- Технология центробежного литья
- Центробежное литье с горизонтальной осью вращения
- Центробежное литье с вертикальной осью вращения
- Преимущества и недостатки центробежного литья
- Центробежное литьё
- Центробежное литье
- Центробежное литье. Суть способа. Основные операции и область использования
- Особенности формирования отливки
- Особенности охлаждения и затвердевания отливок в поле центробежных сил
Технология центробежного литья
Центробежное литье – это специальная технология, которая использует центробежные силы для формирования отливок при свободной заливке расплава металла во вращающиеся изложницы. С использованием технологии центробежного литья изготавливают отливки из стали, чугуна, а также сплавов на основе алюминия, меди, титана, магния, цинка и некоторых других металлов.
Поскольку при таком способе формирования отливок на металл или сплав, являющимся исходным сырьем, воздействуют центробежные силы, то готовые изделия приобретают повышенную плотность и улучшенные механические характеристики.
Горизонтальное центробежное литьё
Для изготовления отливок методом центробежного литья используют центробежные машины, имеющие вертикальную и горизонтальную оси вращения. Они оснащаются формами для литья по выплавляемым моделям и оболочковыми формами.
Центробежное литье с горизонтальной осью вращения
Это способ является наиболее широко распространенным методом центробежного литья. Он состоит в том, что формирование отливки со свободной поверхностью происходит в поле центробежных сил. При этом внутренняя поверхность изложницы играет роль формообразующей поверхности. Заливка в форму расплава из ковша производится через специальный заливочный желоб. В процессе производства происходит растекание расплава по внутренней поверхности формы, и он под воздействием центробежных сил образует пустотелый цилиндр. После того, как металл или сплав затвердеет, форма останавливается, и готовое изделие из нее извлекается.
Центробежное литье с вертикальной осью вращения
Для того чтобы получить отливку на машинах, которые вращают форму вокруг оси, расположенной вертикально, заливка расплавленного металла или сплава производится сверху во вращающуюся форму через отверстие расположенное по оси вращения шпинделя.
В процессе вращения металл или сплав под влиянием центробежных сил стремится к боковым стенкам формы (изложницы). Вращение осуществляется до тех пор, пока форма затвердеет полностью. Как только это произойдет, форма останавливается, и из нее извлекается отливка.
Одной из характерных особенностей тех отливок, которые получаются на машинах с вертикальными осями вращения, является то, что толщина их стенок неравномерна по высоте: в нижней части они получаются более толстыми. Во многом именно поэтому таким способом обычно изготавливают отливки с небольшим габаритным значением по высоте: кольца, фланцы, короткие втулки.
Преимущества и недостатки центробежного литья
С помощью центробежного литья получить отливку, имеющую геометрически правильную свободную поверхность, можно только в том случае, если частота вращения является строго определенной (она определяется таким показателем, как гравитационный коэффициент). Если частота вращения отливки оказывается недостаточной, то вследствие усадки, как при вертикальном, так и при горизонтальном положении оси неизбежно возникают искажения.
Таким образом, можно констатировать, что одним из преимуществ центробежного литья является то, что оно позволяет существенно улучшить показатель заполняемости формы расплавом, поскольку на него действует повышенное давление, возникающее под воздействием центробежных сил. Кроме того, в отливках образуется меньше раковин, пор, разнообразных включений, существенно возрастает их плотность.
Необходимо также отметить, что достоинством этого метода литья является также уменьшение расхода металла и повышение такого показателя, как выход годного, по причине отсутствия литниковой системы. Помимо этого, при центробежном литье деталей и заготовок, имеющих форму труб и втулок, не нужно нести затраты на технологические стержни.
Что касается недостатков, то они у центробежного литья тоже есть. К таковым относится трудность изготовления отливок из тех сплавов, что склонны к ликвации; неточность размеров полости отливок, имеющих свободные поверхности; повышенная загрязненность поверхностей отливок ликватами и неметаллическими включениями (из-за этого приходится существенно повышать припуски на их механическую обработку).
Источник
Центробежное литьё
Центробежное литьё – это процесс получения отливок во вращающихся формах. Вследствие вращения формирование отливки происходит под действием центробежных сил, что измельчает структуру, очищает расплав от неметаллических включений, повышает механические свойства и герметичность отливок. Центробежное литьё осуществляют в металлических изложницах, выполненных из чугуна или стали и имеющих толщину в 1,5–2 раза больше толщины отливки. Изложницы устанавливают в специальные машины с горизонтальной или вертикальной осями вращения. Внешняя конфигурация отливок формируется полостью изложницы, а внутренняя поверхность во многих случаях формируется без непосредственного участия изложницы, что приводит к невысокому качеству этой поверхности. Для увеличения срока службы, предотвращения приваривания и уменьшения скорости затвердевания отливок на рабочую поверхность изложниц наносят теплозащитные покрытия (краски или порошкообразные облицовки), а их наружную поверхность в процессе литья охлаждают водой или воздухом. Перед началом работы изложницы подогревают до температуры 200°С.
 Рис. 3.20.Изготовление отливки на горизонтальной центробежной машине: 1 – металлическая изложница; 2 – опорные ролики; 3 – песчаный стержень; 4 – разливочный ковш; 5 – жёлоб; 6 – тележка; 7 – образующаяся отливка |
Для примера рассмотрим получение на горизонтальной центробежной машине отливки чугунной водопроводной трубы с раструбом (рис. 3.20). Металлическая изложница 1 закреплена в опорных роликах 2 и снабжена механизмом вращения вокруг горизонтальной оси, приводящимся в действие электродвигателем. Для образования раструба трубы в изложницу перед началом работы вставляют стержень 3, который выполняют либо песчаным, либо оболочковым. После того, как электродвигатель приводит изложницу 1 во вращение (с частотой 150–1200 мин –1 ), расплавленный чугун из разливочного ковша 4 заливают в изложницу по жёлобу 5, установленному на тележке 6. В процессе заливки жёлоб 5 синхронно с ковшом 4 перемещают вправо с постоянной скоростью, что обеспечивает получение одинаковой толщины отливаемой трубы 7 по её длине. Изложница вращается до полного затвердевания залитого расплава, после чего отлитую трубу извлекают.
Аналогично можно изготовить втулки, гильзы, кольца и т.п. Кроме того, поочерёдной заливкой можно получать многослойные заготовки, например, двухслойные (биметаллические) трубы (залив сначала слой чугуна, а следом, например, слой бронзы).
Рис. 3.21.Изготовление отливки на вертикальной центробежной машине: 1 – поддон; 2 – изложница; 3 – крышка; 4 – шпиндель; 5 – разливочный ковш; 6 – образующаяся отливка При получении отливок на вертикальной центробежной машине (рис. 3.21) поддон 1 с закреплённой на нём изложницей 2, закрытой крышкой 3, устанавливают на шпиндель 4, который может вращаться с помощью механизма, снабжённого электродвигателем. После достижения требуемой частоты вращения внутрь литейной полости с помощью разливочного ковша 5 заливается расплавленный металл, который растекается по поддону 1, увлекается центробежными силами и прижимается ими к вертикальной стенке изложницы 2, повторяя её рельеф, в результате чего начинает образовываться отливка 6. Вращение формы производится до полного затвердевания отливки. Таким способом получают отливки типа колец или венцов зубчатых колёс, имеющих сравнительно небольшую высоту, но достаточно большой диаметр. Поскольку при вращении вокруг вертикальной оси свободная внутренняя поверхность расплава приобретает характерную форму параболоида вращения, что приводит к разнотолщинности отливки по высоте и сдерживает применение таких машин. В целом технологическими преимуществами центробежного литья являются получение внутренних полостей полых заготовок практически без использования стержней и большая экономия сплава за счёт отсутствия литниковой системы. Источник Центробежное литье | |||
Центробежное литье имеет следующие преимущества: 1) улучшение качества отливок (по сравнению с отливками, полученными в песчаных формах): мелкозернистая структура металла, отсутствие пористости, высокая плотность, улучшение механических свойств; 2) увеличение выхода годного литья; 3) уменьшение расхода формовочной смеси или полное ее изьятие из процесса производства; 4) сокращение времени производства отливок; 5) улучшение условий труда в литейных цехах; 6) сравнительно недорогое оборудование. При центробежном литье жидкий металл заливается во вращающуюся литейную форму. Во время заливки и застывания на жидкий металл действует центробежная сила, превышающая в десятки раз силу тяжести заливаемого металла. Благодаря этому в отливке создается плотная, мелкозернистая структура металла без пористости. Внешняя поверхность центробежной отливки образуется стенками формы, а внутренняя поверхность формируется центробежной силой и силой тяжести или может быть получена с помощью стержня. Форма может вращаться вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси. Ось вращения может совпадать или не совпадать с осью отливки. Формы, вращающиеся вокруг горизонтальной оси, используются прежде всего для отливок с соотношением L/D>1 (L — длина, D — диаметр отливки). Формы, вращающиеся вокруг вертикальной оси, используются для отливок при L/D _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Источник Центробежное литье. Суть способа. Основные операции и область использованияПринцип центробежного литья заключается в том, что заполнение фор-мы расплавом и формирование отливки происходят при вращении формы вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси, либо при ее вращении по сложной траектории. Этим достигается дополнительное воздействие на расплав и затвердевающую отливку поля центробежных сил. Процесс реализуется на специальных центробежных машинах и столах. Чаше используют два варианта способа, в которых расплав заливается в форму с горизонтальной или вертикальной осью вращения. В первом варианте получают отливки – тела вращения малой и большой протяженности, во втором – тела вращения малой протяженности и фасонные отливки. Наиболее распространенным является способ литья пустотелых цилиндрических отливок в металлические формы с горизонтальной осью вращения. По этому способу (рисунок 6.1) отливка 4 формируется в поле центробежных сил со свободной цилиндрической поверхностью, а формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав 1 из ковша 3 заливают во вращающуюся форму 5 через заливочный желоб 2. Расплав растекается по внутренней поверхности формы, образуя под действием поля центробежных сил пустотелый цилиндр. После затвердевания металла и остановки формы отливку 4 извлекают. Данный способ характеризуется наиболее высоким технологическим выходом годного (ТВГ = 100%), так как отсутствует расход металла на литниковую систему.
Рисунок 6.1 – Схема получения отливки при вращении формы вокруг горизонтальной оси: 1 – расплав; 2 – заливочный желоб; 3 – ковш; 4 – отливка; 5 – форма При получении отливок со свободной параболической поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рисунок 6.2) расплав из ковша 1 заливают в форму 2, закрепленную на шпинделе 3, приводимом во вращение электродвигателем 4. Расплав 5 под действием центробежных и гравитационных сил распределяется по стенкам формы и затвердевает, после чего вращение формы прекращают и извлекают из нее затвердевшую отливку 6.
Рисунок 6.2 – Схема получения отливок при вращении формы вокруг вертикальной оси: 1 – ковш; 2 – форма; 3 – шпиндель; 4 – электродвигатель; 5 – расплав; 6 – отливка Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней (рисунок 6.3, а) в формах с вертикальной осью вращения. Так отливают, например, венцы зубчатых колес. Расплав из ковша через заливочное отверстие и стояк 1 поступает в центральную полость формы 2, выполненную стержнями 3 и 4, а затем под действием центробежных сил через щелевые питатели – в рабочую полость формы. При этом избыток металла в центральной полости формы 5 выполняет роль прибыли, обеспечивая питание отливки при затвердевании. Мелкие фасонные отливки можно получать центробежным литьем в песчаные формы (рисунок 6.3, б). Части формы 1 и 2 устанавливают на центробежный стол и крепят на нем. При необходимости используют стержни 4. Рабочие полости 3 должны располагаться симметрично относительно оси вращения для обеспечения балансировки формы. Расплав заливают через центральный стояк, из которого по радиальным каналам он попадает в полости формы. Технологический выход годного при таком способе литья приближается к выходу годного при литье в песчаные формы. При центробежном литье можно использовать песчаные, металлические, оболочковые и объемные керамические, а также комбинированные формы.
Рисунок 6.3 – Схема получения фасонных отливок: а – венец шестерни: 1 – стояк; 2 – центральная полость формы; 3 и 4 – стержни; 5 – прибыль; б – мелкие фасонные отливки: 1 – нижняя полуформа; 2 – верхняя полуформа; 3 – рабочая поверхность формы; 4 – стержень Особенности формирования отливкиГлавная особенность формирования отливок при центробежном способе литья заключается в том, что заполнение формы металлом и затвердевание отливки происходят в поле действия центробежных сил, во много раз превосходящих силу тяжести. В этих условиях если твердые частицы соприкасаются со стенкой формы, они оказываются прижатыми к стенке и уже не всплывают. На этом основано использование сыпучих покрытий для металлических форм при центробежном литье. Действие центробежных сил необходимо учитывать и при конструировании систем шлакозадержания и питания отливки, например, при получении стальных фасонных отливок центробежной заливкой в песчаные формы. Особенности охлаждения и затвердевания отливок в поле центробежных силПри изготовлении отливок со свободной поверхностью расплав охлаждается в изложнице неравномерно по объему. Часть теплоты отводится от расплава через стенку изложницы и ее крышку, а часть – конвекцией и излучением со стороны свободной поверхности. Количество теплоты, отводимое в воздушное пространство от свободной поверхности отливки, значительно. Воздух, находящийся в полости отливки, вовлечен в процесс вращения и находится в постоянном движении. Вдоль оси вращения на смену нагретому воздуху поступают порции холодного. Более интенсивная циркуляция воздуха наблюдается в случае вращения формы с расплавом вокруг вертикальной оси вследствие естественного подъема горячего воздуха вверх. Подобная неравномерность охлаждения, особенно толстостенных отливок, приводит к возникновению конвективных потоков в расплаве: охлажденный и более плотный расплав перемещается от свободной поверхности внутрь затвердевающей отливки, а горячий и менее плотный – наружу. Поэтому конвективные потоки в расплаве циркулируют в радиальном направлении (рисунок 6.4, а). В условиях центробежного литья это явление наблюдается даже при небольшом различии температур и плотностей металла, так как действующие в этой системе силы возрастают пропорционально величине гравитационного коэффициента. Это способствует направленному затвердеванию отливки в радиальном направлении, которое выражено тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения формы. При направленном затвердевании от стенок изложницы фронт растущих в радиальном направлении кристаллов находится под значительным избыточным давлением расплава, обусловленным действием поля центробежных сил. Вследствие этого кристаллы растут в направлении поступающего расплава (рисунок 6.4, б), поэтому они несколько наклонены в сторону по направлению вращения. Давление, развиваемое при вращении расплава, способствует прониканию его в межкристаллитные пространства, что улучшает питание затвердевающей отливки и увеличивает ее плотность. Свободная поверхность расплава затвердевает в последнюю очередь и при горизонтальной оси его вращения форма свободной поверхности остается геометрически правильной – цилиндрической.
Рисунок 6.4 – Схема возникновения конвективных потоков (показаны фигурными стрелками) во вращающемся затвердевающем расплаве (а) и схема кристаллического строения отливки (б): l0 – глубина расположения усадочной пористости; стрелкой показано направление вращения изложницы. Инородные частицы (газы, шлак и т.д.), плотность которых меньше плотности расплава, при центробежном литье с большой скоростью всплывают на свободную поверхность расплава. Это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку свободных поверхностей отливок, что является недостатком данного способа литья. Таким образом, при направленном затвердевании можно получить отливки с плотным строением тела, без усадочных дефектов и инородных включений. Однако центробежные силы способствуют направленному затвердеванию только в тех случаях, если выделяющиеся на свободной поверхности кристаллы твердой фазы имеют большую плотность, чем плотность остального расплава. Для большинства литейных сплавов это условие соблюдается. Исключение составляют два случая:
Усадочная пористость под свободной поверхностью наблюдается также при изготовлении толстостенных отливок (рисунок 6.4, б). В тонкостенных отливках большой протяженности глубина расположения зоны усадочной пористости l меньше. Это объясняется соотношением скоростей охлаждения со стороны наружной и внутренней поверхностей отливки. Чем меньше скорость охлаждения внутренней поверхности отливки и больше скорость охлаждения ее со стороны наружной поверхности – тем меньше глубина l. Скоростью охлаждения отливки можно управлять. Так, с наружной стороны это достигается путем изменения толщины слоя или теплофизических свойств огнеупорного покрытия, изменением скорости охлаждения формы. Со стороны внутренней поверхности с этой целью можно использовать сыпучие огнеупорные материалы или экзотермические смеси. Таким образом, особенности формирования обливки при центробежном литье сопряжены как с большими преимуществами, так и с недостатками. К преимуществами этого способа можно отнести: возможность улучшения заполняемости форм расплавом под действием давления, развиваемого центробежными силами; повышение плотности отливок вследствие уменьшения количества усадочных пор, раковин, газовых, шлаковых и неметаллических включений; уменьшение расхода металла и повышение выхода годного, благодаря отсутствию литниковой системы при изготовлении отливок типа труб, колец, втулок или уменьшению массы литников при изготовлений фасонных отливок; исключение затрат на стержни при изготовлении отливок типа втулок и труб. Недостатками способа являются: трудности получения отливок из сплавов, склонных к ликвации; загрязнение свободной поверхности отливок неметаллическими включениями; неточность размеров и необходимость повышенных припусков на обработку свободных поверхностей отливок, вызванная скоплением неметаллических включений в материале отливки вблизи этой поверхности и отклонениями точности дозы расплава, заливаемого в форму. Наивысшие технико-экономические показатели центробежного способа литья достигаются при получении пустотелых цилиндрических отливок с различными размерами и массой (длиной до нескольких метров и массой до нескольких тонн): труб разного назначения из чугуна, стали, цветных и специальных сплавов; втулок и гильз для стационарных и транспортных дизелей; колец подшипников качения и др. Большое распространение получило центробежное литье для изготовления биметаллических изделий, изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением, при необходимости получения тонкостенных отливок со сложной геометрией и микрорельефом поверхности. К ним относятся, например, турбинные диски с лопатками, отливки художественного и ювелирного назначения. Источник |
