Основы литейного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И ЕГО РОЛЬ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Получение изделий из металлов методом литья для изготовления украшений, оружия и бытовых предметов применяли еще в древности.

Наша Родина славится мастерством своих литейщиков, которые создали шедевры мирового искусства, такие как: Царь-пушка с длиной ствола 5,34 м, калибром 890 мм, массой 40 т (отлита Андреем Моховым в 1594 г.), Царь-колокол, имеющий высоту 6,14 м, диаметр 6,6 м, а массу около 200 т (отлит Иваном и Михаилом Моториными в 1735 г.), памятник Петру I - «Медный всадник» массой 22 т и высотой 10 м (отлит в 1782 г. мастером Фальконе) с толщиной стопок и верхней части отливки 7,5 мм, а в нижней - 30 мм.

Конечная продукция литейного производства называется литыми заготовками, или отливками. Литьем могут быть получены изделия массой от нескольких граммов до сотен тонн с толщиной стенки 0,5-500 мм и более, размерами от нескольких миллиметров до десятков метров, сложной конфигурации, которые при помощи других видов обработки (штамповки, сварки, механической обработки и т. п.) изготовить невозможно или экономически нецелесообразно (рис. 14.1). В настоящее время мировое производство отливок составляет более 80 млн. т в год.

Процесс получения литых заготовок, называемый литейным производством, состоит из совокупности многих технологических операций. Расплавленный металл заливают во внутреннюю полость литейной формы, которая по конфигурации соответствует получаемой отливке. Литейная форма заполняется металлом через каналы, называемые литниковой системой. Заполнение формы металлом может быть свободным - под действием силы тяжести металла или принудительным - под действием центробежных сил или внешнего давления. Металл, заполнив внутреннюю полость формы, кристаллизуется в ней и образует литую заготовку. Наружные очертания отливки образуются стенками полости формы, а внутренние отверстия, пустоты, наружные поверхности сложной конфигурации, каналы и полости в отливках образуются при помощи вставок, называемых стержнями, которые после кристаллизации отливки извлекают из нее. Стержни устанавливают внутрь литейной формы в процессе ее сборки перед заполнением металлом. Стержни и формы могут быть разовыми - изготовляемыми на основе песчаных смесей, и многократными (постоянными) - изготовляемыми из металла или огнеупорных материалов.

Литое изделие может быть заготовкой, требующей механической обработки перед сборкой, или деталью, поступающей на сборку без предварительной механической обработки.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО И ЕГО РОЛЬ

Литейное производство - отрасль машиностроения, продукцией которой являются отливки, получаемые в литейных формах при заполнении их жидким сплавом заданного химического состава. При охлаждении расплав затвердевает, сохраняя конфигурацию полости формы.

Полости в отливке получают, устанавливая в форму «стержень». Литьем изготавливают отливки простой и сложной формы, которые нельзя получить другими способами (например, корпусные детали автомобиля).

Литейная форма - это полость, которая по очертаниям и размерам соответствует конфигурации детали. После затвердевания получается отливка, затем её подвергают отделочным операциям и направляют в качестве заготовки в механический цех. Иногда мехобработка не требуется.

Достоинством литья является:

- возможность получения отливки различной формы и размеров;

- возможность получить заготовку с небольшими припусками на мех. обработку.

Припуск - это слой металла, подлежащий удалению в процессе мехобработки.

Недостатки литья:

- отливки пористые, имеют неоднородный хим. состав и более низкие механические свойства по сравнению с др. видами горячей обработки.

Процесс получения отливки можно разбить на следующие самостоятельные этапы:

- изготовление литейной оснастки: модели, стержней и литейной формы;

- плавка литейного сплава и заливка его в форму;

- выбивка отливки из формы после кристаллизации расплава и охлаждения отливки;

- контроль качества получившейся отливки.

Различают разовые и многоразовые формы. (разовая форма, модель, многоразовая форма).

Разовая форма применяется для получения одной отливки, так как после кристаллизации и охлаждения расплава отливку достают, разрушая форму. Разовая форма изготавливается путем уплотнения формовочной смеси вокруг модели. В зависимости от типа производства применяют ручную (единичное и мелкосерийное производство) или машинную (серийное и массовое производство) формовку. (Литье в сухие и сырые песчано-глинистые формы, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, литье по газифицируемым моделям, литье по растворяемым моделям).

Модель - копия отливки, выполняемая из дерева или легких сплавов при помощи которого в форме получают отпечаток, соответствующей внешней конфигурации отливок. По внешнему контуру модель должна соответствовать внешнему контуру отливки с учетом усадки литейного сплава, но без отверстий, впадин и углублений. Стержни необходимы для получения полостей в отливке. Они выполняются из стержневых смесей и устанавливаются в полости формы.

Многоразовая форма (кокиль) выполняется металлической (сталь, чугун, медь), ее внутренняя полость формируется на металлорежущих станках. Для получения полостей отливки также применяются стержни.

Литейные сплавы: чугун, сталь, алюминевые сплавы, титановые сплавы, медные сплавы.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В ПЕСЧАНЫЕ ФОРМЫ

Литье в песчаные формы. Песчаные формы изготавливают из формовочных смесей, состоящих из кварцевого песка, глины (бентонита), воды и специальных добавок для повышения основных свойств смеси (прочность, газопроницаемость, податливость, противопригарность). При разработке чертежа необходимо учитывать специальные требования к отливке, обеспечивающие минимизацию механической обработки (оптимальные припуски на механическую обработку приближение формы заготовки к форме готовой детали).

Припуск на механическую обработку - поверхностный слой материала удаляемый на стадии механической обработки детали для обеспечения требуемой точности. Технологический литейный припуск - слой материала, удаляемый или не удаляемый на стадии механической обработки, облегчающий получение отливки. К технологическим припускам относят литейные уклоны, литейные радиусы (галтели), напуски, приливы, усадочные ребра или стяжки.

Литейные уклоны необходимы для удобства извлечения модели из формы без разрушения последней и для свободного извлечения стержня из стержневого ящика.

Литейные радиусы - закругления внешних и внутренних углов отливки и модели для получения плавного перехода в сопрягаемых стенках. Наличие литейных радиусов исключает осыпание формовочной смеси в углах формы при извлечении модели.

Напуски необходимы для упрощения изготовления отливки. Например, отверстия малого диаметра (до 50 мм) целесообразно выполнять сверлением, поэтому нет необходимости предусматривать отверстие при литье.

Приливы предназначены для удобства крепления отливки в приспособлениях при механической обработке и для захвата изделия при его транспортировке. Наличие ребер предохраняет отливку от коробления при кристаллизации и остывании литейного сплава.

Для изготовления песчаной формы используют модельные комплекты и опочную оснастку.

По чертежу отливки изготавливают модель. Для удобства изменения модели из формы ее часто выполняют из двух половинок. Для облегчения сборки полумоделей, в них предусматривают базовые выступы 1 и впадины 2.

Для обеспечения точного положения стержня в полости формы на модели у стержня изготавливают знаки 3, которые являются опорами для укрепления стержня. На модельной плите 4 в первую очередь получают нижнюю полуформу. Затем изготавливают верхнюю полуформу. Стержень изготавливают в специальном стержневом ящике из более качественной (стержневой) смеси. Если имеется несколько стержней, на чертеже они обозначаются ст1, ст2, ... (нумерация соответствует последовательности их укладки в форму). Полуформы 14 размещаются внутри верхней 9 и нижней 7 опок. При сборке опоки базируются по базовым штифтам 13 и зажимаются болтами 8. Подвод расплава в полость формы осуществляется по литниковой системе 12. Для выпуска воздуха, находящегося во внутренней полости формы, предусматриваются выпары 11. Для улучшения газопроницаемости формовочной смеси шилом протыкают вентиляционные каналы 10.

литье сплав отливка заготовка

Литниковая система (рис. 3.2) состоит из литниковой чаши 1, стояка 3, питателя 2, шлакосборников 4 и прибыли 5.

Шлакосборники необходимы для удаления шлаков из заливаемого расплава. Прибыль необходима для компенсации усадки застывающего расплава. Иногда отливка имеет значительную разницу объемов в разных частях.

В местах с малым объемом расплав застынет раньше, и возможен литейный брак (трещины или коробление в зоне малого объема).

Для выравнивания времени кристаллизации применяют холодильники (рис. 3.3), которые часто бывают внутренние и представляют собой твердые куски сплава, соответствующие заливаемому расплаву.

Метод литья в песчаные формы характеризуется низкой размерной точностью отливок, высокой шероховатостью их поверхностей. Однако он универсален (можно получать отливки массой от 100 г до сотен килограмм), не требует дорогого оборудования и оснастки.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ЛИТЬЯ

Литье в оболочковые формы. Данный вид литья представляет собой процесс получения отливок путем заливки расплава в форму из термически или химически твердеющих смесей.

Форма изготавливается по горячим металлическим моделям, формовочная смесь содержит огнеупорный материал (например, кварцевый песок) и 3...9% термореактивных смол (например, пульвобакелит). Смола при 70 С размягчается, при 120 С плавится, превращаясь в жидкую клейкую массу.

При дальнейшем увеличении температуры смола затвердевает, образуя совместно с кварцевым песком твердую прочную корку. При 450 С смола выгорает, что облегчает разрушение оболочки при выбивке отливки. На свойстве смолы переходить из жидкого состояния в необратимое твердое основаны способы получения оболочковых форм.

Формовочную смесь 1 (рис. 3.4, а) засыпают в бункер 2 и накрывают нагретой металлической плитой 3. На плите укреплены металлические модели (полумодели) 4. При повороте бункера на 180° (рис. 3.4, б) смесь накрывает плиту с моделями. Частички смолы плавятся, обволакивают рядом лежащие песчинки и связывают их между собой. Образуется оболочка 5, толщина которой (6... 18 мм) зависит от температуры плиты и времени выдержки.

Далее бункер поворачивают на 180° (рис. 3.4, в). Остаток смеси ссыпается на дно. Плиту вместе с оболочкой снимают с бункера и помещают в печь для полного отвердевания оболочек. Затем полученную оболочку 6 (полуформу) направляют на сборку формы. Полуформы и изготовленную аналогичным способом литниковую систему склеивают. Полученную форму помещают в опоку с чугунной дробью. Заливку расплавом производят в вертикальном или горизонтальном положении формы.

Процесс изготовления полуформ механизирован, что снижает себестоимость литья. По сравнению с литьем в песчаные формы литье в оболочковые формы позволяет получать отливки с более низкой шероховатостью поверхности и большей размерной точностью, но к отливке предъявляются дополнительные требования. Нежелательно отливать глубокие коробчатые конструкции, так как формы получаются разностенными. Можно получать тонкие ребра и четкие художественные рельефы. Оптимальная толщина стенок равна 2...8 мм. При толщине стенок 10... 12 мм в отливке можно получать отверстия диаметром от 6 мм.

Литьем в оболочковые формы изготавливают ответственные детали: ребристые цилиндры двигателей мотоциклов, гильзы, звездочки, коленчатые валы.

ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Литейная форма - неразъемная тонкостенная оболочка, обычно из химически или термически твердеющих смесей по разовым моделям. Модель выполняется из легкоплавких (парафин, стеарин) или газифицируемых (пенополистирол) материалов.

Последовательность получения отливок в серийном производстве показана на рис. 3.5. По чертежу отливки (рис. 3.5, а) изготавливают пресс-форму 1 (рис. 3.5, б) с необходимым набором стержней 2.

Расплавленный легкоплавкий материал (например, смесь 50% парафина и 50% стеарина) заливается под небольшим давлением в пресс-форму. При этом получают легкоплавкую модель 3 (рис. 3.5, в) точных размеров. После затвердевания модели собирают в блоки (рис. 3.5, г) с общей литниковой системой 4.

Далее, в несколько слоев, с промежуточной сушкой на воздухе, блоки покрывают огнеупорной смесью (например, смесь этиленсиликата и 70% кварцевой муки). В результате получают оболочку 5 (рис. 3.5, д).

Модели выплавляют из формы горячим воздухом, водой или паром (120... 150°С). Форму помещают в контейнер 6 (рис. 3.5, ё), засыпают песком 7 и уплотняют его или засыпают чугунной дробью. Затем форму прокаливают при температуре 850...900 °С.

При этом выгорают остатки модели, форма превращается в твердую керамическую оболочку 8. Горячую форму заливают расплавленным литейным сплавом.

Применение неразъемной формы позволяет получать отливки разнообразных форм. Объединение нескольких моделей в единый блок позволяет повысить производительность литья. Однако это наиболее длительный и трудоемкий способ из всех видов литья, к тому же изготовление внутренней полости пресс-формы требует станочной обработки.

ЛИТЬЕ В МНОГОРАЗОВЫЕ ФОРМЫ

Литье в кокиль. Кокиль - металлическая многоразовая форма, заполняемая жидким металлом под действием гравитационных сил.

Кокильное литье применяется в массовом и крупносерийном производстве, так как металлическая форма, изготовленная из стали или чугуна позволяет многократно её использовать (от 5 до 50 тыс. раз), форма может быть цельной, разъемной, с вертикальной или горизонтальной плоскостью разъема. Перед заливкой кокиль нагревается до температуры от 200-300С⁰, а внутри поверхность покрывается огнеупорными обмазками. Высокая теплопроводность кокиля ускоряет процесс кристаллизации сплава, способствует получению отливок большой герметичности, с высокими механическими свойствами. В результате получают точные отливки с низкой шероховатостью. Литье в металлические формы повышает производительность труда за счет механизации и автоматизации процесса. Недостатком отливок является высокая газовая пористость отливок из-за плохой газопроницаемости стенок кокиля.

Отливки с простой конфигурацией изготавливают в неразъемных вытряхных кокилях (рис. 3.6, а).

Кокиль 4 не имеет плоскости разъема. Необходимые полости получают за счет применения песчаных или металлических стержней. Литниковая система выполняется или в плоскости разъема «кокиль - верхний стержень», или в верхнем стержне. В кокиль встроены цапфы 1, с помощью которых кокиль поворачивается на 180°, и отливка выталкивается.

Для уменьшения скорости охлаждения расплава и отливки и для повышения стойкости кокиля на его рабочие поверхности наносят теплоизоляционные покрытия. В зависимости от вида литейного сплава, габаритов и сложности отливки применяют:

- тонкослойные (лаковые) покрытия (например, копоть) - для заливки сплавов с повышенной плотностью и герметичностью;

- облицовки 3 (оксид цинка + графит, молотый мел + жидкое стекло + графит - для алюминиевых сплавов, маршалит + жидкое стекло - для чугуна и стали) - при изготовлении тонкостенных отливок и отливок сложной конфигурации;

- футеровку полную или частичную 2 - при изготовлении крупных толстостенных отливок из чугуна или стали. Футеровку (например, тонкомолотый мел + жидкое стекло, толщина слоя 8... 10 мм) наносят один раз в смену, перед заливкой расплава, поверх футеровки наносят теплостойкую краску. В автомобильной промышленности в качестве футеровки часто используются термически твердеющие смеси (например, кварцевый песок + 3...9% пульво-бакелита), наносимые на горячую форму.

Несложные отливки с небольшими выступами на наружных поверхностях изготавливают в кокилях с вертикальной плоскостью разъема. Относительно крупные отливки простой конфигурации изготавливают в кокилях с горизонтальным разъемом (рис. 3.6, б). Чаще всего кокиль изготавливают из двух половинок 4 и 5, соответствующих двум полуформам. Рабочая полость кокиля соответствует внешнему контуру отливки. Для получения полостей в отливке используются песчаные или металлические стержни. Для заливки расплава в плоскости разъема ММ выполняют каналы для литниковой системы. Для удаления газов, выделяющихся при кристаллизации расплава, на рабочих поверхностях кокиля выполняют канавки сечением 0,5 х 0,5 мм. Для повышения долговечности кокиля отливку выталкивают из кокиля выталкивателями 6 после ее затвердевания и набора 30...40% прочности. Отливка остывает на воздухе, вне кокиля, что одновременно уменьшает вероятность появления холодных трещин и накопления остаточных напряжений.

В кокиле целесообразно изготавливать отливки: массивные, необрабатываемые; с повышенными требованиями к герметичности; чугунные с отбеленной поверхностью простой конфигурации; из высокопрочного чугуна или стальные простой конфигурации с толщиной стенок не менее 8... 10 мм; из легких сплавов с толщиной стенок более 2,5 мм; из кремнистой латуни, габаритами до 600 х 700 мм и толщиной стенок более 3,5 ...6,5 мм.

Литье под давлением. Данный вид литья представляет собой процесс получения отливок в металлических формах (пресс-формах), при котором заполнение и формирование отливки происходит под давлением. Это позволяет получить отливки со сложными очертаниями и с гладкой поверхностью, не требующей дальней шей механической обработки. Этот способ в основном используется для получения отливок из цветных металлов и сплавов и применяется в условиях массового и крупносерийного производства. Недостатком является сложность изготовления и применение дорогого оборудования.

По уровню механизации, точности получаемых отливок, производительности процесса литье под давлением превосходит все известные способы литья. Данным способом получают сложные тонкостенные отливки из легкоплавких цветных сплавов. Масса отливок - от нескольких грамм до десятков килограмм. Принудительное заполнение пресс-формы позволяет повысить жидкотекучесть литейного сплава, получать тонкостенные отливки, получать литьем резьбу (наружная резьба - от Мб х 1, внутренняя - от М25 х 2), получать отливки из дешевых сплавов, но с армированными стенками (волокнистый или сетчатый наполнитель) или применять неудаляемые трубчатые стержни (получать в отливках J криволинейные и фасонные отверстия). Применение черных сплавов ограниченно вследствие низкой стойкости пресс-форм.

Различают литье под высоким давлением (расплав поступает в форму под давлением 44...98 МПа), литье под низким давлением (расплав поступает в форму под давлением газа 18...80 кПа) и литье с противодавлением (в резервуаре с расплавом создается давление 300 кПа, в форме - 250...280 кПа). В технической литературе литье под высоким давлением называют литьем под давлением, остальные способы называют литьем под регулируемым давлением.

Литье под регулируемым давлением позволяет уменьшить скорость потока расплава, что обеспечивает равномерность заполнения пресс-формы непрерывной струей расплава. Поэтому литье под регулируемым давлением позволяет повысить качество литья.

Центробежное литье. При центробежном литье (ЦБЛ) заполнение формы расплавом, его затвердевание и частичное остывание происходят в поле действия центробежных сил, которые возникают при вращении литейной формы вокруг вертикальной, горизонтальной или наклонной оси. Внутренняя поверхность отливки при ЦБЛ часто формируется без непосредственного контакта с литейной формой и без стержней. Такую поверхность называют свободной.

Существенными недостатками ЦБЛ являются низкая точность свободной поверхности, ее загрязнение неметаллическими включениями и пористость. Этот способ позволяет получить отливки с чистой поверхностью и плотной структурой.

Наиболее часто при ЦБЛ используют металлические изложницы. Их предварительно подогревают до 300°С, затем наносят на рабочую поверхность огнеупорное покрытие (краски, облицовку, сыпучие материалы), которое повышает стойкость изложницы, снижает скорость охлаждения отливки и может служить модификатором поверхности отливки.

Для изготовления коротких труб (рис. 3.8, а) и отливок с центральной полостью (рис. 3.8, б, в) используют машины с горизонтальной осью вращения. Расплав из ковша 2 через желоб 1 подается во вращающуюся изложницу 4.

Применение машин с вертикальной осью вращения для изготовления заготовок с центральной полостью или без нее (рис. 3.9, а, б) нежелательно, так как свободная поверхность будет непрямолинейна, а слои 1, прилегающие к оси вращения {d- 0,35/)) будут низкокачественными. Разновидностью метода является центрифугирование (рис. 3.9, в), используемое для получения фасонных отливок в формах 5, расположенных на планшайбе 2 и соединенных со стояком 3 системой питателей 4; этот метод позволяет применять разнообразные формы, как разовые, так и многоразовые.

ЛИТЕРАТУРА

1. Черепахин А.А. Технология обработки материалов: учебник для студ. Учреждений средн. Проф. Образования / А.А Черепахин. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru