Способы изготовления отливок металлов

СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК

§ 5. Классификация способов получения отливок и разновидности литейных форм

1. Классификация способов получения отливок. Современное литей­ное производство располагает следующими способами изготовления от­ливок: 1) в песчано-глинистых формах с ручной и машинной формовкой; 2) в металлических формах; 3) под давлением; 4) по выплавляемым мо­делям; 5) в оболочковых формах; 6)ч центробежным литьем; 7) электро­шлаковым литьем; 8) под низким давлением; 9)’ вакуумным всасыванием; 10) выжиманием; 11) жидкой штамповкой.

Область применения этих способов определяется многими фактами: типом производства (единичное, серийное, массовое); массой отливок (мелкие — до 100, средние — до 1000, крупные — более 1000 кг); точ­постью и чистотой поверхности отливок; литейными свойствами сплавов; жономической целесообразностью использования того или иного способа.

2. Разновидности литейных форм. Для получения отливок использу­ют различные литейные формы, отличающиеся: сроком службы (разо­вые, многократные); состоянием перед заливкой (сухие, подсушенные, сырые, химически твердеющие, самотвердеющие) и технологией изготов­ления (вручную, на машинах, по выплавляемым моделям и др.).

Разовые формы изготавливают из песчано-глинистых, песчано-смоля-ных формовочных смесей, и служат они для получения только одной отливки. По толщине стенок разовые формы могут быть толстостенные (30—250 и более мм), тонкостенные (10—20 мм) и оболочковые (до 10 мм). Разовую форму изготавливают разъемной, состоящей из нижней и верхней нолуформ. К разовым формам относят также неразъемные формы, изго­товленные по выплавляемым моделям (см. § 16). После заливки разовую форму разрушают для освобождения затвердевшей отливки.

Многократные разъемные формы изготавливают из шамота, асбеста, алебастра, цемента и других огнеупорных материалов. Такие формы вы­держивают несколько десятков и сотен заливок. После заливки многократную форму раскрывают, не разрушая ее, извлекают готовую отливку и снова собирают для очередной заливки.

Многократные формы (кокили) изготавливают металлическими: из чу­гуна, стали и иногда из медных и алюминиемых сплавов. От температуры плавления сплава, из которого получают отливку, зависит срок службы кокиля. Так, в одном кокиле можно изготовить до нескольких сотен от­ливок из стали, до нескольких тысяч отливок из чугуна и до сотен тысяч отливок из сплавов цветных металлов. Из-за высокой стоимости кокили используют только в серийном и массовом производстве отливок. Отливка извлекается .из кокиля специальными толкателями, которые при рас­крытии половин кокиля выходят из своих гнезд и выталкивают отливку.

§ 6. Изготовление отливок в разовых формах

I. Общее понятие о разовой форме. В настоящее время около 90 %
отливок наготавливают в разовых песчано-глинистых формах. На
ри

§ 7. Модельные комплекты для ручной и машинной формовки

1. Состав и назначение модельного комплекта. В модельный комплект входят: 1) модель будущей отливки; 2) один или несколько стержневых ящиков (если отливка имеет полости или отверстия); 3) модели литниковой системы; 4) подмодельная доска (при ручной формовке) или модельная плита (при машинной формовке).

С помощью модели в литейной форме получают отпечаток наружной конфигурации отливки. В стержневых ящиках изготавливают песчаные

5

Рис. 111.6. Модельный комплект.

стержни, обеспечивающие получение внутренней полости отливки. При формовке на подмодельную доску устанавливают модель или полу­модель.

Модельный комплект должен: отвечать форме и размерам отливки с учетом линейной усадки металла и припусков на механическую обра­ботку; быть достаточно прочным; не изменять размеры при хранении и многократном использовании; его конструкция не должна затруднять набивку формы и удаление из нее модели или стержня из стержневого ящика; быть легким и недорогим.

2. Модельный комплект для ручной формовки изготавливают для се-
рийного производства из твердых пород древесины (клен, бук, береза),
а в единичном — из ели и сосны. Неразъемные модели используют для
отливок несложной конфигурации, которые могут быть заформованы в
одной полуформе. Для сложных отливок модель изготавливают разъем-
ной, что позволяет удалять ее из формы без разрушения последней. С этой
же целью вертикальные стенки модели, перпендикулярные плоскости
разъема формы, делают с уклоном в пределах от 0,5 до 3° (нижний предел
для высоких моделей, верхний — для низких). Размеры модели по
сравнению с размерами детали увеличивают на величину линейной усадки
металла, из которого изготавливают отливку, и на величину припусков
на механическую обработку, предусмотренных ГОСТами и нормативами.

На рис. III.6 дан чертеж отливки (а), рисунок разъемной модели (б) и стержневого ящика со стержнем (в) для нее. В отличие от отливки модель вместо отверстия имеет выступающие части 1, называемые стержневыми знаками. Знаки образуют в форме отпечатки, на которые устанавливают изготовленный в стержневом ящике стержень 3. Стержневой ящик со­стоит из двух половин, которые, как и полумодели, в процессе формовки «•псдиняются с помощью центровочных шипов 2.

3. Литниковая система (рис. II 1.7, а) состоит из литниковой чаши 1,
ШОЯка 2, шлакоуловителя 3 и питателей 4. Литниковая чаша уменьшает
динамический напор струи металла и частично отделяет шлак. Стояк,
Соединяющий литниковую чашу со шлакоуловителем, делают конусным.
Шлакоуловитель трапецеидального сечения размещают в верхней иоло-

г

Рис. 111.7. Литниковая система.

вине формы в плоскости разъема. Он должен задержать шлаковые и зем­ляные включения, не допустив их в полость формы. Это достигают пониже­нием скорости металла в шлакоуловителе, изменяя направление его дви­жения. При торможении металла шлаковые включения всплывают и задерживаются в шлакоуловителе. Хорошо очищает металл шлакоулови­тель гребенчатого типа (рис. III.7, б). При машинной формовке исполь­зуют фильтровальную огнеупорную сетку 5, которую устанавливают в воронку (рис. 111.7, в) или в шлакоуловитель (рис. III.7, г). Питатели подводят металл непосредственно в полость формы. Размещают их в ниж­ней полуформе в плоскости разъема.

Литниковая система во время заливки должна быть заполнена жидким металлом, так как разрыв струи приводит к всасыванию воздуха и шлака в полость формы, а также к образованию окисленных плен в месте разрыва. Поэтому между элементами литниковой системы выдерживают определенное соотношение: суммарная площадь сечения всех питателей (Р_п) должна быть меньше площади сечения шлакоуловителя (Р_ш), который в свою очередь, имеет сечение меньшее, чем стояк (Р_с), например: Р_п: Р_т: Р_с = 1,0 : 1,2′: 1,4. К литниковой системе относится также выпор — вертикальный канал 4 (рис. III.4), располагаемый в самой верх­ней точке отливки. Он служит для выхода воздуха из полости формы при ее заливке, а также для сбора всплывающей грязи и контроля заполнения формы металлом.

4. Модельный комплект при машинной формовке изготавливают из сплавов легких металлов. Металлические полумодели закрепляют винтами на металлических плитах. На этой же плите монтируют модели литнико­вой системы. Такие плиты называют модельными. Так как при машинной формовке две полуформы изготавливают отдельно на разных машинах, то полумодели закрепляют на координатных модельных плитах, чтобы обеспечить совпадение двух полуформ ори их сборке.

На рис. III. 8 показаны верхняя 3 и нижняя 2модельные плиты с опо­ками 7. Полумодели верхняя 4 и нижняя / зафиксированы контрольными штифтами 5 и закреплены винтами 9. Таким же образом закреплены мо­дели шлакоуловителя 6 и питателя 8.

Источник

Основные виды литья для изготовления отливок

Литьё в песчаные формы

Литьё в песчаные формы — дешёвый, самый грубый, но самый массовый (до 75-80 % по массе получаемых в мире отливок) вид литья. Вначале изготовляется литейная модель (ранее — деревянная, в настоящее время часто используются пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования), копирующая будущую деталь. Модель засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ею и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия — литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), удаляют облой и проводят термообработку .

Новым направлением технологии литья в песчаные формы является применение вакуумируемых форм из сухого песка без связующего. Для получения отливки данным методом могут применяться различные формовочные материалы, например песчано-глинистая смесь или песок в смеси со смолой и т.д. Для формирования формы используют опоку (металлический короб без дна и крышки). Опока имеет две полуформы, то есть состоит из двух коробов. Плоскость соприкосновения двух полуформ — поверхность разъёма. В полуформу засыпают формовочную смесь и утрамбовывают её. На поверхности разъёма делают отпечаток промодели (промодель соответствует форме отливки). Также выполняют вторую полуформу. Соединяют две полуформы по поверхности разъёма и производят заливку металла.

Литьё в кокиль

Литьё металлов в кокиль — более качественный способ. Изготавливается кокиль — разборная форма (чаще всего металлическая), в которую производится литьё. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали.

Литьё в кокиль, кокильное литьё, способ получения фасонных отливок в металлических формах — кокилях. В отличие от других способов литья в металлические формы (литьё под давлением, центробежное литьё и др.), при литьё в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести . Основные операции и процессы: очистка кокиля от старой облицовки, прогрев его до 200—300°С, покрытие рабочей полости новым слоем облицовки, простановка стержней, закрывание частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. Процесс кристаллизации сплава при литье в кокиль ускоряется, что способствует получению отливок с плотным и мелкозернистым строением, а следовательно, с хорошей герметичностью и высокими физико-механическими свойствами. Однако отливки из чугуна из-за образующихся на поверхности карбидов требуют последующего отжига. При многократном использовании кокиль коробится и размеры отливок в направлениях, перпендикулярных плоскости разъёма, увеличиваются.

В кокилях получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых и др. 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 10000 раз (с простановкой металлических стержней). До 45 % всех отливок из этих сплавов получают в кокилях. При литье в кокиль расширяется диапазон скоростей охлаждения сплавов и образования различных структур. Сталь имеет относительно высокую температуру плавления, стойкость кокилей при получении стальных отливок резко снижается, большинство поверхностей образуют стержни, поэтому метод кокильного литья для стали находит меньшее применение, чем для цветных сплавов. Данный метод широко применяется при серийном и крупносерийном производстве.

Литьё под давлением

ЛПД занимает одно из ведущих мест в литейном производстве. Производство отливок из алюминиевых сплавов в различных странах составляет 30—50 % общего выпуска (по массе) продукции ЛПД. Следующую по количеству и разнообразию номенклатуры группу отливок представляют отливки из цинковых сплавов. Магниевые сплавы для литья под давлением применяют реже, что объясняется их склонностью к образованию горячих трещин и более сложными технологическими условиями изготовления отливок. Получение отливок из медных сплавов ограничено низкой стойкостью пресс-форм.

Номенклатура выпускаемых отечественной промышленностью отливок очень разнообразна. Этим способом изготовляют литые заготовки самой различной конфигурации массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов. Выделяются следующие положительные стороны процесса ЛПД:

• Высокая производительность и автоматизация производства, наряду с низкой трудоёмкостью на изготовление одной отливки, делает процесс ЛПД наиболее оптимальным в условия массового и крупносерийного производств.
• Минимальные припуски на мехобработку или не требующие оной, минимальная шероховатость необрабатываемых поверхностей и точность размеров, позволяющая добиваться допусков до ±0,075 мм на сторону.
• Чёткость получаемого рельефа, позволяющая получать отливки с минимальной толщиной стенки до 0,6 мм, а также литые резьбовые профили.
• Чистота поверхности на необрабатываемых поверхностях, позволяет придать отливке товарный эстетический вид.

Также выделяют следующие негативное влияние особенностей ЛПД, приводящие к потере герметичности отливок и невозможности их дальнейшей термообработки:

• Воздушная пористость, причиной образования которой являются воздух и газы от выгорающей смазки, захваченные потоком металла при заполнении формы. Что вызвано неоптимальными режимами заполнения, а также низкой газопроницаемостью формы.
• Усадочные пороки, проявляющиеся из-за высокой теплопроводности форм наряду с затрудненными условиями питания в процессе затвердевания.
• Неметаллические и газовые включения, появляющиеся из-за нетщательной очистки сплава в раздаточной печи, а также выделяющиеся из твёрдого раствора.

Задавшись целью получения отливки заданной конфигурации, необходимо чётко определить её назначение: будут ли к ней предъявляться высокие требования по прочности, герметичности или же её использование ограничится декоративной областью. От правильного сочетания технологических режимов ЛПД, зависит качество изделий, а также затраты на их производство. Соблюдение условий технологичности литых деталей, подразумевает такое их конструктивное оформление, которое, не снижая основных требований к конструкции, способствует получению заданных физико-механических свойств, размерной точности и шероховатости поверхности при минимальной трудоёмкости изготовления и ограниченном использовании дефицитных материалов. Всегда необходимо учитывать, что качество отливок, получаемых ЛПД, зависит от большого числа переменных технологических факторов, связь между которыми установить чрезвычайно сложно из-за быстроты заполнения формы.

Основные параметры, влияющие на процесс заполнения и формирования отливки, следующие:

• давление на металл во время заполнения и подпрессовки;
• скорость прессования;
• конструкция литниково-вентиляционной системы;
• температура заливаемого сплава и формы;
• режимы смазки и вакуумирования.

Сочетанием и варьированием этих основных параметров, добиваются снижения негативных влияний особенностей процесса ЛПД. Исторически выделяются следующие традиционные конструкторско-технологические решения по снижению брака:

• регулирование температуры заливаемого сплава и формы;
• повышение давление на металл во время заполнения и подпрессовки;
• рафинирование и очистка сплава;
• вакуумирование;
• конструирование литниково-вентиляционной системы;

Также, существует ряд нетрадиционных решений, направленных на устранение негативного влияние особенностей ЛПД:

• заполнение формы и камеры активными газами;
• использование двойного хода запирающего механизма;
• использование двойного поршня особой конструкции;
• установка заменяемой диафрагмы;
• проточка для отвода воздуха в камере прессования;

Литьё по выплавляемой модели

Ещё один способ литья металлов — по выплавляемой модели — применяется в случаях изготовления деталей высокой точности (например лопатки турбин и т. п.) Из легкоплавкого материала: парафин, стеарин и др., (в простейшем случае — из воска) изготавливается точная модель изделия и литниковая система. Наиболее широкое применение нашёл модельный состав П50С50 состоящий из 50 % стеарина и 50 % парафина, для крупногобаритных изделий применяются солевые составы менее склонные к короблению. Затем модель окунается в жидкую суспензию на основе связующего и огнеупорного наполнителя. В качестве связующего применяют гидролизованный этилсиликат марок ЭТС 32 и ЭТС 40, гидролиз ведут в растворе кислоты, воды и растворителя (спирт, ацетон). В настоящее время в ЛВМ нашли применения кремнезоли не нуждающиеся в гидролизе в цеховых условиях и являющиеся экологически безопасными. В качестве огнеупорного наполнителя применяют: электрокорунд, дистенсилиманит, кварц и т. д. На модельный блок (модель и ЛПС) наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоёв. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняются для формирования плотной поверхности оболочковой формы. Сушка каждого слоя занимает не менее получаса, для ускорения процесса используют специальные сушильные шкафы, в которые закачивается аммиачный газ. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав: в воде, в модельном составе, выжиганием, паром высокого давления. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000 для удаления из оболочковой формы веществ способных к газообразованию. После чего оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000. Нагретый блок устанавливают в печь и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики, далее отрезка ЛПС.Таким образом получаем отливку.

В силу большого расхода металла и дороговизны процесса ЛВМ применяют только для ответственных деталей.

Процесс литья по выплавляемым моделям базируется на следующем основном принципе:

• Копия или модель конечного изделия изготавливаются из легкоплавкого материала.

• Эта модель окружается керамической массой, которая затвердевает и образует форму.

• При последующем нагревании (прокалке) формы модель отливки расплавляется и удаляется.

• Затем в оставшуюся на месте удалённого воска полость заливается металл, который точно воспроизводит исходную модель отливки.

Литьё по газифицируемым (выжигаемым) моделям

Литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенопласта по качеству фасонных отливок, экономичности, экологичности и высокой культуре производства наиболее выгодно. Мировая практика свидетельствует о постоянном росте производства отливок этим способом, которое в 2007 году превысило 1,5 млн т/год, особенно популярна она в США и Китае (в одной КНР работает более 1,5 тыс. таких участков), где всё больше льют отливок без ограничений по форме и размерам. В песчаной форме модель из пенопласта при заливке замещается расплавленным металлом, так получается высокоточная отливка. Чаще всего форма из сухого песка вакуумируется на уровне 50 кПа, но также применяют формовку в наливные и легкоуплотняемые песчаные смеси со связующим. Область применения ЛГМ — отливки массой 0,1—2000 кг и более, тенденция расширения применения в серийном и массовом производстве отливок с габаритными размерами 40—1000 мм, в частности, в двигателестроении для литья блоков и головок блоков цилиндров и др.

На 1 тонну годного литья расходуется 4 вида модельно-формовочных (неметаллических) материалов:

• кварцевого песка — 50 кг,
• противопригарного покрытия — 25 кг,
• пенополистирола — 6 кг,
• плёнки полиэтиленовой — 10 кв.м.

Отсутствие традиционных форм и стержней исключает применение формовочных и стержневых смесей, формовка состоит из засыпки модели песком с повторным его использованием на 95-97 %.

Центробежное литье и центробежный метод литья

Центробежный метод литья (центробежное литьё) используется при получении отливок, имеющих форму тел вращения. Подобные отливки отливаются из чугуна, стали, бронзы и алюминия. При этом расплав заливают в металлическую форму, вращающуюся со скоростью 3000 об/мин.

Под действием центробежной силы расплав распределяется по внутренней поверхности формы и, кристаллизуясь, образует отливку. Центробежным способом можно получить двухслойные заготовки, что достигается поочерёдной заливкой в форму различных сплавов. Кристаллизация расплава в металлической форме под действием центробежной силы обеспечивает получение плотных отливок.

При этом, как правило, в отливках не бывает газовых раковин и шлаковых включений. Особыми преимуществами центробежного литья является получение внутренних полостей без применения стержней и большая экономия сплава в виду отсутствия литниковой системы. Выход годных отливок повышается до 95 %.

В нашем производстве используют машины с горизонтальными осями вращения. Широким спросом пользуются отливки втулок, гильз и других заготовок, имеющих форму тела вращения, произведенные с помощью метода центробежного литья. Что такое центробежное литьё?

Центробежное литье — это способ получения отливок в металлических формах. При центробежном литье расплавленный металл, подвергаясь действию центробежных сил, отбрасывается к стенкам формы и затвердевает. Таким образом получается отливка. Этот способ литья широко используется в промышленности, особенно для получения пустотелых отливок (со свободной поверхностью).

Технология центробежного литья обеспечивает целый ряд преимуществ, зачастую недостижимых при других способах, к примеру:

• Высокая износостойкость.
• Высокая плотность металла.
• Отсутствие раковин.
• В продукции центробежного литья отсутствуют неметаллические включения и шлак.

Центробежным литьём получают литые заготовки, имеющие форму тел вращения:

• втулки;
• венцы червячных колёс;
• барабаны для бумагоделательных машин;
• роторы электродвигателей.

Наибольшее применение центробежное литьё находит при изготовлении втулок из медных сплавов, преимущественно оловянных бронз.

По сравнению с литьём в неподвижные формы центробежное литьё имеет ряд преимуществ: повышаются заполняемость форм, плотность и механические свойства отливок, выход годного. Однако для его организации необходимо специальное оборудование; недостатки, присущие этому способу литья: неточность размеров свободных поверхностей отливок, повышенная склонность к ликвации компонентов сплава, повышенные требования к прочности литейных форм.

Литьё в оболочковые формы

Литьё в оболочковые формы — способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в формах, состоящих из смеси песчаных зёрен (обычно кварцевых) и синтетического порошка (обычно фенолоформальдегидной смолы и пульвер-бакелита). Предпочтительно применение плакированных песчаных зёрен (покрытых слоем синтетической смолы).

Оболочковую форму получают одним из двух методов. Смесь насыпают на металлическую модель, нагретую до 300°С, выдерживают в течение нескольких десятков секунд до образования тонкого упрочнённого слоя, избыток смеси удаляют. При использовании плакированной смеси её вдувают в зазор между нагретой моделью и наружной контурной плитой. В обоих случаях необходимо доупрочнение оболочки в печи (при температуре до 400°С) на модели. Полученные оболочковые полуформы скрепляют, и в них заливают жидкий сплав. Во избежание деформации форм под действием заливаемого сплава перед заливкой их помещают в металлический кожух, а пространство между его стенками и формой заполняют металлической дробью, наличие которой воздействует также на температурный режим охлаждающейся отливки.

Этим способом изготавливают различные отливки массой до 25 кг. Преимуществами способа являются значительные повышение производительности по сравнению с изготовлением отливок литьём в песчаные формы, управление тепловым режимом охлаждения отливки и возможность механизировать процесс.

Источник