TEMA 1. INTRODUCERE. TEHNOLOGIA OBŢINERII PIESELOR TURNATE ÎN

DIVERSE FORME DE TURNARE

1.1. Însemnătatea şi metodica de predare a disciplinei “Tehnologia materialelor”.1.2. Esența executării pieselor turnate în construcţia de maşini agricole. Succesiunea procesului tehnologic de obţinere a pieselor turnate în forme temporare;1.3. Modelul complet şi bazele proiectării lui;1.4. Amestecuri de formare şi miezuri, proprietăţile şi executarea lor;1.5. Formarea în forme temporare de nisip; Turnarea materialului lichid şi dezbaterea formelor de turnare.

1.1. Însemnătatea şi metodica de predare a disciplinei “Tehnologia materialelor”

Disciplina "Tehnologia materialelor" este ştiinţa aplicativă care studiază transformările la

care sunt supuse materiile prime, materialele şi semifabricatele prin procesul tehnologic de lucru,

având ca scop obţinerea de produse finite, în condiţii tehnico–economice optime.

Tehnologia materialelor constituie un factor activ în dezvoltarea şi perfecţionarea

mijloacelor de producţie, în dezvoltarea şi evoluţia forţelor de producţie.

În procesul de producţie a muncii, omul acţionează cu mijloace de muncă (utilaje, maşini de

lucru, dispozitive, scule etc.) asupra obiectelor muncii (materiale, piese, semifabricate etc.), obţinând

produsele finite. Obţinerea produselor este rezultatul unui proces de producţie, care îmbină toată

activitatea unei întreprinderi.

Şirul de transformări, la care sunt supuse resursele naturale pentru a ajunge la produse

finite, constituie procesul tehnologic de fabricaţie.

Elementul de bază a procesului tehnologic îl constituie operaţia tehnologică, partea

integrantă a procesului tehnologic de lucru limitată în timp, efectuată de către unul sau mai mulţi

muncitori, la un singur loc de muncă, asupra unuia sau mai multor materiale sau semifabricate.

Principalii factori care influenţează alegerea proceselor tehnologice sunt:

Seria de fabricaţie;

Precizia dimensională şi calitatea suprafeţelor;

Nivelul standardizării şi tipizării etc.

Seria de fabricare poate fi: serie individuală, serie mijlocie şi producţie de masă.

Precizia dimensională se referă la gradul de respectare a indicaţiilor din documentaţia

tehnică de proiectare, a toleranţelor privind forma, dimensiunea, poziţia relativă şi rugozitatea

suprafeţei.

Calitatea suprafeţelor prelucrate se referă la abaterile de la suprafaţa geometrică ideală,

stabilită prin documentaţia tehnică de execuţie.

Prin standardizare se înţelege procesul de stabilire şi aplicare a unor

norme, în scopul introducerii ordinii într-un domeniu de activitate dat în

interesul şi cu colaborarea tuturor părţilor interesate, având în vedere

promovarea progresului tehnic, ţinând cont de condiţiile funcţionale ale

produselor.

Activitatea de conducere

Pregătirea tehnico – economică - organizatorică

Pregătirea a procesului de bază şi anexe

Procese auxiliare

Procese de deservire Procese de fabricareProcese de producţie Procese de bază Procese

tehnologice de lucru

Procese de reparare

Procese anexe Procese de control

Livrare a produselor

Fig. 1.1. Structura procesului tehnologic de producţie.

O evoluție superioară a reglementărilor cu privire la calitatea produselor este tipizarea, cu

două funcţii principale: selectivă şi constructivă.

Cunoaştere, aplicare şi înţelegere:

- bazele teoretice şi practice ale tehnologiei materialelor la realizarea soluţiilor constructive;

- conceperea, proiectarea şi elaborarea proceselor tehnologice de executare şi recondiţionare

a pieselor utilizate în construcţia de maşini agricole.

- alegerea materialului şi a metodelor, procedeelor şi SDV-urilor de prelucrare, îmbinare şi

control;

- conceperea, elaborarea şi proiectarea tehnologiilor şi utilajelor destinate mecanizării,

electrificării şi automatizării proceselor din agricultură.

Disciplina “Tehnologia materialelor” cuprinde următoarele compartimente:

- executarea pieselor şi semifabricatelor prin turnare;

- executarea pieselor şi semifabricatelor prin deformare plastică;

- asamblarea şi tăierea cu energii locale (prin sudare);

- prelucrarea dimensională a materialelor;

- metode de aplicare a materialelor nemetalice la executarea şi recondiţionarea pieselor

din construcţia de maşini şi aparate utilizate în agricultură.

1.2. Esenţa executării pieselor turnate în construcţia de maşini agricole.

Succesiunea procesului tehnologic de obţinere a pieselor turnate în forme temporare.

Turnarea este una dintre metodele cele mai obișnuite şi mai economice ale tehnicii actuale de

obținere a produselor metalice , motiv pentru care este larg răspândita. Prin turnare se înțelege operaţia de

umplere cu metal lichid a unei forme având cavitatea corespunzătoare geometriei piesei turnate. La

solidificare, va reproduce si va păstra configurația geometrica şi dimensiunile cavitații formei care

reprezintă însăşi piesa de fabricat. La baza proceselor de turnare stă principiul fizic în virtutea căruia

orice lichid ia forma vasului pe care îl conține.

Forma de turnare este ansamblul metalic sau nemetalic care cuprinde una sau mai multe cavităţi

care prin umplere cu metal lichid şi solidificare, va da una sau mai multe piese turnate.

Pereții exteriori ai cavității materializează configurația exterioara a piesei, iar miezurile

materializează configurația interioara a piesei, montându-se în forma pe unele prelungiri denumite mărci.

În funcție de natura pieriților cavității şi de numărul de utilizări, formele se împart în trei părţi:

– temporare;

– semipermanente;

– permanente.

Prelucrarea materialelor metalice prin turnare, este o ramură a industriei constructoare de maşini,

care se ocupă cu obţinerea de piese fasonate sau organe de maşini, pe calea turnării metalului lichid într-o

formă specială, a cărei cavitate reproduce configuraţia geometrică şi la dimensiuni a piesei de fabricat.

Formele temporare sunt construite din amestecuri de formare, acestea având in componenta nisip

şi lianți. Ele se utilizează o singura data distrugându-se în momentul dezbaterii pentru scoaterea piesei,

iar materialul de formare fie se recuperează fie şi pierde complet.

Constituie metoda fundamentala de fabricare a pieselor prin turnare, iar cele mai importante

procedee în forme temporare sunt: turnarea în forme din amestec de formare bazate pe nisip şi lianți,

turnarea in forme coji, turnarea in modele ușor fuzibile şi turnarea în forme întărite CO2.

Turnarea reprezintă metoda tehnologică de executare a unei piese prin solidificarea unei

cantităţi determinate de metal lichid, introdus într-o cavitate de configuraţie şi dimensiuni

corespunzătoare a unei forme de turnare. La baza procesului de turnare stă principiu fizic, că orice lichid

ocupă forma vasului care îl conţine.

Principalele avantaje ale procesului de turnare sunt: posibilitatea realizării unor piese de

geometrie complexă cu cavităţi interioare şi pereţi subţiri şi costul mai redus al pieselor turnate în raport

cu costul pieselor obţinute prin alte metode de prelucrare, în special în producţia de serii şi de masă.

Schema procesului tehnologic de turnare în forme temporare din amestecuri de formare este

reprezentată în figura 2.1.

Executarea modeluluişi a cutiei de miez

Pregătirea amestecurilor de turnare

Pregătirea amestecului pentru miezuri

Elaborarea aliajelor metalice prin topire

Executarea formelor Executarea miezurilorTransportul metalului topit în oale de turnare

la forme pregătiteUscarea formelor Uscarea miezurilor

Asamblarea formelor şi turnarea metalului lichid în forme

Dezbaterea formelor şi degajarea pieselor turnate

Îndepărtarea reţelei de turnare a maselotelor şi a bavurilor

Dezbaterea miezurilor din piese

Curăţirea pieselor turnate

Remanierea pieselor defecte

Tratamentul termic al unor piese

Controlul şi recepţia pieselor turnate

Fig. 1.2. Schema procesului tehnologic de turnare în forme temporare.

Statistica arată că 50…70% din totalitatea pieselor utilizate în construcţia de maşini se obţin

prin turnare. Producţia de piese turnate creşte continuu, într-un ritm apropiat de cel al producţiei de

maşini, urmărindu-se mărimea preciziei şi îmbunătăţirea calităţii suprafeţelor în scopul reducerii şi

respectiv eliminarea prelucrărilor mecanice ulterioare.

Prin turnare se fabrică piese metalice cu masa de la câteva grame până la 300 tone, cu lungimi

de la câţiva centimetri până la 20 m, cu grosime de perete de la 0,5 până la 500 mm (blocul motor al

cilindrilor, pistoanele, arborii cotiţi, corpul şi capacul reductoarelor, roţi dinţate, batiuri de maşini – unelte

pentru aşchiere, batiuri pentru laminoare, palete de turbină, corpul şi capacul cutiilor de viteze etc.)

Metoda de turnare cuprinde o serie de operaţiuni în succesiunea logică, trecând de la formă şi

asamblarea ei, elaborarea şi turnarea metalului, până la obţinerea piesei solide cu distrugerea formei şi

efectuarea controlului tehnic şi recepţiei pieselor turnate.

Operaţiile principale legate de executarea pieselor turnate sunt: executarea formelor şi

miezurilor, elaborarea metalelor sau aliajelor în stare lichidă, turnarea metalului pentru umplerea cavităţii

formei, solidificarea pieselor în formă, curăţirea pieselor turnate, tratamentul termic şi în final, controlul

şi recepţia pieselor turnate.

Fabricarea pieselor prin turnarea în forme din amestec de nisip este cea mai universală metodă,

caracterizată de faptul că se aplică tuturor tipurilor de metale şi aliaje şi prin orice tip de piesă.

1.2. Modelul complet şi bazele proiectării lui

Inventarul de modele, reprezintă un ansamblu de elemente şi dispozitive necesare executării

formelor şi miezurilor în care ca regulă intră: modelul piesei; placa de model; cutii de miez; modele

ale elementelor reţelei de turnare etc.

Contracţia la solidificare este proprietatea materialelor metalice de a-şi micşora volumul în

timpul solidificării.Contracţia specifică este valoarea procentuală a contracţiei metalului din

momentul umplerii formei până la atingerea temperaturii ambiante.

Tabelul 1.1.

Valorile contracţiei liniare k, pentru aliajele turnate uzuale

Aliajul K[%] Aliajul K[%] Aliajul K[%]

Fonta cenuşie 1,00 Oţel manganos 2,50 Al-Cu 1,25

Fonta maleabilă 1,50 Oţel silicios 1,88 Si-Al 1,00

Fontă grafit nodular 1,25 Bronz Sn 1,25 Aliaje Mg 1,25

Oţel carbon 2,00 Bronz Al 1,50 Aliaje Zn 1,50

Modelul reprezintă reproducerea aproape exactă, din lemn sau metal, a piesei de turnat, cu

ajutorul căruia se obţin formele în amestecul de formare. Modelul este supradimensionat faţă de

piesa de turnat, ţinând cont de următoarele:

- coeficientul de contracţie al metalului la solidificare şi la răcire, care pentru fonta cenuşie

este 0,7…1%, pentru fonta nodulară 0,5…1%, pentru fonta maleabilă 1…1,5%, pentru oţeluri

carbon şi aliate 1,5…2,2%, aliaje de aluminiu 0,8…1,5%;

- adaosurile de prelucrare reprezintă surplusurile de metal prevăzut la suprafeţele care

urmează să fie prelucrate prin aşchiere. Aceste adaosuri sunt standardizate (GOST 1592/1 şi 1592/2–

74, GOST 6287–80).

După aceste condiții, orice dimensiune se calculează cu relaţia:

Lm = Lp[1+α(ts – ta)]

în care:

Lm, Lp sunt dimensiunile liniare ale modelului, respectiv ale piesei;

α – este coeficientul mediu de contracţie ale metalului turnat;

ts – temperatura de solidificare a aliajului;

ta – temperatura ambiantă (200C).

Fig. 1.3. Elemente de proiectare a modelului: a – desenul de execuţie a piesei; b – desenul de execuţie a piesei turnate; c – desenul de execuţie al modelului; d – desenul de execuţie a miezului; 1-

mărci de miez; 2- înclinaţii pentru demulare; 3 – cepuri; ap – adaos de prelucrare mecanică; t* - toleranţa la dimensiuni.

Părţile componente principale ale unei forme de turnare sunt:

– reţeaua de turnare, care reprezintă ansamblu canalelor ce servesc la introducerea

metalului lichid în cavitatea formei;

– cavitatea formei, în care prin solidificarea metalului lichid introdus, se obţine configuraţia

exterioară a piesei turnate; configuraţia şi dimensiunile dorite ale golurilor interioare ale piesei se

obţin cu ajutorul miezurilor;

– maselota, parte de acumulare a unei cavităţi determinate de metal lichid, utilizată pentru

completarea contracţiei metalului din cavitatea formei în timpul răcirii şi solidificării.

Reţeaua de turnare este ansamblul de canale prin care materialul topit pătrunde în cavitatea

de turnare. Pentru formarea reţelei de turnare se utilizează modele corespunzătoare.

Răsuflăturile denumesc ansamblul de canale special executate în forma ed turnare prin care

se asigură eliminarea aerului şi a gazelor rezultate la turnare .

Modelul este elementul folosit la formare, având configuraţie şi dimensiuni apropiate de cele

ale piesei turnate.El se execută din una,două,(semimodele) sau mai multe părţi,în funcţie de

configuraţia geometrică a piesei.

Miezul este o parte distinctă a formei de turnare, cu ajutorul căruia se obţine configuraţia

interioară a pieselor turnate.

În construcţia formei de turnare mai pot interveni pâlnii şi canale de aerisire, pentru evacuarea

gazelor pătrunse în cavitatea formei, precum şi răcitori, pentru accelerarea locală a răcirii şi

solidificării metalului.

Modelele sunt dispozitivele cu ajutorul cărora se imprimă în amestecul de formare cavitatea

formei corespunzătoare configuraţiei exterioare a piesei de turnat.

Principiile constructive ale modelul sunt că modelul trebuie astfel conceput, încât să permită

realizarea formei, extragerea sa (demularea) uşoară din formă, fără deteriorarea formei şi asamblarea

corectă a elementelor de formă, inclusiv a miezului, astfel:

a) îndesarea amestecului pe model şi extragerea modelului din formă se execută pe aceeaşi

direcţie;

b) pentru a nu se lipi amestecurile de formare de suprafaţa modelului, modelele se

prelucrează îngrijit pe suprafeţele lor active;

c) toate suprafeţele paralele cu direcţia de scoatere a modelului se execută uşor înclinate,

evitându-se totodată şi frecarea inutilă şi periculoasă dintre model şi formă;

d) toate unghiurile diedre sau poliedre vor fi racordate cu raze de racordare;

e) alegerea planului de separaţie a modelului, care este şi a formei. Dacă este posibil, ca

planul să fie unic şi de simetrie;

f) pentru asigurarea preciziei de contur geometric a piesei şi nedeplasare la semiformă,

modelul se asamblează pe plane de separaţie asigurându-se o centrare corespunzătoare, care se face

cu cepuri şi contra cepuri;

g) modelele pentru piese cu goluri se completează şi cu mărci, care au rolul de a crea în

formă suprafeţe de sprijin şi centrare a miezurilor.

Modelele şi cutiile de miez pentru fabricaţia unicat şi de serie se execută din lemn, iar pentru

producţia de masă din fontă, aliaje de aluminiu şi mase plastice.

Din punct de vedere constructiv modelele pot fi simple utilizat la formarea manuală, sau

complexe compus din modelul propriu–zis, placa de model şi anexele pentru reţeaua de turnare şi

maselote, care se utilizează la formarea mecanică.

Fig. 1.4. Modelul folosit pentru realizarea cavității de turnare a unei piese din fig. 1.3.

1 – mărci; 2 – adausul de înclinare; 3 – raze de racordare; XX – suprafaţa de separaţie.

Fig. 1.5. Cutia miez:1 – cavitatea cutiei de miez; 2 – suprafaţa de separaţie; 3 – cepuri; 4 – orificii de ghidare.

Materiale folosite cel mai frecvent la confecţionarea modelelor sunt: lemnul sau metalul (aliaje

de aluminiu, bronz, fontă). Mai rar se folosesc: gipsul, masele plastice, cimentul. Pentru a le proteja

de umiditate şi a le masca, modelele se vopsesc în culori convenţionale de identificare. Astfel pentru

piesele din fontă se foloseşte culoarea roşie, pentru piesele din oţel albastru, iar pentru neferoase

culoarea galben.

Miezurile sunt utilizate pentru a obţine configuraţia interioară a pieselor turnate şi se pot folosi

miezuri permanente sau temporare.

1.4. Amestecuri de formare şi miezuri, proprietăţile şi executarea lor

Prin materiale de formare, se înţelege un conglomerat de materiale naturale şi artificiale,

care alcătuieşte după caz amestecul pentru executarea formelor şi respectiv amestecul pentru

executarea miezurilor.

Pentru executarea formelor şi a miezurilor ca materie primă de bază se foloseşte în special

nisipul cuarţos, iar ca liant diverse sorturi de argilă, se mai utilizează amestecuri alcătuite din nisip

de carieră, lianţi, adausuri speciale şi alte substanţe. Amestecurile de formare trebuie să posede o

serie de proprietăţi cum sunt:

- plasticitate suficientă pentru a se modela uşor. Plasticitatea creşte cu conţinutul de apă, de

argilă şi lianţi, precum şi folosirea unor nisipuri cu granulaţie mai fină;

- rezistenţă mecanică corespunzătoare, pentru a suporta presiunea exercitată de metalul

lichid din formă sau solicitările în timpul manipulărilor. Această rezistenţă creşte cu mărirea

conţinutului de argilă şi lianţi şi cu creşterea fineţei granulaţiei;

- permeabilitate pentru a permite degajarea gazelor din forme. Ea creşte cu micşorarea

conţinutului de argilă şi de apă din amestec şi cu creşterea mărimii granulelor de nisip;

- refractaritate pentru a rezista la acţiunile metalului topit. La o refractaritate

necorespunzătoare, amestecul aderă puternic la suprafaţa piesei turnate;

- compresibilitate pentru a ceda efortul de contracţie care apare la solidificarea şi răcirea

piesei turnate, evitându-se formarea crăpăturilor datorită frânării contracţiei;

- durabilitate – proprietate a amestecurilor de a-şi păstra caracteristicile fizice şi tehnologice la

turnările repetate, putând fi refolosite regenerări parţiale.

Nisipurile de turnătorie sunt formate din granule de cuarţ (SiO2) de diferite dimensiuni şi

cantităţi variabile de argilă care joacă rolul de liant, adică după umezire contribuie la lărgirea

granulelor de cuarţ.

Amestecurile de formare se clasifică în:

amestecuri model;

amestecuri de umplutură;

amestecuri unice.

Amestecurile pentru miezuri fiind de o calitate mult mai bună decât cele de formare, se obţin

din nisip cuarţos spălat, fără argilă, la care se adaugă un liant de calitate superioară, de exemplu

uleiul de in, leşii sulfitice etc.

Repararea amestecurilor de formare şi pentru miezuri se execută în instalaţii complexe de

pregătire continuă, care execută automat toate operaţiile, inclusiv regenerarea amestecului.

Fig, 1.6. Turnarea în forme temporare din amestec de formare obişnuit

În figura de mai sus se prezintă o formă temporară din amestec de formare obişnuit. Cavitatea

de turnare - 1 are configuraţia piesei - 1, care se toarnă. Miezul - 2, sprijinit pe mărcile 3, determină

configuraţia interioară a piesei 2. Reţeaua de turnare - 4 serveşte la introducerea metalului sau

aliajului lichid în formă, iar canalele de aerisire 5 şi răsuflătorile 6 sunt necesare pentru evacuarea

gazelor. Ramele - 7 şi 8 sunt umplute cu amestec de formare îndesat, amestec de model - 9 lângă

cavitate şi amestec de umplere – 10 în restul formei. Partea formei, cuprinsă în partea de sus

reprezintă semiforma superioară - 12. Suprafaţa X-X care desparte forma în cele - 2 semiforme se

numeşte suprafaţă de separaţie.

1.5. Formarea în forme temporare de nisip.

Turnarea materialului lichid şi dezbaterea formelor de turnare

Formarea se poate efectua manual şi mecanizat. Formarea manuală se aplică în cazul pieselor

unicate sau de serie mică.

Se deosebesc mai multe variante ale formării manuale, dintre cele mai uzuale enumerându-se:

- formarea în solul turnătoriei;

- formarea în rame cu model secţionat (cu plan de separaţie);

- formarea cu şablonul;

- formarea cu miezuri

- formarea cu nisip şi sticlă solubilă întărit cu CO2.

Formarea în rame este cea mai frecventă metodă folosită, utilizând în funcţie de numărul

suprafeţelor de separaţie două sau mai multe rame. Ramele de formare ce sunt cadre metalice sau din

lemn în care se îndeasă amestecul de formare. Fazele succesive pentru executarea formei sunt:

- se așază semimodelul interior pe o placă de bază, în interiorul ramei interioare de

formare. În jurul modelul se pudrează cu praf de licopodiu pentru evitarea lipirii modelului de

amestecul de formare. Restul golului din ramă se umple şi se îndeasă în straturi succesive cu amestec

de umplere;

- se întorc cu 1800 rama şi semimodelul interior, apoi se fixează, cu ajutorul unor cepuri de

centrare, semimodelul superior;

- se aşează apoi rama superioară peste cea inferioară şi se îmbină cu buloane;

- se perforează amestecul îndesat cu ajutorul unui ac pentru crearea unor canale de

aerisire;

- se desfac ramele şi se extrage modelul.

Transportarea metalului lichid de la agregatul de elaborare la locul de turnare se realizează cu

ajutorul oalelor de turnare, respectiv din oţel, căptuşire din material refractar cu caracteristici

corespunzătoare. Se utilizează două tipuri principale de construcţii ale oalelor de turnare:

– cu golire prin deversare, prin ciocul oalei;

– cu golire pe la fundul oalei, printr-un orificiu din şamotă sau grafit, care poate fi închis sau

deschis cu ajutorul unui dop din acelaşi material.

În timpul turnării pentru a limita acţiunea proceselor de oxidare, antrenările de aer prin frecare

şi pierderile de temperatură, trebuie evitată curgerea materialului lichid în jet deschis şi subţire de la

înălţime mare. Jetul de lichid trebuie menţinut cât mai uniform şi continuu, pentru a se asigura în

permanenţă umplerea complectă a pâlnii de turnare.

Temperatura metalului lichid în timpul turnării, parametru determinat al calităţii piesei

turnată se stabileşte în funcţie de natura materialului şi de masă, complexitatea şi grosimea pereţilor

piesei de turnare. Temperatura de turnare la un material dat variază în limite relativ largi, cum ar fi

de exemplu 1520…16700K pentru fontă cenuşie, 1670…17100K pentru oţeluri carbon şi slab aliate,

1290…14700K pentru bronzuri normale, 950…10500K pentru siluminuri etc.

Topirea materialelor metalice în laborator se face cu un cuptor cu flacără, basculant, a cărui

schemă de principiu este prezentată în figura 7.2. Încărcarea cuptorului se face în proporţii mici, în

cuptorul preîncălzit, astfel încât materialul introdus să nu se oxideze prea mult.

După solidificarea completă şi răcirea până la o temperatură corespunzătoare, funcţie de

materialul şi geometria piesei turnate, formele temporare se distrug în vederea extragerii piesei.

Formele în care sau turnat piese din aliaje cu contracţie liniară mare se dezbat la scurt timp

după solidificare, pentru a preveni a preveni apariţia de crăpături din cauza frânării contracţiei de

către formă, iar răcirea în continuare se face fie în amestec de turnare cald, fie într-un cuptor de

recoacere.

Fig, 1.7. Schema principială a cuptorului basculant:

1 – manetă; 2 – manta metalică;3 – captuşeală refractară; 4 – gura de încălzire; 5 – ventil; 6 - gaze naturale; 7 – aer.