Специальное литье и краткая характеристика: методы, технологии
В вагоностроении многие детали получают с помощью литья, осуществляемого различными способами: в формы — металлические (кокиль), оболочковые, песчаные, самотвердеющие; по выплавленным моделям; под давлением; центробежное и др.
Литье в кокиль (кокильное литье) — способ получения фасонных отливок в металлических формах — кокилях. В кокилях получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых и других сплавов.
Особенно эффективно применение кокильного литья при изготовлении отливок из алюминиевых и магниевых сплавов. Эти сплавы имеют относительно невысокую температуру плавления, поэтому один кокиль можно использовать до десятка тысяч раз.
Для стали этот метод литья находит меньшее применение, чем для цветных металлов.
Литье в оболочковые формы — способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в формах, состоящих из смеси песчаных зерен (обычно кварцевых) и синтетического порошка (обычно фенолоформальдегидной смолы и пульвер-бакелита).
Этим способом изготавливают различные отливки массой до 25 кг.
Преимуществами способа являются значительное повышение производительности по сравнению с литьем в песчаные формы, управление тепловым режимом охлаждения отливки и возможность механизировать процесс.
Литье в песчаные формы — способ получения отливок в разовых формах, изготовленных из песчано-глинистых смесей. Литье в самотвердеющие формы — способ получения отливок, при котором используют литейные формы и стержни, изготовленные из смесей, затвердевающих на воздухе и не требующих сушки и дополнительной обработки внешними реагентами.
Литье по выплавленным моделям — способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в неразъемной, горячей и негазотворной оболочковой форме, рабочая полость которой образована удалением литейной модели выжиганием, выплавлением или растворением — прецизионное литье. Размеры отливок, полученных этим способом, максимально приближены к размерам готовой детали, вследствие чего за счет сокращения механической обработки снижается стоимость готового изделия.
Литье под давлением — способ получения из сталей и сплавов цветных металлов в пресс-формах, которые сплав заполняет с большой скоростью под высоким давлением, приобретая очертания отливки. Литье производят на литейных машинах с холодной и горячей камерами прессования (рис. 13.13).
При получении отливок на машинах с холодной камерой прессования (рис. 13.13, а и б) необходимое количество сплава заливается в камеру прессования вручную или заливочным дозирующим устройством.
Сплав из камеры прессования под давлением поршня через литниковые каналы поступает в оформляющую полость плотно закрытой формы, излишек сплава остается в камере прессования в виде пресс-остатка и удаляется.
После затвердевания сплава форму открывают, снимают подвижные стержни и отливка выталкивателями удаляется из формы. При получении отливок на машинах с горячей камерой прессования (рис. 13.13, в) сплав из тигля нагревательной печи самотеком поступает в камеру прессования.
После ее заполнения срабатывает автоматическое устройство (реле времени, настроенное на определенный интервал), а поршень начинает давить на жидкий сплав, который через обогреваемый мундштук и литниковую втулку под давлением поступает по литниковым каналам и оформляющую полость формы и кристаллизуется. Через определенное время, необходимое для образования отливки, срабатывает автоматическое устройство на раскрытие формы и отливка удаляется выталкивателем.
Данный метод обеспечивает высокую производительность от 1 до 50 заливок в минуту, точность размеров, четкость рельефа и качество поверхности. Применяют многогнездовые формы, в которых за 1 заливку изготовляют более 20 деталей.
Центробежное литье — изготовление отливок в металлических формах, при котором расплавленный металл подвергается действию центробежных сил. Заливаемый металл отбрасывается к стенкам формы и, затвердевая, образует отливку. Этот способ литья широко распространен в промышленности при получении пустотелых отливок, например, пустотелых осей колесных пар вагонов.
В зависимости от положения оси вращения форм различают горизонтальные и вертикальные литейные центробежные машины. Горизонтальные машины (рис. 13.14, а) наиболее часто применяют при изготовлении трубчатых изделий. При получении отливок на машинах с вертикальной осью вращения (рис. 13.14,6) металл из ковша заливают в форму, укрепленную на шпинделе, приводимом во вращение электродвигателем.
Центробежная сила прижимает металл к боковой цилиндрической стенке. Форма вращается до полного затвердения металла, после чего ее останавливают и извлекают отливку. Сложные внутренние стенки отливки выполняют при помощи стержней.
Стенки форм для отливок со сложной наружной поверхностью покрывают формовочной смесью, которую уплотняют роликами, образуя необходимый рельеф.
Отливки, полученные методом центробежного литья, по сравнению с отливками, полученными другими способами, обладают повышенной плотностью во внешнем слое.
Методы литья под давлением и прессованием широко применяются в вагоностроении и при ремонте вагонов для изготовления деталей внутреннего оборудования из полимерных материалов, пластмасс и резиновых смесей (термопластов и реактопластов). При литье под давлением материал нагревается и размягчается (пластицируется) в обогреваемом цилиндре литьевой машины (рис. 13.15, а), откуда под давлением червяка или поршня нагнетается в литьевую форму.
После остывания материала (для термопластов), отверждения (для реактопластов) или вулканизации (для резиновых смесей) он сохраняет конфигурацию и размеры изделия. Преимущества метода по сравнению с другими методами формирования изделий из полимерных материалов — высокие производительность и качество изготовляемых изделий.
Литьевое прессование пластмасс (трансферное прессование) — метод изготовления изделий различной формы из реактопластов, при котором материал размягчается (пластицируется) в литейном цилиндре (тигле), откуда нагнетается в пресс-форму (рис. 13.15, б), где, отверждаясь, принимает конфигурацию и размеры изделия.
Литьевое прессование пластмасс осуществляют на универсальных прессах с одним рабочим плунжером для замыкания пресс-формы и нагнетания в нее материала или на специализированных прессах, у которых замыкание пресс-формы осуществляется одним плунжером, а нагнетание — другим.
По технологии и оборудованию литьевое прессование занимает промежуточное место между прессованием полимерных материалов и литьем под давлением полимерных материалов. Прессование полимерных материалов (компрессионное) — метод изготовления изделий из пластических масс и резиновых смесей в пресс-формах, установленных на прессе (чаще всего гидравлическом).
В зависимости от температуры пресса этот метод подразделяют на высокотемпературное (горячее) и низкотемпературное (холодное) прессование.
При горячем прессовании материал, например в виде пресс-порошка (обычно таблетированного или гранулированного) или листов, помещают в разомкнутую пресс-форму, нагретую до заданной температуры.
При опускании пресса форма замыкается, материал в результате нагревания и создаваемого прессом давления растекается и заполняет формующую полость, приобретая размеры и конфигурацию изделия.
Реактопласты и резиновые смеси выдерживают в пресс-форме под давлением до завершения процесса отверждения или вулканизации,после чего плунжер пресса поднимают и выталкивают из разомкнутой формы готовое изделие.
Холодное прессование используют главным образом для переработки термопластов, не размягчающихся при нагревании, например фторопластов. В этом случае материал прессуют (уплотняют) в холодных формах, а затем, после извлечения из формы, подвергают термообработке, так называемому спеканию.
Литейное производство является одной из отраслей промышленности, продукцией которой являются отливки, получаемые в литейных формах при заполнении ими жидким сплавом.
Литые детали используют в вагонах: боковые рамы, надрессорные и соединительные балки тележек; корпуса букс, автосцепок, поглощающих аппаратов; многие изделия тормозного оборудования и др.
Значительный объем литых изделий потребляют в металлообрабатывающей, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также на железнодорожном транспорте.
Технологический процесс литейного производства многообразен и подразделяется: по способу заполнения форм — на обычное литье, литье центробежное и под давлением; по способу изготовления литейных форм—на литье в разные формы (служащие для получения только одной отливки), литье в многократно используемые керамические или глиняно-песчаные формы, называемые полупостоянными (такие формы с ремонтом выдерживают до 150 заливок), и литье в многократно используемые, так называемые постоянно металлические формы, например кокили, которые выдерживают до нескольких тысяч заливок. При производстве заготовок литьем используют разовые песчаные, оболочковые самотвердеющие формы. Разовые формы изготовляют с помощью модельного комплекта и опоки (рис. 13.16).
Наиболее распространено в вагоностроении производство отливок в разовых песчаных формах. Этот способ широко применяется для производства крупного литья. Технологический процесс литья в песчаные формы (рис. 13.
17) складывается из ряда последовательных операций: подготовка материалов, приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление форм и стержней, простановка стержней и сборка форм, плавка металла и заливка его в формы, выбивка охлажденной отливки, очистка отливки, термообработка и отделка.
Для получения необходимых механических свойств большинство отливок из стали, ковкого чугуна, цветных сплавов подвергают термической обработке. После контроля качества литья и исправления дефектов отливки окрашивают и передают на склад готовой продукции.
Формы и стержни изготовляют на специальном формовочном оборудовании и станках. Большинство технологических операций трудоемко, протекает при высокой температуре с выделением газов и кварцесодержащей пыли.
Для уменьшения трудоемкости и создания нормальных сангигиенических условий труда в литейных цехах применяют различные средства механизации и автоматизации технологических процессов и транспортных операций.
Наиболее трудоемкие операции при производстве отливок — формовка, изготовление стержней и очистка готовых отливок.
На этих участках технологические операции в наибольшей степени механизированы и частично автоматизированы. Особенно эффективно внедрение в литейном производстве комплексной механизации и автоматизации.
Например, изготовление форм, заливка их сплавом и выбивка отливок из форм автоматизированы (рис. 13.18).
Успешно работает установка для автоматической заливки форм сплавом на непрерывно движущимся конвейере (рис. 13.19).
Масса жидкого сплава для заполнения форм контролируется электронным аппаратом, учитывающим металлоемкость определенной формы. Установка снабжена автоматической смесеприготовительной системой, контроль качества формовочной смеси и регулирование смесеприготовления осуществляется автоматическим устройством.
Для операций очистки и зачистки отливок применяют проходные барабаны непрерывного действия с дробеметными аппаратами. Крупные отливки очищают в камерах непрерывного действия, вдоль которых отливки передвигаются на замкнутом транспортере.
Созданы автоматические очистные камеры для отливок, имеющих сложные полости.
Специальные способы литья
Специальные способы литья по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы имеют ряд преимуществ: повышают качество, чистоту поверхности и точность литья; улучшают структуру и свойства отливок; позволяют получить отливки с минимальными припусками на обработку.
К специальным способам литья относятся литье в кокиль, центробежное литье, литье под давлением, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и др.
Литье в металлическую форму (кокиль) (рис. 13) осуществляют путем свободной заливки расплавленного металла в металлические формы, используемые многократно. При литье из легких сплавов применяют стальные и чугунные стержни, а в случае литья из стали, чугуна и медных сплавов — песчаные стержни.
Рис. 13. Кокиль с горизонтальной плоскостью разъема:
1 — литниковая чаша; 2 — верхняя половина кокиля; 3 — стержень; 4 — нижняя половина кокиля
Металлические формы (кокили) из чугуна или стали могут выдержать несколько тысяч заливок. Интенсивность охлаждения отливок в металлических формах в 3—5 раз выше, чем в песчаноглинистых.
Перед заливкой кокили подогревают до 200—300 °С, а рабочие поверхности полости формы покрывают огнеупорными красками для замедления охлаждения отливок.
Затем в полость кокиля из разливочного ковша через литниковую систему заливается расплавленный металл, который охлаждается и застывает. Кокиль раскрывают и из него удаляют отливку.
Отливка имеет более точные размеры, мелкозернистую структуру, чистую поверхность и более высокие механические свойства по сравнению с отливкой, полученной литьем в песчано-глинистые смеси.
К недостаткам кокильного литья относятся низкие газопроницаемость и податливость формы, высокая стоимость металлических форм и возможное отбеливание отливок из чугуна.
Центробежное литье заключается в заливке жидкого металла во вращающуюся форму вокруг горизонтальной (рис. 14, а) или вертикальной оси (рис. 14, б). Формы, имеющие горизонтальную ось вращения, используются для получения отливок цилиндрической
Рис. 14. Схемы работы центробежной машины
формы в виде втулок и труб большой длины. В формах с вертикальной осью вращения получают отливки небольшой высоты — кольца, венцы зубчатых колес и др.
, так под действием гравитационной силы металл распределяется неровным слоем, отливка получается разностенной по высоте. Под действием центробежных сил жидкий металл отбрасывается к внутренним стенкам формы, где затвердевает.
Образуется пустотелая отливка без применения стержня. Центробежные силы уплотняют металл, в результате улучшаются механические свойства.
Недостатком этого способа литья является высокая стоимость литейных форм. Центробежное литье применяется главным образом при получении отливок, имеющих форму тел вращения.
Литье под давлением (рис. 15) основано на том, что жидкий металл при заполнении формы и в процессе затвердевания находится под давлением поршня (плунжера) или сжатого воздуха. В результате получается отливка, точно соответствующая очертаниям литейной формы.
Литье под давлением применяется в основном для получения отливок из сплавов цветных металлов: алюминиевых, медных, магниевых и других сплавов.
Получить под давлением чугунное или стальное литье довольно затруднительно, поскольку чугун и сталь имеют высокую температуру плавления, что отрицательно влияет на литейную форму.
Литье под давлением используется в производстве малых по весу и размерам отливок, имеющих очень тонкие стенки и фасонные очертания. Этот метод дает возможность сократить и даже исключить дальнейшую механическую обработку получаемых изделий.
Рис. 15. Схема литья под давлением:
а — подача металла в предварительную камеру; б — нагнетание металла в рабочую полость; в — выбивка отливки
Вместе с тем литье под давлением имеет некоторые недостатки: пористость и образование раковин в массивных сечениях отливки снижают ее прочность; высокая стоимость пресс-форм.
Литье по выплавляемым моделям выполняется в разовых литейных формах, изготовленных по одноразовым моделям из легкоплавких материалов (парафина, стеарина и др.).
Модели отливок и литниковых систем получают заливкой под давлением расплавленной легкоплавкой массы в пресс-форму.
После отвердения модели извлекают из формы и присоединяют их к групповой литниковой системе, получают блок моделей.
На поверхность блока наносится суспензия из мелкого кварцевого песка, каолина, графита, жидкого стекла и воды методом погружения. Затем блоки посыпают кварцевым песком и сушат при комнатной температуре 4—5 ч.
Далее удаляют легкоплавкий блок с помощью пара, воды или горячего воздуха.
Оболочки прокаливают в печи при температуре 800—850 °С, заформовывают их в опоки и заливают расплавленный металл. После затвердевания отливки производится ее выбивка, удаление литников и очистка.
Литье по выплавляемым моделям используется для получения точных небольших литых изделий сложных очертаний с чистой поверхностью.
Литье в оболочковые формы заключается в заливке металла в оболочковые формы, изготовленные из кварцевого песка, смешанного с термореактивной смолой, с последующим спеканием.
На подмодельную плиту 2 (рис. 16) устанавливается металлическая модель 3, нагретая до температуры 200—300 °С. Плита с моделью крепится к контейнеру, в который засыпана песчано-смоляная смесь. Затем контейнер поворачивается, и модель покрывается смесью. Смесь плавится, растекается по модели, затвердевает и образует оболочку 1 толщиной 6—8 мм.
Рис. 16. Схема получения оболочковой формы
Контейнер снова поворачивается, модель, покрытая оболочкой, снимается и выдерживается 1—3 мин в печи при температуре 300— 350 °С, в результате чего она приобретает необходимую прочность. Далее оболочка снимается с модели толкателями 4, точно так же изготавливается вторая оболочка.
Обе оболочки собираются в одну оболочковую форму.
Готовую оболочковую форму заливают металлом. Отливка, полученная в оболочковой форме, имеет более точные размеры и чистые поверхности, в ряде случаев исключается механическая обработка поверхностей отливок.
Литье в оболочковые формы применяется для изготовления сложных и ответственных фасонных отливок.
Специальные способы литья и их классификация
Литейное производство – один из старейших и до настоящего времени основных способов получения металлических изделий и заготовок для различных отраслей промышленности. Литые детали используются не только в машиностроении и приборостроении.
Они применяются в домостроении и дорожном строительстве, являются предметами быта и культуры.
Это обусловлено тем, что этот способ позволяет получать заготовки и детали из разных сплавов практически любой конфигурации, с любыми структурой, макро- и микрогеометрией поверхности, массой от нескольких граммов до сотен тонн, с любыми эксплуатационными свойствами.
При необходимости и экономической оправданности требуемые показатели достигаются без использования других технологических процессов (механической обработки, сварки, термической обработки и др.).
В настояние время для получения литых деталей уже используется несколько десятков технологических процессов и их вариантов, обладающих достаточно широкой универсальностью или пригодных для изготовления узкой номенклатуры определенных отливок.
Исторически сложилось деление этих способов на обычные, под которыми чаще всего подразумевают литье в песчано-глинистые формы, и специальные – это все остальные виды литья.
С увеличением числа методов и вариантов получения отливок все острее ощущается необходимость в более четкой и детальной их классификации по основным общим признакам с целью систематизации изложения сущности разных методов, с тем, чтобы облегчить понимание заложенных в них принципов и создание новых более эффективных способов литья.
Главными признаками обычного традиционного метода литья в песчано-глинистые формы можно считать такие важнейшие характеристики литейной формы – основного инструмента технологического процесса, как то, что она является разовой и разъемной.
Литейная форма выполняется из дисперсных огнеупорных материалов, упрочняемых при изготовлении механическими, химическими, физическими или комбинированными способами.
Дополнительным, но обязательным признаком литья в песчано-глинистые формы, является то, что заполнение формы расплавом ведется обычным гравитационным методом сверху из ковша через общепринятую литниковую систему.
Другие характеристики формы (объемная, оболочковая, опочная, без-опочная, кесонная и т. д.) – составы и свойства формовочных смесей, способы их уплотнения или упрочнения, характеристики отливок и сплавов для их изготовления, масштабы производства и пр. – определяют лишь варианты этого технологического процесса и типы оборудования для выполнения конкретных операций.
- Указанный технологический процесс литья в песчано-глинистые формы и варианты его осуществления являются предметом рассмотрения первой части дисциплины – «Литейное производство».
- Из многочисленных разнообразных специальных видов литья в первую очередь целесообразно выделить способы, обладающие характерными признаками, отличными от обычной традиционной технологии литья в песчано-глинистые формы.
- Сначала отметим процессы с резко отличными признаками литейной формы.
- Первая группа – литье в разовые неразъемные литейные формы из дисперсных материалов с сохранением гравитационного метода заполнения формы сверху из ковша через литниковую систему, как в традиционной способе.
Отличительной особенностью этих методов является использование разовой модели, которую для удаления из неразъемной формы разрушают каким-либо способом до заполнения формы расплавом или даже в процессе заполнения формы.
В эту группу входят методы литья по выплавляемым, выжигаемым, растворимым и газифицируемым моделям.
Наиболее распространенным в настоящее время в этой группе является литье по выплавляемым моделям, а новым и развивающимся процессом – литье с использованием моделей из фотополимерных материалов.
Вторая группа – литье в полупостоянные или постоянные разъемные формы с сохранением гравитационного метода заполнения формы сверху из ковша через литниковую систему.
Общим признаком этих методов является использование разборной литейная форма, состоящей из полупостоянных или постоянных и разовых эле-ментов.
Конструкция формы должна позволять извлекать из нее отливку без повреждения многократно используемых элементов формы. Основной метод в данной группе – литье в кокиль. Известен также метод литья в углеродные (графитовые) формы.
Для многократно используемых элементов литейной формы могут, видимо, применяться и другие материалы.
Характерным признаком третьей группы методов является наличие дополнительного воздействия на расплав при заполнении формы и затвердевании отливок. Тип и конструкция литейной формы при этом определяются требованиями к отливкам и способами воздействия на расплав и кристаллизующиеся отливки. В числе этих способов следующие:
а) запрессовка металла в форму с высокими скоростями поршневой системой – литье под давлением. Этот способ предусматривает применение лишь металлических разъемных литейных форм (пресс-форм), не исключается применение стержней и формообразующих вставок из дисперсных огнеупор-ных материалов;
б) способы литья при регулируемом, относительно невысоком газовом давлении – литье под низким давлением, с противодавлением, вакуумным всасыванием и др. В этих способах можно использовать разъемные и неразъ-емные литейные формы из любых материалов, обладающих достаточными огнеупорностью и прочностью;
в) центробежное литье фасонных отливок также связано с возможностью использования разнообразных известных конструкций литейных форм. Однако при центробежном литье тел вращения (труб, втулок, гильз и др.) обычно применяются формы специальной конструкции – изложницы;
г) к способам, основанным на других принципах заполнения форм, относятся литье выжиманием, литье погружением форм в расплав и др.
Воздействия на заливаемый в форму расплав, отмеченные в пунктах а), б), в) и г), продолжаются и после заполнения формы. Это способствует определенному повышению плотности отливок и улучшению качества их поверхности.
Аналогично можно выделить методы, в которых наиболее значимо воздействие на расплав в период кристаллизации. Их используют для получения особо плотных отливок и отливок со специальной микроструктурой.
Четвертая группа – литье под всесторонним газовым давлением (автоклавное литье) с использованием литейных форм из различных материалов; литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка), в котором чаще всего используют металлические формы.
Пятая группа – способы литья, использующие воздействие на расплав, оказывающее существенное влияние на формирование микроструктуры отливок. К их числу относятся методы с использованием электрического и электромагнитного воздействия на расплав до, во время или после поступления расплава в форму, обработка его ультразвуком и др.
Шестую группу образуют методы, основанные на формировании свойств отливок при непрерывных и полунепрерывных процессах литья.
К этим процессам можно отнести: непрерывное литье с использованием стационарных и подвижных кристаллизаторов; литье вытягиванием из расплава и полунепрерывное литье, используемые для получения отливок постоянного профиля по длине; электрошлаковое литье, литье с последовательным заполнением; литье намораживанием и др. для получения фасонных отливок.
Седьмая группа – методы получения отливок с различными специаль-ными свойствами, к которым можно отнести: армирование отливок, изготовление отливок из композиционных материалов и пр.
В производстве литых заготовок специальные виды литья занимают значительное место. В настоящее время 70 – 75% общего объема производства отливок (в тоннах) получают обычным методом литья в песчаную форму и только 25 – 30% «специальными» методами.
Однако эти данные далеко не точно характеризуют объем производства отливок с использованием специальных видов литья. Методами специального литья изготовляют некрупные отливки из черных металлов и подавляющее большинство, как правило более легких, отливок из цветных сплавов.
Поэтому по числу получаемых отливок специальные методы не уступают обычному методу литья в песчаные формы.
Специальные способы литья
Тема 5 «ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА»
1.Сущность литейного производства.
2.Литье в песчано-глинистые формы.
3.Специальные способы литья.
4.Экологическая оценка литейного производства.
Сущность литейного производства
Литейным производствам называются процессы получения фасонных изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в полную форму, воспроизводящую форму и размеры будущей детали. После затвердевания металлов в форме получается отливка, заготовка или деталь.
- Отливки могут получить различной массы: от нескольких граммов до сотен тонн; простой и сложной формы из чугуна, стали, сплавов меди и алюминия, цинка и магния.
- Особенно эффективно применение отливов для получения фасонных изделий сложной конфигурации, а также изделий из малопластичных метолов и сплавов.
- История литейного дела насчитывает 7 тысячелетий и включает 4 основных этапа:
- 1) Создание формы;
- 2) Плавка металла;
- 3) Заливка жидкого металла в форму;
- 4) Извлечение затвердевшей отливки из формы
До середины ХХ века литейный способ получения заготовок был одним из основных. До 85% заготовок получали литейным способом. Достоинства литейного производства – простота, низкая стоимость отливок, возможность изготовления сложных деталей. Недостатки – низкая производительность труда, неоднородность состава и пониженная плотность материала, возможны раковины.
Перспективным является применение в литейном деле полуавтоматов и автоматов, робототехнических комплексов, новых технологий литья из легированных сталей и т.д. стоимость литья зависит от объемов производства, уровня механизации и автоматизации технологических процессов.
Литье в песчано-глинистые формы
Этот способ литья является наиболее распространенным и относительно простым способом получения отливок. Сущность способа заключается в том, что подбирается специальный состав песчано-глинистой смеси, в которой можно сформировать полость, которая соответствует форме будущей детали. В полость заливают металл.
Для формирования полости изготавливается модель из дерева, пластмассы или металла. Модели обычно разъемные. Для создания отверстий применяются специальные стержни. Весь этот процесс называется формовкой. Для небольших деталей ее проводят в специальных ящиках (опоках).
Отливки крупногабаритных деталей производят в почве, специально созданной в полу литейного цеха.
Формовка наиболее сложная и трудоемкая операция и занимает 40-60 процентов от общей трудоемкости получения отливок. В условиях массового и крупносерийного производства мелких и средних по массе отливок применяется машинная формовка.
В форме предусмотрены отверстия для заливки металла (летники) и отверстия, через которые металл выпирает (выпоры). В летник заливают металл. После остывания, при которой отливка приобретает достаточную механическую прочность, производится извлечение ее из формы, выбивка. Это одна из самых тяжелых операций производства.
Она сопровождается большими выделениями тепла и пыли. Следующая операция – обрубка летников, ненужных выступов и т.д. После обрубки проводят очистку отливок от формовочной смеси, окалины, заусениц и т.д.
Перед отправкой стальных и чугунных отливок в механические цехи, они обязательно подвергаются термической обработке, обжигу или нормализации для снятия внутренних напряжений. Бракованные отливки отправляют на переплавку.
Специальные способы литья
В литейном производстве внедряются специальные способы литья, имеющие много преимуществ. К специальным способам относят литье в постоянные металлические формы (кокили), центробежное литье, литье под давлением, литье в тонкостенные разовые формы, литье по выплавляемым моделям, корковое или оболочковое литье, электрошлаковое литье.
Специальные способы литья позволяют получать отливки более точных размеров с хорошим качеством поверхности, повышать механические свойства отливов, улучшать условия труда и повышать производительность. Большинство операций при специальных способах литья легко поддаются механизации и автоматизации. Наиболее распространено литье в кокиль.
Кокилем называют цельную или разъемную металлическую форму, изготовленную из чугуна или стали. Кокили предназначены для получения большого количества одинаковых отливов из цветных или железоуглеродистых сплавов. Так в чугунный кокиль можно отлить до 200 тысяч отливок из свинца, до 50 тысяч – из алюминия или 100-500 чугунных отливок.
Перед заливкой металла в кокили, формы нагревают до температуры 100-300 … , а рабочие поверхности, контактирующие с расплавленным металлом, покрывают защитными обмазками. После затвердевания отливку извлекают из формы встряхиванием.
Кокильное литье снижает расход металла, позволяет получить отливки более высокой точности, улучшить их физико-химические свойства. Однако быстрое охлаждение металлической формы затрудняет получение тонкостенных отливок сложной формы.
Литье под давлением – один из наиболее производительных методов получения точных фасонных отливок из цветных металлов. Сущность способа заключается в том, что жидкий или кашеобразный металл заполняет форму и кристаллизуется под избыточным давлением.
Для получения отливок используют цинковые, магниевые, алюминиевые сплавы и сплавы на основе меди. Так изготавливают корпуса фотоаппаратов, детали приборов и т. д. Пресс-формы изготавливают из легированных инструментальных сталей.
Стоимость пресс-формы в 3-5 раз превышает стоимость кокиля. Производительность литейных машин достигает 500 отливок в час. При массовом производстве трудоемкость при получении отливок снижается в 10-12 раз, а трудоемкость последующей механической обработки – в 5-8 раз.
Экономия металла достигает 30-50 процентов. Создается возможность полной автоматизации процесса.
Центробежный способ литья применяется главным образом для получения полых отливок тел вращения (втулок, труб, гильз и т. д.) из цветных и железоуглеродистых сплавов. Сущность способа состоит в заливке жидкого металла во вращающуюся металлическую или керамическую форму. Жидкий металл за счет центробежной силы прижимается к стенам формы, растекается вдоль них и затвердевает.
Отливки получаются плотные, очищенные от газов, с мелкозернистой структурой. Центробежное литье высокопроизводительное: за 1 час отливают 40-50 чугунных труб диаметром 200-300 миллиметров. Центробежное литье обеспечивает высокое качество отливок, экономит металл, увеличивает выход годного литья. Недостатки: высокая стоимость форм и оборудования, ограниченность номенклатуры отливок.
Литье по выплавляемым моделям. Этим способом получают точные практически не требующие механической обработки отливки из любых сплавов массой от нескольких грамм до 100 килограмм.
Из парафина или другого легкоплавящегося материала изготавливают модель отливки путем запрессовки этого материала в специальную разъемную пресс-форму, изготовленную из стали.
Полученную модель облицовывают в несколько слоев огнеупорным покрытием, окуная модель в связывающий состав и обсыпая кварцевым песком. Каждый слой покрытия подсушивается. После этого из керамической оболочки производится вытапливание модели из горячего воздуха или горячей воды.
Вытопленный металл (парафин) собирается для повторного использования, а полученная керамическая литейная форма с гладкой внутренней поверхностью поступает на прокаливание, что придает ей прочность.
Форму помещают в стальной ящик, засыпают кварцевым песком, оставляя литниковую чашу для заливки металла и прокаливают (нагревают) до температуры 850-900 градусов.
В горячую форму заливают металл, что способствует жидкотекучести металла и позволяет получить сложнейшие тонкостенные отливки. Так выливают детали самолетов, лопатки турбин, художественные изделия.
Этот способ литья хорошо поддается автоматизации.
Специальные способы литья
В литейном производстве получили широкое применение новые способы изготовления отливок. Использование этих способов дает ряд преимуществ по сравнению с литьем в песчаные формы: возможность максимально механизировать и автоматизировать производственный процесс, улучшение условий труда, увеличение производительности, значительное снижение расходов формовочных материалов (а иногда полное исключение их из процесса литья) и получение заготовки с минимальными припусками на механическую обработку.
Литье в оболочковые формы
Изготовление оболочковых форм основано на свойствах термореактивной смолы плавиться при нагревании и обволакивать зерна песка. Затем смола затвердевает и, связывая зерна песка, образует прочную оболочку. Оболочковая форма представляет собой две скрепленные рельефные полуформы с толщиной стенок 5—15 мм. Такие формы изготавливают из песчано-смоляной смеси, состоящей из мелкого кварцевого песка и фенолформальдегидной порошкообразной термоактивной смолы, которую используют в качестве связующего. Оболочковые полуформы изготовляются на специальных автоматических и полуавтоматических машинах.
Технологический процесс состоит из следующих операций: I. Очистка металлической модельной плиты и покрытие ее из пульверизатора специальным термостойким разделительным составом для легкого отделения и снятия оболочки с плиты. II. Нагрев модельной плиты в электрической печи до температуры 220—250° С. III.
Установка и закрепление нагретой модельной плиты на поворотном бункере, содержащем песчано-смоляную смесь. IV. Поворот бункера с моделью на 180°, нанесение песчаносмоляной смеси на нагретую модельную плиту и формирование оболочки. V.
Возврат бункера с модельной плитой в исходное положение, удаление излишней песчано-смоляной смеси и снятие плиты с образовавшейся на ней оболочкой с бункера. VI.
Поворот модельной плиты на 180° и установка ее в электрическую печь для окончательного отверждения оболочки (при температуре 300—350° С в течение 90—180 с). VII. Съем оболочки с модельной плиты с помощью толкателей и плиты.
Аналогичным путем изготовляют вторую (парную) полуформу. В полученные оболочковые полуформы устанавливают стержни. Спаривание полуформ производят по фиксаторам, с помощью скоб, струбцин или склеиванием. При заливке форм для крупных отливок составляющие оболочки успевают выгорать до застывания отливки.
Создается опасность разрушения перегоревших оболочковых форм. В таких случаях нижние полуформы перед заливкой обкладывают металлической дробью или песком, а верхние — нагружают, чтобы предупредить размыкание. Способом литья в оболочковые формы получают отливки из стали, чугуна и цветных сплавов.
Точность отливок достигает 5-го, 7-го классов ОСТ 1010 и ОСТ 1015, а шероховатость поверхности 4—6-го классов ГОСТ 2789—73.
Литье в оболочковые формы имеют преимущества: получение точных отливок с чистыми (гладкими) поверхностями, уменьшение расхода формовочных материалов, сокращение производственных площадей, высокая производительность труда при изготовлении форм, возможность длительного хранения оболочковых форм и стержней, экономия металла из-за уменьшения литниковой системы и прибылей, сокращение процессов обрубки и очистки. К недостаткам литья в оболочковые формы относятся высокая стоимость смолы, оснастки, оборудования, длительность доводки процесса. Все это позволяет применять способ литья в оболочковые формы только в условиях крупносерийного и массового производства.
Литье по выплавляемым моделям
Особенностью литья по выплавляемым моделям является получение неразъемных литейных форм выплавлением, растворением или выжиганием из них модельного материала, состоящего обычно из легкоплавких компонентов: парафина, церезина, стеарина, буроугольного и торфяного восков и других веществ, которые плавятся при температуре 50—90° С.
Для изготовления модели расплавленный. или пастообразный состав запрессовывают в металлическую разъемную пресс-форму, изготовляемую обычно из стали или алюминиевых сплавов, реже из гипса или пластмасс и имеющую полость, которая по конфигурации и размерам точно соответствует модели. После затвердевания модельного состава форму раскрывают и извлекают модель.
Таким образом изготовляют в одной пресс-форме и несколько моделей, соединенных моделями каналов литниковой системы. Затем отдельные модели (звенья) надевают на металлический стояк центральными втулками литниковых каналов. Нижнюю часть стояка закрывают колпачком, который изготовляют из модельного состава и припаивают к литнику верхней модели (звена).
Сверху на металлический стояк устанавливают модель литниковой воронки. Собранный блок покрывают 3—4 раза тонким слоем огнеупорной обмазки, которая состоит из пылевидного кварца и связующего материала (гидродизованного этилсиликата, жидкого стекла).
После каждого покрытия модель для упрочнения посыпают сухим мелким кварцевым песком и просушивают на воздухе в течение 2—6 ч.
Полученная таким образом оболочка имеет толщину 3—5 мм. После сушки из моделей извлекают металлический стояк, а легкоплавкие модели вытапливают из оболочковых форм. Для этого пользуются горячей водой, имеющей температуру около 90° С, или производят выплавление в расплаве модельного состава паром, горячим воздухом. В ряде случаев модели выжигают или растворяют. Неразъемную форму устанавливают в опоку, засыпают песком и помещают в электропечь для прокаливания при температуре 850—900° С. В печах выжигаются остатки модельной смеси, а форма после прокаливания еще немного упрочняется и приобретает необходимую прочность. Затем нагретую форму подают на заливку. После охлаждения отливки форму выбивают. От отливки отделяют литниковую систему, которая поступает на переплавку. Отливку очищают, зачищают, подвергают нормализованному отжигу и направляют на склад или в механические цехи. Литье по выплавляемым моделям применяют для получения отливок, конфигурация которых при изготовлении их из сортового металла или поковок потребовала бы большой и сложной механической обработки. Этим способом изготовляют отливки с толщиной стенок от 0,5 до 10 мм, массой от 20 г до 100 кг. Точность литья достигает 5-го и 7-го классов ОСТ 1010 и ОСТ 1015, а шероховатость поверхности. 5—6-го классов ГОСТ 2789—73. Наиболее экономично применение литья по выплавляемым моделям в серийном и массовом производстве мелких стальных отливок.
Центробежное литье
Центробежное литье осуществляется на специальных машинах. Расплав, заливаемый во вращающуюся форму, центробежными силами плотно прижимается к внутренним стенкам формы и воспринимает ее конфигурацию. Формы могут вращаться вокруг горизонтальной, вертикальной и наклонной осей. Наиболее распространены машины с горизонтальной осью вращения. Методом центробежного литья, как правило, получают отливки, представляющие собой тела вращения (втулки, трубы,диски). Центробежные силы не только распределяют жидкий металл к форме, но и способствуют перемещению на внутреннюю поверхность отливки более легких, чем сплав, шлаковых и газовых включений. Отливка получается более чистой и плотной. Для получения втулок применяют центробежные машины с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Определенная доза расплава из ковша заливается во вращающуюся форму через металлоприемник. Под действием центробежных сил металл отбрасывается к стенкам формы. Форма вращается до тех пор, пока расплав не затвердеет, затем отливку извлекают из формы. Перед каждой заливкой внутреннюю полость формы покрывают противопригарной краской или присыпкой. Центробежным способом можно получать биметаллические отливки, поочередно заливая в форму разнородные расплавы. Преимуществом центробежного литья является получение отливок без литниковых систем. Отливки имеют плотную, мелкозернистую структуру и повышенные механические свойства по сравнению с отливками, изготовленными литьем в песчаные формы. Этим способом получают отливки 5-го класса точности с хорошим качеством поверхности. Недостатком способа центробежного литья является необходимость больших припусков на механическую обработку наружных поверхностей 1,5—2,5 мм, внутренних поверхностей 2,5—3,5 мм. Центробежное литье применяют в массовом, крупносерийном и мелкосерийном производствах.
Литье в кокиль
Кокилем называют металлическую разъемную форму, многократно используемую для получения отливок. Такую форму применяют для изготовления мелких и средних отливок из различных сплавов как простой, так и очень сложной формы с резкими переходами от тонких частей отливки к толстым. Кокили подразделяют на разъемные (с вертикальной, горизонтальной и криволинейной плоскостью разъема) и неразъемные (вытряхные).
Кокиль с вертикальной плоскостью разъема состоит из двух половин, в которых имеется литейная полость, литниковые каналы с чашей и выпором.
Точное совпадение половин при сборке кокиля достигается применением центрирующих штырей и втулок. Штыри наружной поверхности способствуют лучшему охлаждению кокиля.
Отливку извлекают из кокиля специальными толкателями, которые при раскрытии половин кокиля выходят из своих гнезд и выталкивают отливку.
Технологический процесс имеет такую последовательность: — нагретый до температуры 250—300° С кокиль покрывают огнеупорной краской;- в кокиль устанавливают стержни; — соединяют и скрепляют половинки формы; — заливают в кокиль жидкий металл из ковша; — выдерживают металл до начала кристаллизации и остывания отливки; — раскрывают кокиль и извлекают из него отливку; — охлаждают кокиль и подготавливают для следующей заливки.
Для повышения производительности и уменьшения трудоемкости ручных работ кокили устанавливают на специальных станках,на которых все операции сборки кокиля, кроме установки стержней, механизированы. Стойкость кокилей зависит от температуры заливаемого металла и от массы получаемых отливок.
Точность отливки при литье в кокиль соответствует 5—9-му классам, а шероховатость поверхности 4—6-му классам. Припуск на механическую обработку колеблется в пределах 0,5—2 мм. Преимуществами кокильного литья являются возможность многократно использовать форму, высокая механическая прочность отливок, незначительные припуски на механическую обработку, экономия металла. К недостаткам следует отнести высокую стоимость кокилей, сложность получения тонкостенных отливок, поэтому литье в кокиль целесообразно применять в условиях массового и крупносерийного производств.
Литье под давлением
Сущность этого способа заключается в том, что расплав металла подается в стальную разъемную прессформу под давлением. Рабочее давление на расплав осуществляется непосредственно сжатым воздухом (газом) или поршнем, который перемещается под действием сжатого воздуха (газа), эмульсии или масла. Давление может достигать нескольких сот атмосфер, что обеспечивает хорошую заполняемость пресс-формы и получение отливок 3—5-го классов точности и с шероховатостью поверхности, соответствующей 5—8-му классам. При этом обеспечивается большая производительность. Литье под давлением ведут на компрессорных и прошневых машинах. Поршневые машины выполнены с вертикальной и горизонтальной камерами прессования. Камеры могут быть холодными в горячими.
Схема литья под давлением на машине с вертикальной камерой следующая. Расплав заливают мерной ложкой в камеру прессования. Верхний поршень, опускаясь, оказывает большое давление на порцию расплава, который передает давление на нижний поршень. Поршень, передвигаясь, открывает литниковый канал, через который расплав заполняет полость пресс-формы.
Пресс-форма состоит из двух полуформ. После затвердевания расплава полуформа отходит в сторону, а отливка вмессте с литником выталкивается толкателями. Излишек металла, который не вошел в полость пресс-формы, выталкивается из камеры поршнем и поступает на переплавку.
Литье под давлением на машине с горизонтальной камерой протекает в той же последовательности. Основные преимущества литья под давлением заключаются в следующем. Литье под давлением позволяет решить одну из важнейших задач литейного производства: максимально приблизить размеры отливки к размерам готовой детали.
Отливки, полученные в металлических пресс-формах, имеют чистую и гладкую поверхность, что значительно сокращает поверхностную отделку деталей (шлифование, полирование и т. д.). Этим способом отливают ответственные детали с тонкими стенками, сложной конфигурации.
Кроме того, литье под давлением применяют для соединения нескольких деталей или получения отливок с арматурой из других металлов. Отливки, полученные литьем под давлением, имеют мелкозернистую структуру и высокие механические свойства.
Экономически выгодным также является то, что в одной пресс-форме можно изготовить в короткий срок большое количество отливок.
Высокая производительность этого способа литья и минимальные припуски снижают себестоимость производства как в литейном, так и в механических цехах.
Кроме того, литье под давлением исключает применение формовочных смесей, поэтому санитарно-производственные условия лучше, чем в обычных литейных цехах.
Таким образом, литье под давлением — один из наиболее прогрессивных способов изготовления отливок. С другой стороны, литье под давлением — сложный технологический процесс, который требует знаний металлургии сплава, технологии литья, специальных знаний инструментального производства при изготовлении пресс-форм и, наконец, механики при эксплуатации машин для литья под давлением.
Литье под давлением имеет некоторые недостатки, например появление в отливках мелких воздушных раковин (пористости). Находящийся в полости пресс-формы воздух не успевает полностью выходить наружу и частично смешивается с расплавом.
Не успевают выйти из отливки и газы, растворенные в металле, из-за пористости отливки нельзя подвергать термообработке, так как при нагреве появляются вздутия.
Трудно, а иногда и невозможно, отлить этим способом деталь с поднутрением и внутренними полостями.
Существующие в современном производстве машины и пресс-формы пригодны лишь для изготовления отливок из сплавов с температурой плавления ниже 1000°С. Для литья стали изготовлены специальные опытные литейные машины и пресс-формы.
Литьем под давлением можно получать отливки не из всех сплавов. Наиболее пригодные — цинковые сплавы, некоторые алюминиевые, латуни. Труднее получать этим способом детали из стали и чугуна.
Не отливают под давлением детали из бронзы.
Высокая стоимость оборудования и пресс-форм делает не всегда выгодным производство небольших партий отливок способом литья под давлением, поэтому способ литья под давлением широко распространен в серийном и массовом производствах.
Источник
