, care este cea mai mare obținută dintre toate procesele de turnătorie.

Microfuziunea este unul dintre cele mai frecvent utilizate procese tranzitorii în producția de piese turnate de o calitate și finisare excelente, precum și extrem de automatizate. Este derivarea modernă a vechiului proces de ceară pierdută. Modelele de ceară sunt construite și apoi plasate în rezervoare speciale care conțin rășini termorezistente și granule ceramice. Acestea două se vindecă împreună, rezultând o acoperire exterioară durabilă. Matrița este depărată în cuptor, apoi turnarea metalică este turnată în matriță și, odată solidificată, este eliberată de refractarul care a acoperit-o și se obține piesa.

Policast

Este un proces asemănător turnării de investiții, doar că în acest caz modelul este realizat din polistiren și sunt necesare mai puține trepte. Acest model este realizat prin turnare prin injecție și acoperit cu o vopsea refractară. În acest caz, turnarea metalului topit are loc imediat după introducerea modelului într-o matriță de nisip. De fapt, metalul lichid, prin iradiere , vaporizează polistirenul pe măsură ce este turnat în cavitate. Vopseaua refractară rămâne pe pereții cavității și evită contactul direct între metal și nisip. Dezavantajele acestui proces sunt posibilitatea creării porozității, deci un finisaj de suprafață modest.

Turnare permanentă

În acest caz, forma, denumită coajă, este realizată din oțel sau fontă și nu va fi spartă în faza de extracție a produsului, făcând acest complex. Avantajele sunt că puteți folosi aceeași formă în mai multe cicluri de producție, să produceți piese turnate cu o grosime mai mică a peretelui, să aveți o finisare mai bună a suprafeței și posibilitatea de a automatiza procesul. Există diferite procese în funcție de turnarea metalului în formă este dinamică sau statică, caz în care există o turnare gravitațională. În cazul turnării dinamice avem turnarea centrifugă, în care se mișcă matrița, turnarea sub presiune sau turnarea sub presiune, în care se mișcă metalul lichid, și turnarea continuă, în cazul în care ambele elemente se mișcă.

Turnarea gravitațională

Forma este realizată în două matrice, numite jumătăți de cochilii, produse în: fontă, oțel, aliaj de cupru beriliu sau bronz. Forma și sistemul de turnare se obțin prin îndepărtarea așchilor. Înainte ca turnarea să aibă loc, miezurile sunt poziționate, care pot fi în pământ sau metal. Suprafețele cavității sunt acoperite cu un material refractar pentru a le crește durabilitatea.

În turnarea gravitațională a pieselor turnate din alamă există, în cea mai mare parte, două macrocategorii de geometrie ale metodelor de turnare: turnarea „barchetta”, cunoscută și sub numele de „germană”, care vede esențial turnarea la sfârșitul turnării cu dezvoltarea axei majore plasate orizontal cu o intrare de turnare la un capăt al martorului și un stâlp de încărcare la fel de generos la celălalt capăt al turnării și, în schimb, o turnare "groapă" care vede sfârșitul turnării cu martorul plasat într-o poziție verticală și canalul care se desfășoară paralel cu cea mai lungă axă a formei care urmează să fie obținută, canalul echipat de obicei cu cel puțin două intrări, unul plasat pe partea inferioară și unul aproape în partea de sus a figurii care urmează să fie obținută.

Dacă sunt extrase forme foarte complexe, se folosesc extracte mecanice.

Turnare sub presiune

Același subiect în detaliu: Turnare sub presiune .

Turnarea sub presiune face parte din categoria largă de turnătorie cu turnare permanentă. De asemenea, diferă de turnătoria de pământ prin faptul că metalul topit este injectat în matriță la presiuni ridicate.

Procesul va fi extrem de automatizat: aceasta implică timpi de ciclu foarte scurți, ceea ce duce la o productivitate foarte mare. Produsul finit are un finisaj de suprafață mai bun decât turnătoria de pământ, tipic formei permanente, îmbunătățit în continuare prin presiunea ridicată de turnare, care va face ca materialul să adere mai bine la formă.

Turnarea sub presiune poate fi împărțită în două categorii:

Turnare sub presiune la cameră fierbinte , dacă rezervorul de metal topit este plasat într-un cuptor.
Turnare sub presiune în cameră rece , dacă rezervorul metalic este o cavitate simplă fără temperatură controlată.

Turnare centrifugă

Același subiect în detaliu: Turnare centrifugă .

Turnarea centrifugă este o practică permanentă de turnare a matriței care nu include un model, utilizat în principal pentru a crea piese simetrice axial cu găuri.

În practică, metalul topit este turnat într-o carcasă cilindrică goală, care se rotește cu o viteză unghiulară adecvată, astfel încât metalul să adere la pereți fără ajutorul miezului. În special, cu această tehnică este posibilă eliminarea constrângerii relației dintre diametrul și lungimea găurii, prezentă în general în procesele de turnătorie, în timp ce mișcarea rotativă garantează eliminarea gazelor interne în timpul procesului.

Turnare continuă

Același subiect în detaliu: turnare continuă .

Turnarea continuă este un proces de producție industrială de tipul fuziunii, în care materialul lichid (metal) este făcut să treacă prin forța gravitațională printr-o formă permanentă cu fundul deschis, numit lingou, din cupru și răcit extern cu apă.

Notă

^ regula generală este că nu este posibil să se facă găuri prea lungi sau prea înguste
^ Copie arhivată ( PDF ), pe limat.ing.unibo.it . Adus la 22 martie 2010 (arhivat din original la 9 mai 2006) .