Характеристика методов получения заготовок

Заготовки, полученные методами литья. Литьем получают заготовки практически любых размеров от простой до очень сложной конфигурации из всех металлов и сплавов. Качество отливки зависит от условий кристаллизации металла в форме, определяемых способом литья.

Метод литья в песчано-глинистые формы применяют для всех литейных сплавов, типов производств, заготовок любых масс, конфигураций и габаритов. В общем объеме производства отливок литьем в песчано-глинистые формы получают 80 % всех отливок и лишь 20 % отливок производят специальными методами литья. Он отличается технологической универсальностью и дешевизной. Изменяя способы формовки, материалы моделей и составы формовочных смесей, заготовки изготавливают с заданной точностью и качеством поверхностного слоя. Для метода характерны большие припуски на механическую обработку, в стружку уходит 15…25 % металла от массы заготовки.

Литьем в оболочковые формы получают заготовки сложной конфигурации: коленчатые и кулачковые валы, ребристые цилиндры, крыльчатки. Часть поверхностей заготовок не требует механической обработки. Ко времени затвердевания металла формы легко разрушается, не препятствуя усадке металла, остаточные напряжения в отливке незначительны. Расход формовочные материалов меньше в 10…20 раз, чем при литье в песчано-глинистые формы.

Оболочковые формы изготовляются по горячей модельной оснастке 1 (рис. 2, а), нагретой до 200…250 °С, из специальной формовочной смеси 3, состоящей из мелкозернистого кварцевого песка, термореактивных связующих материалов, увлажнителей (керосин, глицерин), растворителей (ацетон, этиловый спирт) и других веществ, находящихся в опрокидывающем бункере 2. Модельная плита поворачивается на 180 °, формовочная смесь насыпается на нее.

Рис. 2. Схемы операции формовки при литье в оболочковые

литейные формы

Формовочная смесь на нагретой модельной плите выдерживается до образования оболочки толщиной 5…15 мм (рис. 2, б). После возвращения плиты в исходное положение (рис. 2, в) смесь прокаливается в печи при температуре 300…350 °С. Полученная таким образом твердая оболочка 4 снимается с модели специальным выталкивателем 5 (рис. 2, г). Заливка расплавленного металла в такие формы может производится как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. При заливке в вертикальном положении формы для предохранения от преждевременного разрушения помещают в опоку 6 и засыпают чугунной дробью 7 (рис. 2, б). Выбивка отливок из формы производится на вибрационных решетках или на специальных выбивных установках. При литье в оболочковые формы объем механической обработки сокращается на 30…50 %, металлоемкость заготовок – на 10…15% по сравнению с литьем в песчаные формы. При этом обеспечиваются точность заготовки, соответствующая 13…14 квалитетам, параметр шероховатости поверхности Ra = 25…10 мкм.

В то же время работы с горячими металлическими моделями представляет определенную сложность и является дорогостоящей.

Литье по выплавляемым моделям – метод для изготовления сложных и точных тонкостенных (толщиной до 0,5 мм) заготовок из труднодеформируемых и труднообрабатываемых сплавов с высокой температурой плавления. Он отличается самым длительным и трудоемким ТП среди всех методов литья.

Выплавляемые модели 1 формируют в разъемных пресс-формах 2 (рис. 3, а) из двух и более частей с вертикальным или горизонтальным разъемом. Формовочная смесь, состоящая из воска, стеарина, модельного состава РЗ, содержащего парафин, синтетический церезин, буроугольный воск и кубовый остаток, а также другие материалы с температурой плавления 50…70 °С, подается под давлением в пресс-форму. После затвердевания модельного состава и извлечения модели из пресс-формы модели собирают в блоки 3 (рис. 3, б). Блок моделей покрывают жаропрочным слоем 4 при многократном окунании в специальную сметанообразную смесь, состоящую из маршаллита и связующего состава (этилсиликата или жидкого стекла) (рис. 3, в), с последующими обсыпкой в три-десять слоев мелким кварцевым песком 5 (рис. 3, г) и отвердением на воздухе или в парах аммиака 6 (рис. 3, д). Затем производят выплавление модельного состава из полученной многослойной оболочковой формы и заформовывание последней в опокепутем засыпки кварцевым песком 5 (рис. 3, е) с последующим прокаливанием в печи 7 при температуре 850…950 °С (рис. 3, ж). Прокаленную форму 8 заливают жидким металлом (рис. 3, з). После охлаждения формы отливки выбивают, очищают и отделяют от них элементы литниковой системы.

Точность размеров отливки соответствует 11…12 квалитетам, значения шероховатости их поверхности Ra = 25…10 мкм.

Экономичность метода достигается правильно выбранной номенклатурой отливок, особенно когда требования шероховатости поверхности и точности размеров могут быть обеспечены в литом состоянии и требуется механическая обработка только сопрягаемых поверхностей. Применение заготовок, полученных литьем по выплавляемым моделям, вместо штампованных снижает расход металла до 55…75 %, трудоемкость механической обработки до 60 % и себестоимость детали на 20 %.

Рис. 3. Схемы операции формовки при литье

по выплавляемым моделям

Литье в металлические формы (кокиль). Кокилем называют металлическую форму, заполняемую расплавом под действием гравитационных сил. Сущность процесса заключается в многократном применении металлической формы. Стойкость кокилей зависит от технологических факторов: температуры заливки металла, материала кокиля, размеров, массы и конфигурации отливки. Особенностью формирования отливок в кокиль является большая интенсивность теплообмена между отливкой и формой. Быстрое охлаждение расплава снижает жидкотекучесть, поэтому стенки при литье в кокиль значительно толще. Для алюминиевых и магниевых сплавов она составляет 3…4 мм, для чугуна и стали 8…10 мм. Метод полностью устраняет пригар, увеличивает выход годных заготовок до 75…95 %.

Последовательность изготовления отливки в кокиле, состоящая из небольшого числа основных операций, показана на рис. 4.

Подготовка кокиля к работе включает очистку поверхностей полуформ 1 и 3 (рис. 4, а), плиты 4 и разъемов от следов загрязнений и масла; проверку возможных смещений, центрирования и крепления подвижных частей кокиля. Затем кокиль предварительно нагревают до 150…200 °С газовыми горелками или электронагревателями, что необходимо для лучшего сцепления облицовки и краски с рабочими поверхностями кокиля и металлического стержня 5. Эти огнеупорные покрытия наносятся в виде водной суспензии. Покрытия наносят пульверизатором 2 или кистью, кокиль при этом раскрыт. Облицовка может состоять из нескольких слоев, сверху облицовку покрывают краской для меньшей шероховатости поверхности. Краски имеют такой же состав, что и облицовки, но более жидкие.

Рис. 4. Схема изготовления отливки в металлической форме (кокиле):

а – очистка полуформ; б – установка стержней; в – заливка расплава;

г – частичное удаление металлического стержня; д – извлечение отливки

Облицовки и краска защищают кокиль от резкого нагрева и схватывания с отливкой, а также регулируют скорость охлаждения отливки, что предопределяет свойства металла отливки. После нанесения огнеупорного покрытия кокиль нагревают до рабочей температуры, значение которой (обычно 150…350 °С) определяется толщиной стенок и размерами, а также задаваемыми свойствами металла отливки.

При сборке кокилей (рис. 4, б) устанавливается, если он необходим, песчаный стержень 6. После этого полуформы соединяются и скрепляются специальными зажимами или с помощью механизма запирания кокильной машины.

При помощи разливочных ковшей или автоматических заливочных устройств производится заливка кокиля расплавом 7 (рис. 4, в).

После достижения достаточной прочности отливки при ее затвердевании металлический стержень частично извлекается из отливки (рис. 4, г), чтобы избежать чрезмерного обжатия его усаживающейся отливкой.

Из открытого кокиля (рис. 4, д) извлекается затвердевшая и охлажденная отливка; перед этим окончательно удаляется металлический стержень.

Из отливки выбивают песчаный стержень, обрезают литники, прибыли и выпоры; при необходимости проводят термообработку отливок. Отливки проходят контроль.

Технологический процесс литья в кокиль дает возможность создавать высокоэффективные автоматические литейные комплексы.

Этот вид литья применяется в условиях крупносерийного и массового производств. Отливки получают из чугуна, стали и цветных сплавов с толщиной стенок 3…100 мм и массой от десятков граммов до сотен килограммов. В соответствии с ГОСТами точность отливок достигает 12…15 квалитетов, а шероховатость поверхности Ra = 25…2,5 мкм. Отливки характеризуются стабильностью по механическим свойствам и плотности.

Однако, для метода характерно наличие дефектов в отливках: деформаций, трещин, газовой пористости.

Литье под давлением является наиболее высокопроизводительным способом получения литых заготовок.

Заливка расплавленного металла производится в металлическую форму (обычно стальную) под давлением (около 100 МПа) при помощи специальной машины компрессорного или поршневого типа с холодной или горячей прессовальной камерой.

Схемы процесса изготовления заготовок на машине с холодной камерой прессования приведены на рис. 5. Порция расплавленного металла подается в прессовальную камеру 1 (рис. 5, а), где под действием поршня 2 через литниковые каналы заполняет полость металлической пресс-формы (рис. 5, б). После охлаждения и затвердевания металла извлекается стержень 3 (рис. 5, в) и вскрывается пресс-форма, одновременно из нее выталкивателем 4 удаляется отливка (рис. 5, г).

Литьем под давлением получают отливки, в основном из цветных сплавов, по форме, массе и размерам наиболее соответствующие готовым деталям (например, корпуса смесительной камеры, карбюратора и другие детали корпусного и коробчатого типа). Этим способом можно изготовлять сложные тонкостенные отливки с толщиной стенок до 0,5 мм и отверстиями диаметром до 1 мм с приливами, выступами, резьбой и т.д. При литье под давлением точность размеров заготовки соответствует 8…12 квалитетам точности и значения параметров шероховатости поверхности Ra = 5,0…0,63 мкм.

Основными преимуществами метода являются получение отливок с толщиной стенок менее 1 мм и возможность автоматизации процесса.

Рис. 5. Схемы литья под давлением на машине с холодной

камерой прессования

Центробежное литье. Характерной особенностью метода является утяжеление частиц под действием центробежных сил при заливке и затвердевании. Это улучшает питание отливок, однако химическая неоднородность (ликвация) у таких заготовок выражена более ярко, чем у других. Этим методом получают заготовки типа тел вращения: втулки, гильзы цилиндров, диски, трубы из чугуна, сталей, твердых сплавов и цветных металлов.

Последовательность изготовления отливок на центробежных машинах с горизонтальной и вертикальной осями вращения форм показана на рис. 6. После подготовки изложницу 1 закрывают крышкой 2 и заливают расплавом через желоб 4 из ковша 3. Позиция I соответствует этапу заливки расплавом вращающихся форм, II – формирования и затвердевания отливок, III - извлечения готовых отливок из форм с помощью захватов или толкателей. Машины с горизонтальной осью вращения применяют для производства отливок – труб диаметром от 50 до 1500 мм и длиной 4…5 м, можно также отливать различные втулки, кольца и т.п. Отливки фасонные (втулки, кольца и др.) с размерами по диаметру, превышающими высоту, получают на машинах с вертикальной осью вращения.

Рис. 6. Схемы процесса получения отливок центробежным литьем:

а – на машинах с горизонтальной осью вращения; б – с вертикальной

осью вращения

Центробежное литье является производительным способом, хорошо поддающимся механизации и автоматизации. Этот вид литья обеспечивает изготовление отливок массой от нескольких граммов до нескольких тонн.

Преимуществами центробежного литья являются хорошее заполнение формы расплавом, повышенная плотность отливок за счет уменьшения пор, раковин и других дефектов, высокие механические свойства отливок, возможность получения отливок из двух и более металлов, располагающихся слоями.

Данный способ имеет следующие недостатки: загрязнение внутренней поверхности отливок неметаллическими включениями, получение неровной внутренней поверхности отливок, введение для внутренних размеров сравнительно больших припусков на механическую обработку. Точность отливок достигает 12…14 квалитетов, шероховатость поверхности Rа = 12,5…1,25 мкм.

Заготовки, полученные обработкой давлением.

Ковка является универсальным методом производства поковок на молоте или прессе. Ковкой получают заготовки для самых разнообразных деталей массой от 10 г до 350 т с припуском от 5 до 34 мм (ковка на молотах) и от 10 до 80 мм (ковка на прессах).

Ковка позволяет получать крупногабаритные заготовки последовательным деформированием отдельных ее участков. В процессе ковки улучшаются физико-механические свойства материала, особенно ударная вязкость.

Горячая объемная штамповка – основной способ получения заготовок для ответственных деталей массой от 0,5 до 20…30 кг. В зависимости от типа применяемого штампа различают штамповку в открытых или закрытых штампах, а также в штампах для выдавливания. В зависимости от применяемого оборудования штамповку подразделяют на штамповку на молотах, прессах, ГКМ, гидравлических прессах, а также на специальных машинах.

Прогрессивными технологическими процессами горячей объемной штамповки являются штамповка на радиально-ковочных машинах, а также жидкая и объемная изотермическая штамповки (рис. 7).

Одновременное обжатие заготовки четырьмя бойками на радиально-ковочных машинах (РКМ) (рис. 7, а) создает в очаге деформации схему всестороннего неравномерного сжатия. Бойки 1, расположенные радиально и симметрично относительно заготовки 2, совершают кратковременные удары-обжатия (160…1800 ударов в мин). Процесс высокопроизводительный: одна РКМ усилием 10 МН заменяет, например, шесть 2,5 –тонных молотов и один гидравлический пресс усилием 6,3 МН. Радиальное обжатие обеспечивает производство поковок диаметрами 18…600 мм и значительную экономию металла, увеличивает производительность оборудования и повышает износостойкость деталей машин.

Жидкую штамповку проводят в штампах (рис. 7, б), снабженных полостями для заливки жидкого металла и хранения его излишков Штамп состоит из верхней плиты 1, в которой крепится блок пуансонов 2, состоящий из прошивного 3 и подпрессовочного 4 пуансонов. Матрица 7, укрепленная на нижней плите 9 штампа обоймой матрицы 8, охлаждается водой, подаваемой по шлангу 5 в каналы 6. Поковка 11 массой от 3 до 30 кг удаляется из матрицы выталкивателем 10.

Объемная изотермическая штамповка совершается в закрытых или открытых штампах, в рабочей зоне которых поддерживается температура 800…1100 °С. В штампе (рис. 7, в) выдавливается заготовка 1 в матрице 12 пуансоном 7. Готовая поковка выталкивателем 14 удаляется из штампа; для этого крепежная плита 4, пуансонодержатель 5 и пуансон, закрепленный кольцом 2 и втулкой 3 на опоре 6, поднимается вверх. Нагревателями являются медные стержни 9, они соединены планками 13, от корпуса штампа 11 изолированы (позиции 15, 16 и 17). Ток подводится устройствами 8, температура фиксируется термопарой 10.

Рис. 7. Прогрессивные способы горячей объемной штамповки:

а – на радиально-ковочных машинах; б – жидкая штамповка;

в - изотермическая штамповка

Горячая объемная штамповка широко применяется для получения заготовок деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин и др. так как создает благоприятные условия для расширения номенклатуры деталей, поставляемых на сборку после минимальной механической обработки.

Холодной объемной штамповкой получают заготовки с высокими физико-механическими свойствами благодаря холодному течению металла в штампе. Этим способом получают заготовки деталей, работающих в тяжелых условиях абразивного износа, при ударных и знакопеременных нагрузках, тепловых и других вредных факторах, например, шаровые пальцы рулевой тяги, поршневые пальцы, седла клапанов и др.

Прокаткой получают заготовки, применяемые непосредственно для изготовления деталей на МРС.

Товарные заготовки, сортовые и фасонные профили общего, отраслевого и специального назначения, трубный и листовой прокат, гнутые и периодические профили представляют собой широкий выбор исходных заготовок, обеспечивая экономию металлов и энергии на этапе заготовительных процессов.

Заготовки, полученные методом порошковой металлургии. Заготовки изготовляют различных составов со специальными свойствами. Применение метода для производства заготовок конструкционного назначения оправдано лишь значительным эффектом. Технология получения заготовок методом порошковой металлургии включает следующие основные этапы: подготовку порошков исходных материалов, прессование заготовки из подготовленной шихты в специальных пресс-формах; термическую обработку, обеспечивающую окончательные физико-механические свойства материала.

Достоинством порошковой металлургии является возможность изготовления заготовок из тугоплавких материалов, псевдосплавов (медь-вольфрам-железо-графит), пористых материалов для подшипников скольжения.

Метод порошковой металлургии позволяет изготавливать заготовки, требующие только отделочной механической обработки. Так, зубчатое колесо, полученное порошковой металлургией, обеспечивает зубчатое зацепление по 7-й степени точности и посадочный внутренний диаметр по 7-му квалитету. Это позволяет использовать его без последующей механической обработки. Типовыми деталями из порошков являются зубчатые колеса, кулачки, звездочки, храповики, втулки и др.

Экономичность метода порошковой металлургии проявляется при достаточно больших объемах производства из-за высокой стоимости технологической оснастки и исходных материалов.

Вопросы для самопроверки:

Лекция 3

ПРИПУСКИ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ

1. Основные положения для расчета припусков.

2. Методы определения припусков.

3. Расчет размеров заготовки.