Короткі теоретичні відомості. Виготовлення піщано-глиняних форм

Лабораторна робота № 19

 

ВИГОТОВЛЕННЯ ПІЩАНО-ГЛИНЯНИХ ФОРМ

Мета роботи: Навчитись виготовляти піщано-глиняні форми та стержні.

При виконанні роботи треба отримати такі знання та уміння:

Знання - моделі, припуски при виготовленні моделі;

- стержневі ящики;

- піщано-глиняна суміш, її приготування;

- технологія виготовлення піщано-глиняних форм.

Уміння - виготовляти піщано-глиняні форми;

- виготовляти стержні отворів та порожнин.

Обладнання та матеріали: Модель, деталі литникової системи, опоки, трамбівки, піщано-глиняна суміш, графіт.

 

Короткі теоретичні відомості

Модель - це ливарний пристрій, який копіює форму деталі, а розміри має більші на величину припусків.

Припуски в моделі даються на усадку металу, механічну обробку, ухили, галтелі, ребра проти короблення та технологічні припуски. Виготовляються моделі з легкооброблюваних матеріалів (деревини, алюмінію, тощо).

Форма - це ливарний пристій, якій відповідає формі та розмірам моделі.

Модельний комплект - набір формовочних пристосувань, необхідних для утворення робочої порожнини ливарної форми. Він включає в себе модель, стержневі ящики, моделі литникової системи, формовочні, контрольні та складальні шаблони.

Стержневий ящик — це пристосування, в якому виготовляють стержні з спеціальної суміші. Внутрішня порожнина стержневого ящика відповідає конфігурації стержня із знаками, за допомогою яких.він встановлюється і фіксується у формі.

Опоки - це жорсткі рамки прямокутної форми, які виготовляють методом лиття або зварювання із стальних пластин.

Процес виготовлення ливарної форми називається формовкою. Цей процес складається з ряду операцій, які виконуються з допомогою ливарної оснастки та пристосувань.

Для виготовлення разових ливарних форм та стержнів, а також для облицювання виливниць та кокілів використовуються різні формовочні та стержневі суміші. Для одержання якісних відливок з чистою поверхнею формовочні та стержневі суміші повинні бути міцними, вогнестійкими, газопроникненними, пластичними та мінімально гігроскопічними.

Формовочні суміші, для звичайної ручної та машинної формовки, складаються з піску (основа суміші), зв'язуючих речовин (глина, вода), протипригарних добавок (молоте кам'яне вугілля, пиловидний кварц, маршаліт, мазут), добавок, які підвищують податливість та газопроникливість суміші (дерев'яні опилки, сульфітно-спиртова барда), які при дотику з рідким металом вигорають, утворюючи в суміші пори.

Стержневі суміші складаються в основному з піску та зв’язуючих речовин. До стержневих сумішей висуваються більш високі вимоги, ніж до формовочних.

Приготування формовочних та стержневих сумішей починається з підготовки (сушки, подрібнення, просівання) вихідних матеріалів.

Пісок підлягає сушці (250 °С) у киплячому шарі або повітряному потоці, печах барабанного типу або інших установках. Потім пісок просівають. Глину сушать при 200 - 250 °С у печах барабанного типу. Подрібнюють на дробилках, потім подрібнюють у шарових млинах або бігунах і просівають. У формовочну суміш глину доцільно вводити не у порошковому стані, а у вигляді суспензії (35-40 г глини та 45-60 г води), яка приготовляється у лопатевих змішувачах або інших пристроях.

Вугільний порошок отримують подрібненням вугілля, аналогічно отриманню порошкоподібної глини.

Відпрацьовану суміш після вибивання з опок розминають на гладких валках, очищають від металевих частинок на магнітному сепараторі та просівають.

Готову формовочну суміш витримують 2-5 годин у бункерах-відстійниках для рівномірного розподілу вологи та утворення водних оболонок навколо частинок глини. Потім суміш розрихлюють у спеціальних пристроях та подають на формовку.

Формовка може бути ручною та механічною. Ручну формовку використовують в основному для отримання окремих як малих, так і великих, і складних за конфігурацією відливок. Існує декілька способів ручної формовки. У залежності від форми, розмірів, складності відливки використовують формовку відкриту у ґрунті, у двох опоках, безопочну та ін.

Користуючись літературою (1) і (2), вивчіть різні види формовки.

Питання для самоконтролю

1. Що у ливарному виробництві називають моделлю, формою, стержневим ящиком та литниковою системою?

2. Які припуски передбачають для моделей?

3. Які складові входять у формовочну суміш?

4. Які вимоги ставлять до формовочної суміші?

1. Як проводять формовку у відкритому ґрунті та в двох опоках по нероз'ємній моделі?

6. Як здійснюється машинна формовка?

1. Які вимоги висуваються до ливарного металу?

Література

1. Алаи С.И. и др. Технология конструкционных материалов. - М: Просвещение, 1986. – 303 С.

2. Кнорозов Б.В. Технология металлов. М.: Металлургия, 1974. -645 С.

Завдання до роботи

1. Вивчити тему "Лиття у піщано-глиняні форми” .

2. Підготовити піщано-глиняні форми для відливок запропонованої викладачем деталі.

3. Скласти звіт про роботу.

Додаток для самостійної роботи

Галузь машинобудування, яка займається виготовленням деталей шляхом заливання металу у форми, порожнини яких мають задану форму та розміри, називається ливарним виробництвом. У машинобудуванні застосовують декілька способів формоутворення деталей (зняттям стружки, обробкою тиском, спіканням порошків), але спосіб литтям є найбільш поширеним, доступним і прогресивним. Доля деталей виготовлених литтям або з участю лиття складає біля 50%.

Для розуміння ливарного виробництва і його організації треба знати притаманну йому термінологію.

Модель – ливарний пристрій, який виготовлений з легко оброблюваного матеріалу (деревини, алюмінію, пластмаси тощо), точно копіює форму деталі, а розміри має більші за розміри деталі на величину припуску.

Припуски на модель передбачаються такі: на усадку металу, механічну обробку, нахили, галтелі та технологічні потреби. Припуск на усадку компенсує зменшення розмірів відливки після охолодження металу. Відливки, наприклад, сірого чавуну мають усадку біля 1 %, сталі - 2%, у більшості кольорових металів вона становить біля 1,5%.

Розрізняють лінійну і об’ємну усадку металу.

Лінійну визначають за допомогою спеціального пристрою, схема якого показана на рис. 19.1.

Рис. 19.1 Схема прибору для визначення лінійної усадки сплавів

Порожнина форми, яка має вигляд двотавра, обмежена нерухомою 1 і рухомою 4 металічними стінками та піщаною сумішшю 2. Метал заливають у форму. При кристалізації і охолодженні метал деталі 3 дає усадку (зменшується в об’ємі і по довжині), яка фіксується індикатором 5. Це і є лінійна усадка. Її визначають за формулою:

ε_л =(l ₀ – l)·100% / l,

де ε_л – лінійна усадка в %;

l ₀ – довжина форми при температурі заливки;

l – довжина відливки при кімнатній температурі.

Між лінійними і об’ємними усадками існує така залежність

ε_v ≈ 3·ε_л,

тому визначати об’ємну усадку експериментально немає потреби.

Припуск на усадку додають до розмірів моделі, користуючись спеціальними усадочними лінійками. Для кожного ливарного металу виготовляють свої лінійки. Користуючись ними при виготовленні моделі припуск на всі її розміри додається автоматично.

Припуск на механічну обробку надається моделі для послідуючої механічної обробки деталі або її окремих поверхонь. Після лиття відливки в більшості потребують механічної обробки (точінням, фрезеруванням, струганням тощо). Особливо шорсткими є поверхні відливок з чавуну. Величина припуску на механічну обробку встановлюється в залежності від вимог до тієї чи іншої поверхні деталі. Якщо якась поверхня деталі працює не в спряженні, то припуск на неї може не додаватись (вона шпаклюється, фарбується).

Припуски на нахили робляться з метою запобігання руйнування піщано-глиняних форм під час виймання з неї моделі. Він надається тільки на поверхні та площини, які розташовані вертикально (по ходу виймання моделі). При наявності цього припуску навіть при незначному зміщенні моделі між стіною піщано-глиняної суміші і моделлю утворюється зазор, який і запобігає руйнуванню стінки форми.

Припуск на галтель надається в тих місцях моделі, в яких наявні уступи (наприклад, різні величини діаметру вала). В місцях спряження стінок деталі (уступи) формовочна суміш при заливанні розплавленого металу може зруйнуватись. Галтель (закруглення) запобігає цьому. Під час механічної обробки розміри галтелі встановлюють уже з іншою метою – запобігання руйнуванню деталі в місцях різного перепаду діаметрів.

Технологічні припуски та припуски проти короблення деталей є тимчасовими. Їх передбачають для транспортування великих відливок, закріплення на верстатах під час механічної обробки. Для уникнення короблення при охолодженні та старінні. Більшість з них з часом зрізають.

Форма – це ливарний пристрій, який має порожнину, форма і розміри якої відповідають моделі. Вона може бути виготовлена з піщано-глиняної суміші, металу (кокіль), пластичної маси тощо.

Стержень – це ливарний пристрій, за допомогою якого у відливках роблять необхідні отвори, канали, порожнини. Наприклад, при виготовленні отеплювальної батареї треба передбачити порожнину, по якій циркулюватиме вода, отвори для з’єднання секцій та приєднання її до отеплювальної мережі. При виготовленні блоків двигунів треба передбачати багато порожнин і отворів. Стержні виготовляють з піщано-глиняної суміші в спеціальних стержневих ящиках, які виготовляються з деревини, або легкооброблюваних металів. Стержневі ящики мають порожнини, які відповідають формі і розмірам отворів в деталях.

Метали, які заливають у форми називають ливарними. Вони повинні відповідати певним вимогам. До основних вимог відносять такі: рідкотекучість, температура плавлення, усадка, схильність до утворення ліквацій тощо.

Рідкотекучість – це здатність розплавленого металу заповнювати форму. В різних металів вона різна. Гарну рідкотекучість мають чавуни та кольорові метали, особливо бронзи. Рідкотекучість залежить від хімічного складу металу, поверхневого натягу, особливостей кристалізації, теплофізичних властивостей тощо. Підвищення температури рідкого металу, зниження поверхневого натягу та інтервалу кристалізації покращують його рідкотекучість. Проте хімічний склад металу є основним фактором від якого залежить його рідкотекучість. Так збільшення вмісту вуглецю, кремнію і особливо фосфору приводить до помітного підвищення рідкотекучості сталі та чавуну. Наприклад, в не ливарних чавунах, допускається кількість фосфору до 0,07%, а в ливарних його може бути навіть біля 1%.

Для визначення рідкотекучості метал заливають в форми, які мають довгі канали постійного перерізу. Мірою рідко текучості в такому випадку є довжина каналу заповненого металом.

Експериментальне визначення рідкотекучості здійснюють спеціальними пристосуваннями, які можуть бути з спіральним або U-подібними каналами (рис. 19.2).

 

а б

 

Рис. 19.2. Спіральна (а) та U- образна (б) проби для визначення рідкотекучості

 

Пристосування з спіральним каналом (рис. 19.2а) виготовляється з піщано-глиняної суміші. Діаметр отвору каналу біля 8 мм. Відстань між випорами – 50 мм. Відстань між витками спіралі близько 12 мм. Для визначення рідкотекучості метал заливають у литникову чашу, яка розміщується по центру приладу. Цей спосіб застосовують для визначення рідкотекучості чавунів та кольорових металів.

Пристосування з U-подібними каналами застосовують для визначення рідкотекучості ливарних сталей.

Ливарний метал повинен мати якомога меншу усадку – властивість зменшуватись в об’ємі та лінійних розмірах при переході з рідкого стану в твердий та охолодження до робочої температури. Усадка є причиною утворення усадочних раковин і усадочних рихлостей у відливках.

Лінійна усадка небезпечна тим, що при гальмуванні виступами форми чи стержнів створює напруги, які викликають короблення відливок або появу тріщин. Запобігають її появі раціональним конструюванням відливок – забезпеченням вільної усадки в формі.

Об’ємна усадка приводить до появи усадочних раковин. Чим масивніша деталь, тим більша імовірність появи усадочної раковини, тому в деталях, які виготовляються ливарним способом не повинно бути місць з надмірним скопиченням металу.

Ліквація – неоднорідність хімічного складу сплаву при кристалізації. Чим більша відливка, тим повільніше вона охолоджується, а значить, більше розвивається зональна ліквація. При правильному конструюванні відливок, більшу частину ліквацій можна відвести у прибильну частину відливок.

На ліквацію впливає хімічний склад сплаву та швидкість його охолодження. Найбільше сприяють ліквації в сталях та чавунах сірка, фосфор та вуглець. Розплавлений метал здатний розчиняти гази (азот, водень тощо) і виділяти їх під час охолодження. Виділені гази, які не встигли вийти в атмосферу, залишаються в металі в газових порожнинах, раковинах. Для зменшення кількості таких порожнин рідкий метал дегазують вакуумом.

При плавленні ливарного металу вигорають певні компоненти, що до нього входять, тому в шихту добавляють лігатуру – допоміжний сплав, який компенсує втрати компонентів при плавленні.

Метал готують до лиття в дугових електропечах, індукційних та інших печах. Поширеною піччю на підприємствах є вагранка, яка за конструкцією подібна до маленької доменної печі.

Розрізняють вагранки відкритого і закритого типу. Вагранка відкритого типу (рис. 19.3) викидає неочищені димові гази в атмосферу. Вона проста за будовою та в обслуговуванні, проте забруднює довкілля.

 

Рис. 19.3 Схема вагранки

 

Робота вагранки починається засипанням порції коксу вище рівня фурм з подальшим його підпалювання природнім газом або дровами. Коли кокс розгориться в середину вагранки насипають по черзі метаталобрухт, флюси і кокс. Після цього через фурми у піч подають повітря, яке сприяє горінню коксу. Перебуваючи в контакті з коксом, розплавлений метал вбирає певну кількість вуглецю і сірки, частково втрачає кремній (10-15%), марганець (15-20%) і залізо (1-1,5%). Кремній, марганець і залізо утворюють з киснем дуття оксиди, які разом з флюсами та золою палива переходять у шлак. Повітря дуття попередньо нагрівають у спеціальних теплообмінниках (рекуператорах) до 450-550 °С. Це сприяє більш швидкому плавленню металу. У вагранках крім металобрухту можуть використовуватись відливки з чавуну. Вони спеціально відливаються на металургійних комбінатах і поставляються на віддаленні від доменних печей підприємства.

Вагранки закритого типу відрізняються від відкритого тим, що вони обладнані очисними системами.

Для плавлення алюмінієвих сплавів використовують електропечі опору, тиглеві електропечі та полуменеві печі. В лабораторних умовах використовують муфельні печі.

Для плавлення мідних сплавів (бронз, латуней) використовують індукційні, рідше полуменеві печі.

Моделі для лиття виготовляють в модельних цехах. Матеріал для моделей вибирають в залежності від характеру виробництва та складності деталі. Переважно їх виготовляють з деревини, металів або пластмас. В одиничному виробництві моделі виготовляють, як правило, з деревини, а в масовому з металу (сплавів алюмінію, рідше чавуну), або з пластмас.

Моделі повинні бути достатньо міцні, жорсткі та волого тривкі. Для збереження якості поверхню моделей фарбують у відповідний колір: чавуні відливки – у червоний, сталеві – сірий, кольорових металів – жовтий. Для встановлення стержнів у формах на моделях передбачають стержневі знаки. Їх фарбують у чорний колір.

Для заливання металу у форму потрібна литникова система. Вона складається з литникової чаши 1 (рис. 19.4), стояка 2, шлаковловлювача 3, живильних каналів 4 та випорів 5.

 

 

Рис. 19.4 Елементи литникової системи

Литникова чаша має впадину, в якій затримується шлак при заливанні розплавленого металу. Стояк - вертикальний канал круглого перерізу з незначною конусністю. Він має розміри спів розмірні з величиною форми.

Шлаковловлювач – горизонтальний канал трапеційного перетину. Він призначений для затримання шлаку та неметалічних частинок футеровочних матеріалів, які можуть попасти в рідкий метал з печі або ковша. Інколи для їх затримання в литникову чашу або шлаковловлювач вставляють вогнетривку сітку.

Живильні канали відводять метал від шлаковловлювача до форми. Їх може бути один або декілька.

Випор – служить для відводу повітря і газів з форми під час заливання металу та контролю за наповненням форми. Випори розташовують у найвищих точках порожнини форми. В залежності від форми деталі випорів може бути декілька.

Стержні для порожнин і отворів виготовляють в стержневих ящиках (рис. 19.5). Він часто складається з двох половинок 1 і2, що полегшує виймання готового стержня 3.

 

 

Рис. 19.5 Стержневий ящик

 

Порожнина стержневого ящика має форму необхідного отвору. Розміри порожнини враховують усадку металу та механічну обробку отвору. Крім цього, треба передбачити опорні частини стержня, якими він буде утримуватись у ливарній формі.

При литті в форми з піщано-глиняної суміші використовують пісок, глину, протипригарні та інші речовини.

Пісок є головним компонентом формованих сумішей. Головною складовою піску є кварц температура плавлення якого 1710 ºС. Домішками формованого піску є слюда, польовий шпат, оксиди заліза, оксиди лужних і лужноземельних металів. Вони зменшують вогнетривалість металу.

До формовочного піску висувають відповідні вимоги. Перш за все він повинен бути ретельно очищений від органічних домішок, бо вони при згоранні будуть виділяти гази, які зруйнують форму. Поскільки, пісок забезпечує газопроникнення і податливість, то є вимоги до розмірів піщинок.

Великі піщинки зумовлюють добру газопроникливість суміші, зате погіршують якість поверхні відливки. Дрібний пісок забезпечує гладку поверхню відливки, хоч зменшує газопроникливість. Це треба мати на увазі при виготовленні форм. При виготовленні великих відливок до складу формовочної суміші рекомендується вводити грубий пісок.

При виготовленні відливок з металу та чавуну до складу суміші, з метою збільшення вогнетривкості, вводять хромистий залізняк, циркон, магнезит та ін.

Глина, змочена водою, на поверхні зерен піску утворює клейку плівку, завдяки чому вони з’єднуються між собою. Кількість глини в формованій суміші не перевищує 8-12%, а кількість води – 4-5%. Для виготовлення високоякісних ливарних форм застосовують бетонітову глину. Протипригарні речовини запобігають утворенні пригару, сплавленню формовочної суміші з ливарних металом.

Пригар – небезпечна вада лиття. Він не тільки псує зовнішній вигляд відливки, а й викликає інтенсивний знос ріжучих інструментів, якими обробляється в наступному відливка. Щоб не допустити утворення пригару, робочу поверхню форми покривають тонким шаром кам’яновугільного порошку або мазутом. Вони при згоранні під час дотику з металом виділяють гази (СО, СО₂), які захищають форму від розплавленого металу та виникнення оксидів заліза. Крім того, як протипригарні речовини використовують кварц, циркон, магнезит, графіт, які заповнюють пори на робочій поверхні форми і заважають доступу металу до піщано-глиняної суміші форми.

До стержневих сумішей вимоги дещо вищі ніж до формовочних, тому що вони знаходяться в оточенні рідкого металу. Головними складовими стержневих сумішей є пісок і зв’язуюча речовина (синтетична смола, рідке скло, природна смола, цемент, рослинна олія тощо). Для захисту поверхні стержня від пригару теж використовують протипригарні речовини.

Формовочні суміші готують на складі формовочних матеріалів за допомогою спеціальних машин. До складу суміші входять як свіжі матеріали, так і оборотні (бувші у використанні). Підготовка свіжих матеріалів включає такі операції: сушіння, охолодження і просіювання, подрібнення, змішування з добавками.

Підготовка оборотних матеріалів більш трудоємка. Спочатку розминають комки суміші, потім просіюють для видалення металічних складових (залишків литникової системи, відходів очистки відливок тощо)проводять магнітну сепарацію тощо.

Технологія лиття в піщано-глиняні форми при ручному формуванні включає такі етапи:

- встановлюють на модельну плиту очищену від забруднень і змазану гасом половину моделі розрізом вниз;

- на плиті симетрично до половини моделі встановлюють опоку (металічний ящик без дна);

- притрушують поверхню моделі лікоподієм або тальком і насипають через сито шар (10-50 мм) формовочної суміші;

- засипають опоку наповнюючою формованою сумішшю і ущільнюють її спеціальними трамбівками;

- за допомогою лінійки зчищають з опоки лишню формовочну суміш;

- стержнем в формовочній суміші наколюють в шахматному порядку вентиляційні отвори так, щоб вони на 10-20 мм не доходили до моделі;

- опоку разом з половинкою моделі та сумішшю повертають на 180 °;

- на нижню опоку встановлюють верхню так, щоб її шипи співпали з отворами провушини;

- на нижню половинку моделі на шипах встановлюють верхню, присипають тальком і облицювальною сумішшю;

- встановлюють моделі литникової системи, засипають формовочною сумішшю і трамбують її;

- надлишок суміші лінійкою зчищають з верхньої опоки і виймають модель литникової чаші з стояком;

- обережно знімають верхню опоку, повертають на 180 º і кладуть поряд з нижньою опокою;

- виймають половини моделі та деталі литникової системи;

- при необхідності в нижню опоку встановлюють стержень;

- порожнину форми покривають протипригарними сумішами (графіт);

- на нижню опоку кладуть верхню і в литникову чашу заливають метал;

- після охолодження форму руйнують, очищають відливку від формовочної суміші.

Вологі форми при взаємодії з розплавленим металом, особливо зі сталлю виділяють гази і пару вологи. Вони можуть у відливці утворити раковини. Крім того волога форма має недостатню міцність, щоб витримати без руйнування та деформації розплавлений метал. Особливо це стосується форм великих деталей. Тому форми для великих і середніх відливок треба сушити, або застосовувати технологію виготовлення форм з використанням спеціальних самотверднучих сумішей.

Розплавлений метал заливають у форму неперервною струєю з ковша, рідше з дозатора, або заливочною машиною. Припиняють заливання з появою метала у випорах. Перед заливанням з поверхні металу в ковші відділяють шлак.

Охолоджують форму разом з відливкою до температури, при якій відливка стане достатньої міцності проти руйнування. Найкраще щоб відливка в формі охолонула до кімнатної температури.

Після охолодження форми руйнують і відливки очищають від формовочної суміші. При одиничному литті це робиться вручну, а при серійному за допомогою спеціальних машин вібраційного типу. З очищених відливок відрізають деталі литникової системи. Нерівності на відливках зачищають машинами з абразивними кругами.

При необхідності відливки піддають термічній обробці. Це робиться з метою зменшення ливарних напруг, стабілізації форми та розмірів відливок, зменшення їх твердості, а також збільшення зносостійкості.

Відливки, які довго зберігаються на складі ґрунтують. Процес ґрунтування полягає в фарбуванні їх поверхонь спеціальними фарбами – ґрунтовками. Це запобігає корозії металу, а також надає відливкам товарного вигляду.