Tehnologii de procesare a metalelor prin turnare

Tehnologii de procesare a metalelor prin turnare

Un numar limitat de aliaje metalice utilizate in protetica poate fi procesat prin procedee speciale de turnare care asigura pieselor forme si dimensiuni precise fara a mai fi necesare prelucrari ulterioare importante Sunt aplicate doua procedee de turnare de precizie pentru biomaterialele metalice si anume turnarea in forme coji cu modele fuzibile sau amestecuri termoreactive si turnarea in forme metalice cochile

Procedeul de turnare consta in principiu in umplerea unei cavitati forma de turnare cu metal sau aliaj lichid Procesul tehnologic de formare turnare cuprinde urmatoarele operatii principale

proiectarea tehnologiei de turnare;

confectionarea modelului piesei si al retelei de turnare

asamblarea modelului si a garniturii de turnare

executia formei de turnare

uscarea si asamblarea formei

turnarea metalului sau aliajului in forma

Operatiile tehnologice mentionate sunt prezentate detaliat in continuare, in ordinea tehnologica de realizare.

1 Proiectarea tehnologiei de turnare

Piesa ce urmeaza a fi executata prin turnare trebuie sa corespunda unor reguli determinate de domeniul si conditiile de utilizare - deci sa corespunda scopului pentru care a fost destinata.

Constructia tehnologica a piesei turnate se refera la

grosimea minima de perete care sa asigure umplerea cu material lichid a formei in timpul turnarii

uniformitatea grosimilor de perete si paralelismul intre fetele peretelui, cu treceri geometrice corespunzatoare de la un perete la altul, cu raze de racordare;

intersectia de pereti si nervuri constituie noduri termice in piese, de aceea se executa cu raze de racordare si treceri progresive;

precizia dimensionala a piesei turnate trebuie sa corespunda scopului si destinatiei piesei, cu incadrarea in normele si standardele de specialitate privind adaosurile de contractie si tehnologice.

Proiectarea elementelor tehnologice de turnare se refera la urmatoarele aspecte

alegerea pozitiei piesei in forma de turnare se face avand in vederea urmatoarele criterii sectiunea mare a piesei va si situata la partea superioara a formei unde se amplaseaza si maselotele rezerva de metal lichid pentru compensarea contractiei la solidificare suprafata ce urmeaza a fi prelucrata va fi la partea superioara a formei solidificarea metalului in forma se va face in mod dirijat de la peretii subtiri catre peretii cu sectiune mare

dimensionarea si amplasarea retelei de turnare care constituie totalitatea canalelor si cavitatilor executate in forma de turnare in scopul dirijarii curgerii metalului lichid pentru umplerea formei si alimentarea cu metal lichid in timpul solidificarii reteaua de turnare este formata din urmatoarele elemente palnie de turnare picior canalul de distributie si alimentatori

reteaua de turnare este formata din urmatoarele elemente (fig. 6.1) palnie de turnare picior canal de distributie si alimentatori

Fig. 6.1 Elementele retelei de turnare

1. palnie; 2. piciorul palniei; 3.canal distributie; 4.alimentatori

- sectiunea alimentatorilor se calculeaza cu relatia

[cm²

unde

m_p masa piesei turnate in kg

K_s debit specific de metal in sectiunea alimentatorului in kg cm² s

L coeficient de corectie intre functie de gradul de aliere a aliajului

t_p durata optima de umplere a formei in secunde calculata cu relatia

unde

n coeficient functie de densitatea relativa a piesei determinata cu relatia

, in kg dm³

in care V_g reprezinta volumul gabarit al piesei turnate

Corespondenta dintre parametrii n ρ_r si Ks este prezentata in tabelul

Tabelul Corelatia dintre parametrii de turnare

calculul maselotei: maselota reprezinta un rezervor de metal aliaj lichid amplasata in forma de turnare care are rolul de a alimenta piesa cu metal lichid pe durata solidificarii acesteia Ea se amplaseaza in zona cu sectiunea maxima a piesei acolo unde solidificarea are loc cel mai tarziu Volumul maselotei se calculeaza cu relatia

V_m V_p α_c in dm³

unde

Vp volumul piesei turnate

α_c coeficient de contractie volumica de solidificare in a carui valoare depinde de natura aliajului avand valorile prezentate in tabelul 2 pentru unele aliaje.

Tabel 6.2 Valorile coeficientilor de contractie volumica pentru unele aliaje

Parametri tehnologici de turnare se refera la:

- viteza de turnare sau de umplere a formei cu metal (aliaj) lichid, care depinde la randul sau de densitatea aliajului si de dimensiunile piesei turnate. Ea se calculeaza teoretic cu relatia:

, in kg/sec

unde:

K_p coeficient de pierdere de presiune a metalului lichid in oala de turnare

densitatea metalului aliajului lichid

d diametrul orificiului oalei de turnare

H inaltimea metalului lichid in oala

temperatura de turnare este parametrul care trebuie sa asigure o fluiditate optima a lichidului pentru umplerea corespunzatoare a formei de turnare si are valori cuprinse intre C peste temperatura lichidus a aliajului functie de compozitia sa chimica si de marimea piesei

Dimensionarea si executarea modelului

Pentru realizarea pieselor turnate este necesara proiectarea si executia unui model care sa corespunda cu forma si dimensiunile piesei la care se adauga si alte elemente ca adaosuri de prelucrare mecanica si tehnologica adaosuri de contractie stabilirea planului de separatie stabilirea locului de amplasare a miezurilor a marcilor etc Ansamblul de elemente care asigura forma si dimensiunea piesei turnate precum si canalele de alimentare cu metal aliaj lichid constituie garnitura de model care este compusa de regula din urmatoarele parti

modelul propriu zis al piesei

cutia de miez

modelul retelei de turnare

modelul maselotelor

Modelul pentru piesa are configuratia geometrica a piesei turnate iar dimensiunile geometrice sunt superioare piesei dimensiuni determinate de

adaosul de prelucrare care reprezinta un surplus dimensional prevazut pe suprafetele care urmeaza a fi prelucrate prin aschiere valorile adaosului de prelucrare sunt standardizate;

adaosurile tehnologice care reprezinta surplusuri de material prevazute pe unele suprafete ale pieselor turnate si constau in adaosuri pentru fixarea piesei la prelucrarea mecanica nervuri care sa consolideze piesa sporuri pentru inclinarea peretilor etc

adaosul de contractie reprezinta un surplus dimensional prevazut pe model cu scopul de a compensa contractia la solidificarea piesei Dimensiunea liniara a modelului va trebuie sa fie conform relatiei;

,

unde:

d_p - dimensiunea piesei turnate;

k - coeficient de contractie liniara, in %;

Valorile contractiei liniare pentru unele aliaje sunt prevazute in tabelul

Tabel 6.3 Valorile medii ale contractiei liniare pentru unele aliaje

In figura se prezinta modelul unei piese simple executat din doua parti, separate simetric printr un plan de separatie in scopul formarii in doua rame Modelul contine si marcile necesare fixarii miezului in forma de turnare

Cutiile de miez au scopul tehnologic de formare a miezurilor care asigura golurile in piesele turnate Miezurile sunt fixate in forma de turnare in locasuri speciale numite marci in timpul asamblarii formei In fig este prezentata o cutie de miez din lemn prevazuta cu plan de separatie pentru extragerea usoara a miezului cilindric format din amestec de miez

Modelul retelei de turnare si al maselotelor asigura realizarea cavitatilor necesare in forma de turnare care sa conduca metalul lichid in forma si in maselote

Garnitura de model formata din mai multe piese asa cum s a aratat se executa din lemn metal sau mase plastice functie de numarul de piese care se toarna

3 Executarea formelor si a miezurilor

Realizarea formelor de turnare poarta denumirea tehnica de formare si constituie operatia principala de obtinere a pieselor turnate Formarea se executa de obicei in rame de formare metalice de regula se utilizeaza doua rame una superioara si una inferioara despartite printr un plan de separatie in cazul formei asamblate

Pentru realizarea formei de turnare se utilizeaza ca materie prima un amestec de formare constituit din nisip cuartos si un liant argila rasini sintetice etc in diverse proportii

Executarea formei de turnare cuprinde urmatoarele faze tehnologice fig

- pentru semiforma inferioara

fixarea modelului pe o placa metalica

fixarea ramei metalice semirama inferioara pe aceeasi placa de model

umplerea ramei cu amestec de formare

indesarea amestecului de formare peste model si umplerea ramei

intoarcerea ramei cu 180⁰ si extragerea modelului din forma executata

- pentru semiforma superioara

fixarea semimodelului piesei pe placa de model

fixarea modelului retelei de turnare si al maselotelor in palca de model

umplerea formei si extragerea modelelor

Executia miezurilor consta in principiu in introducerea amestecului de miez in cutia de miez indesarea amestecului si extragerea miezului format prin dezasamblarea cutiei de miez

Asamblarea formei de turnare

Aceasta faza tehnologica are scopul de a inchide forma de turnare in vederea introducerii metalului aliajului lichid si consta in urmatoarele operatii

uscarea naturala sau fortata a semiformelor si a miezurilor

vopsirea suprafetei formei si a miezurilor

fixarea miezurilor in cavitatea semiformei inferioare in locasurile special realizate numite marci

fixarea semiformei superioare peste semiforma inferioara prin centrarea acestora cu ajutorul unor bolturi si urechi de centrare si consolidarea formei

fixarea palniei de turnare pe semiforma superioara

Forma astfel pregatita se prezinta ca in fig si este gata pentru turnarea metalului lichid

Fig. 6.5 Sectiune prin ansamblul formei de turnare pentru o piesa tubulara cu doua flanse

5 Turnarea metalului (aliajului) lichid in forma

Faza tehnologica de turnare constituie punctul final in procesul de realizare a componentelor metalice prin acest procedeu Metalul lichid, adus la temperatura de turnare cu ajutorul oalei se toarna in cavitatea formei prin palnie si reteaua de turnare pana la umplerea completa a formei cu metal lichid inclusiv a maselotelor Parametrii tehnologici de turnare, care se refera la viteza de umplere a formei si la temperatura aliajului lichid sunt functie de marimea piesei turnate si de natura aliajului lichid; acesti parametri sunt indicati in literatrura de specialitate pentru fiecare tip de metal sau aliaj.

6 Extragerea piesei metalice din forma de turnare si prelucrarea primara a acesteia

Dupa turnare in forma si racire sub temperatura de 200^oC    componentele metalice se extrag, prin deschiderea sau distrugerea formei, apoi se supun operatiei de curatire primara, care consta in taierea retelei de turnare si a maselotelor si indepartarea amestecului de formare care a aderat la suprafata metalica. Urmeaza prelucrarea suprafetei metalice prin polizare, efectuarea tratamentului termic si apoi operatiile de prelucrare finala prin slefuire, sterilizare, ambalare si conservare.

7 Turnarea de precizie a metalelor si aliajelor

In scopul obtinerii componentelor protetice metalice se aplica procedee de turnare de precizie a pieselor astfel incat piesa turnata sa necesite un volum redus de prelucrari ulterioare Procedeele de turnare de precizie utilizate in domeniul de activitate mentionat se refera la

turnarea in forme coji executate din amestecuri termoreactive

turnarea in forme coji realizate cu modele usor fuzibile

turnarea in forme metalice cochile

7.1 Turnarea in forme coji din amestecuri termoreactive

Turnarea in forme coji din amestecuri termoreactive utilizeaza un amestec alcatuit din nisip cuartos de granulatie fina avand ca liant o rasina sintetica termoreactiva ca bachelita sau novolacul Prin incalzire la C aceste rasini se topesc iar la temperaturi de C se solidifica cu formarea unei cruste coji in jurul modelului Executarea operatiei de formare prin acest procedeu presupune realizarea in prealabil a amestecului termoreactiv nisip rasina sintetica dupa care se executa urmatoarele operatii tehnologice

placa model se incalzeste la C intr un cuptor cu rezistori

se introduce peste modelul preincalzit amestecul de formare intr un strat de mm prin topirea rasinii sintetice pe suprafata modelului se formeaza o coaja de amestec de formare

procesul de intarire, prin polimerizarea cojii, are loc la temperatura de C intr un cuptor electric timp de minute

cojile astfel obtinute sunt extrase de pe placa model si asamblate intr o rama de formare care este apoi umpluta cu amestec de formare obisnuit in vederea consolidarii exterioare a formelor coji

Miezurile din amestec termoreactiv se obtin prin aceleasi faze tehnologice folosind cutii de miez metalice in care se introduce amestec termoreactiv Forma si miezurile astfel obtinute sunt asamblate intr o forma de turnare in care se toarna aliajul lichid, conform procedurii prezentate Fazele tehnologice ale procedurii sunt prezentate in schema din fig

7.2 Turnarea in forme coji cu modele fuzibile

Este de asemenea un procedeu de turnare de precizie la care spre deosebire de procedeul precedent formele coji obtinute nu au plan de separatie si se pot obtine piese de complexitate foarte ridicata Procesul tehnologic de obtinere a pieselor turnate prin acest procedeu consta din urmatoarele faze tehnologice

a)      Executarea modelelor usor fuzibile prin presarea amestecului fuzibil intr o matrita metalica avand configuratia piesei Dupa cca minute se deschide matrita si se scot modele care sunt racite fortat pentru a se intari

b)      Inciorchinarea modelelor fuzibile prin asociere intr o retea de turnare comuna In acest mod se pot obtine mai multe piese printr o singura operatie de turnare

c)      Executarea formelor coji cuprinde urmatoarele faze de lucru

degresarea prin introducerea ciorchinelui intr o baie de apa calda cu sapun, in scopul maririi aderentei vopselei refractare pe modele;

scufundarea ciorchinelui intr o vopsea refractara coloidala alcatuita din nisip fin granulat si silicat de sodiu ca liant

introducerea ciorchinelui intr o solutie de clorura de amoniu care favorizeaza precipitarea unui gel de silice pe suprafata modelelor fuzibile conform reactiei

Na₂O mSiO₂ 2NH₄Cl → m SiO₂ 2NH₃ H₂O + 2NaCl

Gel

Ciorchinele s a acoperit astfel cu un prim strat refractar pentru a se realiza grosimea necesara a formelor coji ciorchinele se acopera cu 3-5 asemenea straturi refractare prin repetarea scufundarilor in vopsea dupa care formele coji se usuca in curent de aer cald timp de ore

d)     Eliminarea modelelor fuzibile din formele coji prin introducerea acestora intr un mediu cald abur sau aer cand amestecul fuzibil se topeste si se recupereaza

e)      Uscarea formelor coji timp de ore la temperaturi de C

f)       Impachetarea si calcinarea formelor coji se face pentru consolidarea formelor si consta din introducerea acestora in rame metalice cu nisip Calcinarea are loc intr un cuptor electric la temperaturi de C in scopul arderii urmelor de amestec fuzibil si finalizarii operatiei de intarire a cojii

g)      Turnarea aliajului se face in formele incalzite la cca C la parametrii prestabiliti functie de natura aliajului Schema procesului tehnologic de formare in forme coji cu amestec usor fuzibil este prezentata in fig

Fig. 6.7 Schema tehnologica de obtinere a formelor-coji cu modele usor fuzibile

a) matrita de turnare care contine modelul fuzibil; b) modelul fuzibil rezultat; c) modelele fuzibile asamblate in ciorchine, inclusiv reteaua de turnare; d) forma coaja pregatita pentru turnare

In cazul turnarii elementelor metalice pentru proteze cand sunt impuse restrictii severe de puritate elaborarea aliajului si turnarea se realizeaza in instalatii cu atmosfera controlata vid sau argon si deci turnarea in acest caz se face direct din creuzetul cuptorului in incinta instalatiei de topire in care este introdusa forma de turnare

h)      Dezbaterea si curatirea pieselor turnate are loc dupa racirea aliajului turnat cand formele coji se distrug in scopul extragerii pieselor si cuprinde operatiile

golirea nisipului de impachetare in scopul refolosirii pentru o noua formare

dezbaterea ciorchinelor de piese si recircularea amestecului de formare

curatirea pieselor obtinute in scopul eliminarii retelei de turnare si a aderentelor de amestec de formare

verificarea dimensionala a pieselor obtinute cele cu defecte se repara sau sunt dirijate la o noua topire piesele bune sunt curatite avansat slefuite si pregatite pentru utilizare in protezare

Materialele utilizate la confectionarea modelelor usor fuzibile trebuie sa indeplineasca anumite conditii tehnice ca

temperatura de topire joasa pentru a se topi si turna usor in cochila si apoi pentru a se evacua din forma coaja

rezistenta mecanica suficienta dupa solidificare pentru a nu se altera la manipulari

cost cat mai redus

coeficient de contractie la solidificare si racire cat mai redus

sa nu contina impuritati care ar putea fi antrenate in piesele turnate

Compozitia unor amestecuri utilizate pentru realizarea modelelor usor fuzibile sunt prezentate in tabelul

Tabel 6.4 Compozitia unor amestecuri de materiale pentru modele fuzibile

6.3 Turnarea in forme metalice este un procedeu modern care se recomanda a fi practicat in cazul fabricatiei de piese in serie mare Acest procedeu prezinta cateva avantaje majore in comparatie cu procedeele de turnare in amestec de formare si anume

sunt eliminate operatiile de formare

structura pieselor turnate este mai fina datorita vitezei mari de racire a aliajului in cochila

ciclul de fabricatie este scurt

indicele de utilizare a metalului lichid este superior procedeelor de turnare in amestec

Forma metalica numita in practica turnarii cochila se executa din diverse metale aliaje ca otel fonta aliaje de aluminiu prin operatii de turnare forjare si prelucrari mecanice

Dimensionarea si realizarea cochilei se face in functie de piesa ce urmeaza a fi turnata conform datelor de mai jos (tabelul 6.5) prezentate pentru grosimea peretilor

Tabelul 6.5 Corelatia dintre peretele piesei turnate si peretele cochilei

In constructia formei metalice elementele constructive se refera la urmatoarele aspecte

dimensionarea grosimii peretilor

evacuarea aerului si gazelor din forma

inchiderea si deschiderea semiformelor

extragerea piesei turnate si a miezurilor

Dimensiunile de gabarit ale cochilei sunt determinate de dimensiunile piesei turnate la care se adauga grosimea peretilor data conform tabelului de mai sus

Evacuarea gazelor din cochila avand in vedere ca aceasta nu este permeabila la gaze se realizeaza prin canale de aerisire practicate in peretii formei

Sectiunea canalelor de aerisire se determina practic cu relatia

, in m²

unde:

G_m - debitul de metal turnat in forma;

Wg - viteza gazelor evacuate pe durata turnarii, data de relatia:

, in m/s, unde:

μ - coeficient de debit evacuare gaze (0.8 - 1.0)

g - acceleratia gravitationala, in m/s2;

Δp - diferenta dintre presiunea gazelor din forma si presiunea atmosferica egala cu cca. 1/10 din presiunea hidrostatica a aliajului turnat;

- greutatea specifica a gazelor calde.

Inchiderea si deschiderea formelor metalice se asigura in planele de separatie ale cochilei, cu ajutorul unor dispozitive specifice, ca: stifturi, cleme, suruburi sau contragreutati.

Constructia retelei de turnare in forma metalica trebuie sa asigure aceleasi functii ale procesului ca si in cazul altor procedee de turnare si anume

repartizarea optima a aliajului in cavitatea formei

eliminarea gazelor din forma si retinerea zgurei

asigurarea debitului si vitezei de turnare pentru umplerea constanta a formei

Reteaua de turnare se realizeaza prin aceleasi procedee ca si cavitatea cochilei in plus canalele retelei se protejeaza cu materiale refractare pentru prevenirea erodarii termice de catre aliajul turnat si pentru mentinerea in stare lichida a aliajului in retea pana la solidificarea piesei turnate

Pentru realizarea efectiva a turnarii in forme metalice se recomanda utilizarea unor nomograme si relatii stabilite empiric in scopul asigurarii parametrilor optimi de turnare Astfel timpul de turnare se calculeaza cu relatia

, in sec.

unde M - masa piesei turnate, in kg.

Sectiunea canalului alimentator de intrare a metalului in cavitatea formei se determina cu relatia:

, in m²

unde:

W_a - viteza de curgere metal in forma, in m/s;

ρ_m - greutatea specifica a metalului in kg/m³;

t - timpul de umplere a formei, in secunde.

In fig. 6.8 se prezinta schema unei forme metalice cu elementele sale componente

Piesele turnate in forme metalice se caracterizeaza prin structura si proprietati mecanice superioare celor turnate in amestecuri de formare datorita in primul rand vitezei mai mari de racire a aliajului turnat in forma avand in vedere conductibilitatea termica mare a peretilor cochilei Procedeul este des utilizat in practica fabricarii elementelor protetice metalice.