Što je postupak lijevanja u pijesak? Kako radi i izrađeni dijelovi

Lijevanje u pijesku je postupak lijevanja metala u kojem se rastaljeni metal ulijeva u šupljinu kalupa formiranu zbijanjem pijeska oko uzorka željenog dijela. Nakon što se metal skrutne, pješčani kalup se razbija kako bi se otkrio gotov odljev. To je najraširenija metoda lijevanja u svijetu, koja čini više od 70% svih metalnih odljevaka proizvedenih u svijetu , a sposoban je proizvesti dijelove u rasponu od nekoliko grama do desetaka tisuća kilograma. Njegova dominacija dolazi od niskih troškova alata, široke kompatibilnosti materijala i mogućnosti lijevanja vrlo složenih geometrija koje bi bilo teško ili nemoguće obraditi iz čvrstog materijala.

Proces lijevanja u pijesak: korak po korak

Lijevanje u pijesak slijedi definirani slijed operacija. Svaki korak izravno utječe na točnost dimenzija, kvalitetu površine i strukturni integritet gotovog dijela od pijeska.

1. Izrada uzorka: Uzorak — replika željenog dijela — stvara se od drva, plastike, aluminija ili epoksida. Uzorak je malo prevelik kako bi se uračunalo skupljanje metala tijekom skrućivanja (obično 1-2% za željezo, do 2,5% za aluminij). Kutovi gaza od 1-3 stupnja dodani su okomitim površinama kako bi se uzorak mogao čisto izvući iz pijeska.
2. Priprema kalupa: Uzorak se stavlja u dvodijelni metalni ili drveni okvir koji se naziva pljoska (gornja polovica je "kopča", donja polovica "drag"). Posebno formuliran pijesak za kalupljenje - obično silikatni pijesak povezan s glinom i vodom (zeleni pijesak) ili kemijskim vezivom - čvrsto je upakiran oko uzorka u obje polovice. Pijesak mora biti dovoljno kompaktan da zadrži svoj oblik, ali dovoljno propustan da omogući izlazak zarobljenih plinova tijekom izlijevanja.
3. Postavljanje jezgre (ako je potrebno): Za dijelove s unutarnjim šupljinama ili udubljenjima—kao što su blokovi motora, kućišta pumpi ili šuplji nosači—pješčane jezgre stavljaju se u šupljinu kalupa prije nego što se dvije polovice sastave. Jezgre se izrađuju zasebno od pijeska spojenog smolnim vezivom i pečene da očvrsnu.
4. Sastavljanje kalupa: Uzorak se uklanja s obje polovice, ostavljajući negativan otisak dijela u pijesku. Nosač i kočnica su sastavljeni i stegnuti ili utezima zatvoreni. Sustav zatvarača—lijevci, vodilice i vrata—usmjeravaju rastaljeni metal u šupljinu, dok usponi osiguravaju spremnik tekućeg metala za kompenzaciju skupljanja dok se odljevak skrućuje.
5. Topljenje i prelijevanje: Metal (željezo, čelik, aluminij, bronca, mjed ili druga legura) se topi u peći i dovodi do pravilne temperature za izlijevanje. Aluminij se obično lije na 680–760 (prikaz, stručni).°C (1256–1400°F) ; sivo željezo na 1370–1480°C (2500–2700°F) . Rastaljeni metal se ravnomjerno ulijeva u kanal kako bi se smanjila turbulencija, oksidacija i zarobljavanje plina.
6. Stvrdnjavanje i hlađenje: Metal ispunjava šupljinu i počinje se skrućivati. Vrijeme hlađenja varira od minuta za male aluminijske dijelove do sati za velike željezne odljevke. Brzina hlađenja utječe na strukturu zrna i mehanička svojstva—kontrolirano hlađenje proizvodi finije, jače zrno.
7. Shakeout: Nakon što se skrutne, kalup se razbija na vibracijskom stroju za istresanje ili ručno. Pijesak se odvaja od odljevka i – u sustavima zelenog pijeska – obnavlja i reciklira za ponovnu upotrebu, s tipične stope iskorištenja pijeska od 85–95% .
8. Čišćenje i završna obrada: Vrata, usponi i lamele (tanke metalne peraje na linijama razdvajanja) uklanjaju se rezanjem, brušenjem ili piljenjem. Površina odljevka se čisti pjeskarenjem ili vrtanjem kako bi se uklonio zalijepljeni pijesak. Toplinska obrada, strojna obrada i površinsko premazivanje primjenjuju se prema zahtjevima specifikacije dijela.

Vrste sustava pijeska i kalupa koji se koriste u lijevanju u pijesak

Ne koriste svi lijevci u pijesku istu vrstu pijeska ili sustava veziva. Odabir materijala za kalupljenje izravno utječe na točnost lijevanja, završnu obradu površine i brzinu proizvodnje.

Zeleni pijesak je najekonomičniji sustav i dominira ljevaoničkom proizvodnjom velikih količina. Sustavi bez pečenja i sustavi s pijeskom u ljusci koštaju više po kalupu, ali daju strože tolerancije i bolju površinsku obradu, što ih čini preferiranim izborom za preciznost dijelovi za lijevanje u pijesku u zrakoplovnoj, automobilskoj i hidrauličkoj primjeni.

Koji se dijelovi izrađuju lijevanjem u pijesku?

Lijevanje u pijesak proizvodi širok raspon komponenti u gotovo svakoj industriji. Njegova sposobnost lijevanja gotovo bilo kojeg metala u gotovo svim veličinama čini ga jedinstveno svestranim u usporedbi s drugim proizvodnim procesima.

Automobilizam i prijevoz

• Blokovi motora i glave cilindra (sivo željezo, aluminij)
• Kućišta mjenjača i kućišta diferencijala
• Kočione čeljusti, zglobovi i nosači ovjesa
• Usisne grane i ispušne grane

Industrijski strojevi i oprema

• Kućišta pumpi, impeleri i tijela ventila
• Kućišta mjenjača i ležajeva
• Baza alatnih strojeva, kreveti i stupovi (često sivo željezo za prigušivanje vibracija)
• Tijela kompresora i hidrauličkih cilindara

Zrakoplovstvo i obrana

• Strukturni nosači i kućišta od aluminijskih i magnezijevih legura
• Komponente stajnog trapa i kućišta aktuatora
• Okviri za montažu radara i antena

Izgradnja i infrastruktura

• Poklopci šahtova i odvodne rešetke (nodularno željezo)
• Priključci za cijevi, prirubnice i tijela ventila
• Arhitektonska bravarija i ukrasna okova

Energija i more

• Čvorišta vjetroturbina i okviri gondola (neki preko 20 000 kg)
• Brodski propeleri i komponente kormila od bronce ili nehrđajućeg čelika
• Kućišta parnih i plinskih turbina

Materijali kompatibilni s lijevanjem u pijesak

Jedna od najvećih prednosti lijevanja u pijesak u odnosu na konkurentske postupke je njegova gotovo univerzalna kompatibilnost materijala. Za razliku od lijevanja pod pritiskom, koje je uglavnom ograničeno na legure obojenih metala, lijevanjem u pijesak može se obraditi gotovo svaki metal koji se može lijevati.

Prednosti i ograničenja lijevanja u pijesak

Ključne prednosti

• Niska cijena alata: Jednostavan drveni uzorak za pješčani kalup može koštati samo 500 – 2000 USD, u odnosu na 50 000 – 200 000 USD za alat za tlačni lijev. To čini lijevanje u pijesku vrlo isplativim za prototipove, male količine i velike dijelove.
• Nema ograničenja veličine: Lijevanjem u pijesak mogu se proizvesti najmanji ručni nosači kao i najveće industrijske komponente. Čvorišta vjetroturbina teška preko 20 metričkih tona rutinski se lijevaju u pijesku.
• Složena unutarnja geometrija: Upotreba pješčanih jezgri omogućuje proces stvaranja zamršenih unutarnjih prolaza, udubljenja i šupljih dijelova koji se ne mogu postići s većinom drugih metoda lijevanja.
• Univerzalna metalna kompatibilnost: Pješčani kalupi podnose visoke temperature lijevanja čelika i željeza koje bi uništile trajne metalne kalupe, čineći lijevanje u pijesak jedinom praktičnom opcijom za mnoge željezne legure.
• Brza iteracija dizajna: Preinake šablona su jeftine i brze u usporedbi s tvrdim izmjenama alata, čineći lijevanje u pijesak idealnim tijekom razvoja proizvoda.

Ključna ograničenja

• Završna obrada površine: Odljevci od zelenog pijeska obično postižu površinsku hrapavost od Ra 12–25 µm—znatno grublje od lijevanja pod pritiskom (Ra 1–2 µm) ili investicijskog lijevanja (Ra 1,6–3,2 µm). Sekundarna strojna obrada potrebna je za brtvene površine, provrte ležajeva i druga funkcionalna područja.
• Tolerancije dimenzija: Standardno lijevanje u pijesku postiže tolerancije od ±0,5–1,5 mm na većini dimenzija. Strože tolerancije zahtijevaju kalupljenje ljuske ili strojnu obradu nakon lijevanja.
• Rizik od poroznosti: Plinska poroznost i poroznost skupljanja su inherentni rizici kod lijevanja u pijesak. Odgovarajući dizajn zatvarača, tretman otplinjavanjem (za aluminij) i kontrolirano skrućivanje smanjuju ih, ali ih ne uklanjaju.
• Niža stopa proizvodnje od lijevanja pod pritiskom: Pješčani kalupi uništavaju se nakon svakog lijevanja i moraju se ponovno izraditi za sljedeći lijev. Automatizirane linije za zeleni pijesak mogu postići velike količine, ali vremena ciklusa su duža od vremena lijevanja pod pritiskom za ekvivalentne veličine dijelova.

Lijevanje u pijesku u odnosu na druge postupke lijevanja: Kada odabrati lijevanje u pijesak

Odaberite lijevanje u pijesak kada: dio je velik ili težak, legura je željezo (željezo ili čelik), obujam proizvodnje ne opravdava velika ulaganja u alate, geometrija uključuje složene unutarnje značajke ili se dizajn još uvijek ponavlja. Za dijelove od obojenih metala vrlo velikog volumena, uske tolerancije, lijevanje pod pritiskom ili trajno lijevanje u kalupe u konačnici će ponuditi nižu cijenu po dijelu.

Standardi kvalitete i inspekcija dijelova od pijeska

Dijelovi za lijevanje u pijesak namijenjeni za konstrukcijske primjene, primjene pod pritiskom ili sigurnosne kritične primjene moraju ispunjavati definirane standarde kvalitete. Uobičajeni kriteriji inspekcije i prihvaćanja uključuju:

• Provjera dimenzija: Koordinatni mjerni strojevi (CMM) ili ručno mjerenje potvrđuju zadovoljavaju li odljevci tolerancije crtanja, koje se obično drže ASTM A802 ili ISO 8062-3 stupnjevi tolerancije lijevanja (CT stupnjevi).
• Vizualni i površinski pregled: Odljevci se ispituju na površinske nedostatke, uključujući hladna zatvaranja, neispravan rad, šupljine skupljanja i uključke pijeska prema ASTM E125 ili ekvivalentnim vizualnim referentnim standardima.
• Radiografsko ispitivanje (RT): Pregled rendgenskim ili gama-zrakama otkriva unutarnju poroznost i nedostatke skupljanja. Kritični odljevci kao što su tijela tlačnih posuda i zrakoplovne komponente rutinski se radiografiraju ASTM E94 ili ASME odjeljak V standardima.
• Ultrazvučno ispitivanje (UT): Koristi se za otkrivanje nedostataka ispod površine u odljevcima debelog presjeka gdje je radiografija nepraktična.
• Mehanička ispitivanja: Probne šipke lijevane uz proizvodne dijelove strojno se obrađuju i ispituju na vlačnu čvrstoću, granicu tečenja, istezanje i tvrdoću kako bi se potvrdilo da legura i toplinska obrada zadovoljavaju zahtjeve specifikacije.