Общие сведения о литейном производстве

Литейным производством называется отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных отливок путем заливки расплавленного металла в полость литейной формы, которая имеет конфигурацию отливки.

Технологический процесс получения отливки состоит из следующих основных операций: изготовления литейной формы; плавки металла; заливки металла в форму; затвердевания металла и охлаждения отливки; выбивки отливки из формы; обрубки и очи­стки отливки; термической обработки отливки; контроля качест­ва отливки и сдачи ее на механическую обработку. Каждая из пе­речисленных операций должна осуществляться таким образом, чтобы был обеспечен высо­кий уровень качества отливки по всем показателям, включая точ­ность размеров и чистоту поверхности, благоприятную структуру металла, а также отсутствие наружных и внутренних литейных и металлургических дефектов.

4.1.1 Элементы литейной формы. Литейная форма представляет собой устройство, предназначенное для заливки металла и образования отливки (рис. 4.1).

Она должна иметь рабочую полость 9, где не­посредственно формируется тело заготовки, а также литниковую систему, обеспечивающую подвод металла в рабочую полость и пи­тание отливки в процессе кристаллизации. Конфигурация и размеры рабочей полости должны соответствовать очертаниям и размерам изготовляемой отливки. При этом следует иметь в виду, что раз­меры полости должны превышать размеры отливки на величину ли­тейной усадки металла. В свою очередь, размеры отливки должны быть больше размеров детали на величину снимаемого при механи­ческой обработке технологического припуска. Таким образом, окончательные размеры рабочей полости литейной формы включают в себя соответствующие размеры детали, припуски на механиче­скую обработку и

Рис. 4.1. Литейная форма в сборе: 1 – воронка; 2 – стояк; 3 – шлаковик; 4 – питатель; 5 – прибыль; 6 стержень; 7 верхняя полуформа; 8 – нижняя полуформа; 9 полость отливки; 10 – верхняя опока; 11 – нижняя опока; 12 – замок стержневого знака; 13 – стержневой знак; 14 –центрирующая система.

на литейную усадку металла. Внутри некоторых отливок, а также на их наружной поверхности могут быть различ­ные отверстия, полости и выемки. Для выполнения при сборке формы в ней устанавливаются соответствующие керамические или металлические элементы, называемые стержнями 6(рис. 4.1). Стержни удаляются из отливки при выбивке, оставляя в ней после себя необходимые углубления или отверстия. Литниковая система (рис. 4.1) включает в себя чашу (воронку) 1, стояк 2, шлаковик 3, регулирующий скорость заливки и предотвращающий ва­куум (подсос воздуха) в стояке, прибыль 5, питатель 4,подающий металл в рабочую полость. Прибыль питает тело отливки при остывании и кристаллизации металла и предотвращает образование в ней усадочных раковин. Прибыли могут быть верхнего или бокового расположения.

4.1.2 Основные виды литья. Виды литья отличаются друг от друга по материалу литейной формы и по способу подачи в нее заливаемого металла. Однако более существенно они различаются по точности размеров и чистоте поверхности отливок, а также по производи­тельности и степени сложности технологического процесса. Сложились две группы видов литья: литье в песчано-глинистые формы и специальные виды литья.

Литье в песчано-глинистые формы – наи­более простой и распространенный способ получения литых загото­вок. Материалами для изготовления форм в данном случае служат формовочные смеси, состоящие из песка, а в ка­честве связующих материалов добавляются определенные количе­ства глины и воды. Кроме того, в смесь вводятся противопригарные добавки в виде молотого каменного угля, маршаллита (пылевид­ного кварца), мазута и другие вещества, способствующие улучше­нию качества отливки (древесные опилки, сульфитно-спиртовая бар­да).

Для изготовления стержней используются стержневые смеси, состоящие в основном из песка и связующего (льняное масло, сульфитная барда, декстрин, канифоль и т. д.). Литейная форма обычно состоит из порознь из­готовляемых ручным или машинным способом двух полуформ: ниж­ней и верхней. Каждая из полуформ изготовляется в специальных ящиках без дна и крышек, называемых опоками. При сборке литейной формы полуформы устанавливаются друг на друга и скреп­ляются

Рабочие полости для отливки в набитых формовочной смесью опоках получатся при помощи неразъемной или разъемной модели, фор­ма и размеры которой соответствуют форме и расчетным размерам рабочей полости. Сборка литейной формы из полуформ производится после извлечения модели или половинок моделей и установки стержней в нижней полуформе. Стержни изготовляются в стержневых ящиках и проходят обязательную сушку.

Собранная литейная форма заливается при помощи разливочного ковша или дозирующего устройства через литниковую систему. После охлаждения металла на специальной уста­новке производится выбивка отливки из формы. Затем производят­ся обрубка и очистка, во время которых от отливки отделяется литниковая система с прибылями, удаляются остатки формовоч­ной и стержневой смесей и осуществляется удаление с поверхности отливки различных дефектов. Проводимая после этого термиче­ская обработка имеет целью устранить крупнозернистую дендритную структуру металла, уменьшить литейные напряжения и подготовить металл отливки к механической обработке.

4.1.3 Специальные виды литья применяются для устранения недостатков литья в песчано-глинистые формы, т.е. низ­кой точности размеров и чистоты поверхности, приводящих к боль­шим припускам на механическую обработку и потерям металла в стружку. Недостатками являются также невысокая производитель­ность и плохие санитарно-гигиенические условия труда из-за боль­шой запыленности и шума на рабочих местах. Ниже описываются сущность и понятие о наиболее распространенных специальных видах литья.

Ллитье в металлические формы (кокили). Кокиль изго­товляется из чугуна или стали. Основными преимуществами являют­ся высокие точность размеров и чистота поверхности отливки, а также мелкое зерно металла отливки, что снижает металлоемкость изделий и повышает прочность металла.

Центробежное литье – заливка расплавленного металла в быстровращающиеся металличе­ские формы (рис. 4.2). Таким способом отливаются короткие (а) или длинные (б) тела вращения - трубы, втулки и другие анало­гичные им изделия. Преимущества те же, что при кокильном литье, однако качество внутренней поверхности вследствие усадочных яв­лений хуже наружной. Из-за ненадобности стержней экономятся ресурсозатраты на их изготовление.

Рис. 4.2. Центробежные машины: а – с вертикальной осью вращения, б – с горизонтальной осью вращения: 1 – электродвигатель; 2 – литейная форма; 3 – заливочное устройство; 4 – ковш; 5 заливаемый металл отливки; 6 – корпус центробежной машины; 7 – поддержавающие ролики; 8 – стержень; 9 – шпиндель.

При литье под давлением жидкий металл заливается в замкнутую металлическую пресс-форму под значительным давлением и кри­сталлизуется, оставаясь под давлением (рис. 4.3), что, устраняет пористость и рыхлость, улучшает металлургическое качество отливки.

Рис. 4.3. Схема литья под высоким давлением: 1 – подвижная плита прессформы; 2 – пуансон; 3 – заливочное окно; 4 – ковш; 5- поршень; 6 выталкиватель.

На рис. 4.3 соответственно показаны: подача металла в пред­камеру (I), нагнетание металла в рабочую полость (II) и выбивка отливки (III). Заметим, что в одной пресс-форме может располагать­ся несколько рабочих полостей, питаемых одновременно. Таким образом, литье под давлением является самым высококачественным, точным, чистым и производительным видом литья.

При литье в оболочковые формы литейная форма собирается из двух оболочек, изготовляемых на специальной установке (рис. 4.4) из смеси, состоящей из мелкого кварцевого песка и 7% синтетической термореактивной фенолформальдегидной смолы.

Формовочную смесь 3 засыпают в бункер 2 (рис. 4.4) и накрывают нагретой металлической модельной плитой 1 с укрепленными на ней металлическими моделями отливки. Бункер поворачивается на 180º и модельная плита оказывается внизу под формовочной смесью. Во время небольшой выдержки (30-40с) смола склеивает песчинки и образует оболочку 4, толщина которой достигает 8-15мм, после чего бункер возвращается в исходное положение и плита с моделями отливки оказывается вверху. Избыток песка и не оплавленной смолы осыпаются вниз бункера. Модельную плиту с моделями отливки и образовавшейся оболочкой снимают с бункера и помещают в электропечь для полного отверждения при температуре 300°С. После выдержки в течение 4-5 минут, плиту вынимают, устанавливают на стол съемочного механизма, отделяют оболочку от плиты и моделей отливки и далее оболочка отправляется на сборку, где склеивается со второй оболочкой. Полученную оболочковую форму заливают сплавом. Преимущества: высокая точность размеров и чистота поверхности.

Рис. 4.4. Последовательность изготовления оболочковой формы: 1 – металлическая модельная плита; 2 – бункер; 3 – формовочная смесь; 4 – оболочка.

Литье по выплавляемым моде­лям – один из самых точных ви­дов литья, который применяется для получения сложных по очертаниям изделий из обычных мате­риалов, а также инструмента и других изделий из твердых, труд­нообрабатываемых режущим инструментом материалов. Изготов­ленные данным способом изделия не требуют механической обра­ботки. Рассмотрим технологию данного вида литья. Вначале в спе­циальной пресс-форме (рис. 4.5, б) изготовляется от одной до не­скольких десятков моделей изготовляемой детали-отливки (рис. 3.5, д)из смеси парафина со стеарином (по 50 % каждого). В раз­мерах моделей учитываются только размеры деталей и литейная усадка материала отливки. Припуск на мехобработку не дается, поскольку она не производится.

Как правило, из моделей составляется блок с единой литниковой системой (рис. 4.5, е),позволяющей одновременно по­лучить несколько десятков отливок. Блок покрывается путем оку­нания в суспензию, состоящей из маршаллита и гидролизованного этилсиликата. Затем он посыпается квар­цевым песком и сушится. Для того чтобы вокруг модельного блока получился достаточно прочный слой, окунания в суспензию и по­сыпка песком с последующей сушкой повторяются 3-5 раз для образования оболочки (рис. 4.5, ж).

В дальнейшем из покрытого образовавшейся оболочки модельного блока одним из способов выплавляется (удаляется) модельный со­став. Получившаяся таким образом оболочка (рис. 4.5, 3)заформовывается песком или металлической дробью в контейнере и прокаливается при температуре 850—900°С. При этом оболочка упрочняется, стано­вится газопроницаемой, так как из нее выгорают остатки модель­ного состава.

Рис. 4.5. Последовательность изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям: а – отливка; б – пресс-форма; в – электропечь для расплавления легкоплавкого модельного состава; г – пресс-форма, заполненная модельным составом; д – легкоплавкая модель отливки; е – легкоплавкие модели отливки с литниковой системой; ж – легкоплавкие модели, покрытые слоем огнеупорного материала; з – получение отливок.

После этого, не ожидая снижения температуры, в форму зали­вают подготовленный сплав. Закристаллизовавшийся и остывший блок выбивается из опоки и освобождается от керамической корки. Затем каждая отливка отделяется от литниковой системы.

Основное преимущество литья по выплавляемым моделям — са­мая высокая точность размеров и чистота поверхности отливок, а также высокая производительность.