Литейное производство

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

1. Литье в разовые формы

Литейным производством называют процессы получения фасонных изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в полую форму, воспроизводящую форму и размеры будущей детали. После затвердевания металла в форме получается отливка - заготовка или деталь. Отливки широко применяют в машиностроении, металлургии и строительстве.

Можно получать отливки различной массы (от нескольких граммов до сотен тонн), простой и сложной формы из чугуна, стали, сплавов меди и алюминия, цинка и магния и т.д. Особенно эффективно применение отливок для получения фасонных изделий сложной конфигурации, которые невозможно или экономически нецелесообразно изготовлять другими методами обработки металлов (давлением, сваркой, резанием), а также для получения изделий из малопластичных металлов и сплавов.

При всем разнообразии приемов литья, сложившихся за длительный период развития его технологии, принципиальная схема технологического процесса литья практически не изменилась за более чем семь веков его развития и включает четыре основных этапа: плавку металла, изготовление формы, заливку жидкого металла в форму, извлечение затвердевшей отливки из формы.

До середины двадцатого столетия литейный способ считался одним из важнейших методов получения фасонных заготовок. Однако наряду с такими достоинствами литейного производства, как относительная простота получения и низкая стоимость отливок (особенно из чугуна), возможность изготовления сложных деталей из хрупких металлов и сплавов, он имеет и ряд существенных недостатков. Это, прежде всего, довольно низкая производительность труда, неоднородность состава и пониженная плотность материала заготовок, а, следовательно, и их более низкие, чем у заготовок, полученных обработкой давлением, прочностные характеристики. На данном этапе развития литейного производства освоено производство автоматических линий формовки, заливки и выбивки отливок, созданы комплекты современного смесеприготовительного оборудования, освоен выпуск целой гаммы машин для специальных способов литья, существенно возрос уровень механизации и автоматизации технологических процессов.

Основными технико-экономическими показателями работы литейных цехов являются: годовой выпуск отливок в тоннах; выпуск отливок на одного работающего; съем литья с 1 м² производственной площади цеха; выход годного металла (в процентах от массы металлозавалки и жидкого металла); доля брака литья (в процентах), уровень механизации; доля литья, получаемого специальными способами; себестоимость 1 т литья.

В структуре себестоимости литья основную долю составляют затраты на металл (до 80 %). Производя технико-экономический анализ литейного производства, особое внимание необходимо обращать на те стадии и элементы технологического процесса, которые непосредственно связаны с возможными потерями металла на угар, разбрызгивание, брак и т.п. Себестоимость литья зависит от объема производства, уровня механизации и автоматизации технологических процессов.

Литье в разовые песчано-глинистые формы является наиболее распространенным и относительно простым способом получения отливок.

Разовые песчано-глинистые формы могут быть приготовлены либо непосредственно в полу литейного цеха по шаблонам, либо в специальных ящиках-опоках по моделям. В почве получают отливки крупногабаритных деталей (станин, колонн и т.д., более мелкие отливки обычно получают в опочных литейных формах. Внешнее очертание отливок соответствует углублениям формы, отверстия получают за счет стержней, вставляемых в полость формы.

Технологический процесс производства отливок в опочных формах состоит из трех стадий: подготовительной, основной и заключительной. Модельная оснастка, изготовленная в модельных цехах, представляет собой приспособления, с помощью которых изготовляют формы и стержни. К оснастке относятся модели деталей, подмодельные щитки, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и опоки.

Модели (рис. 9.1, а) служат для получения полости в земляной форме, которая по размерам и внешним очертаниям соответствует будущей отливке. Так как металл после затвердевания усаживается (уменьшается в объеме), размеры модели делают несколько большими.

Изготовляют модели из дерева, пластмассы или металла. Выбор материала зависит от условий производства и требований, которые предъявляют к отливке в отношении точности размеров и чистоты поверхности.

Для того чтобы модели легко извлекались из формы, их делают с формовочными уклонами и часто разъемными, из двух и более частей, легко скрепляемых при помощи шипов.

Для получения отливок с отверстиями или углублениями на моделях в соответствующих местах предусматривают выступы - стержневые знаки, которые оставляют в форме отпечатка для установки стержней. Место, занимаемое в форме стержнем, не заполняется металлом, и в отливке после удаления стержня образуется отверстие или углубление. Стержни изготовляют из особой стержневой смеси, набивая ее вручную или машинным способом в стержневые ящики (см. рис. 9.1, б). При этом учитывают изменение размеров отливки при затвердевании металла. Размеры стержней должны быть меньше отверстий на величину усадки металла. В зависимости от сложности изготовления стержневые ящики делают цельными и разъемными. При небольших партиях стержней ящики делают из дерева.

В массовом производстве, особенно при повышенных требованиях к точности литья, применяют металлические ящики (чугунные или из алюминиевых сплавов). Модели литниковой системы предназначены для образования в форме каналов и полостей, служащих для подачи металла, задержки шлака и выхода воздуха из полости формы (см. рис..1, в). Устройство литниковой системы обеспечивает спокойное поступление металла в форму, предохраняя ее от повреждения. Подмодельные щитки-плиты (см. рис. 1, г) служат для размещения на них моделей и установки опоки при изготовлении литейной формы вручную. Опоки (см. рис. 9.1, д) - деревянные или металлические рамки, каркасы, основное назначение которых состоит в удерживании песчано-глинистой смеси, обеспечении достаточной прочности и жесткости формы при ее изготовлении, транспортировке и заливке металла.

Рисунок 1 Модельная оснастка: а - модели; б - стержневые ящики; в - модели литниковой системы; г - подмодельные щитки-плиты; д - верхняя и нижняя опоки

Формовочные и стержневые смеси в основном состоят из кварцевого песка определенной зернистости и жароупорности. Формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью и газопроницаемостью, а формы и стержни, изготовленные из них, - достаточной прочностью.

Формовка - наиболее сложная и трудоемкая операция производства отливок в разовых песчано-глинистых формах. Трудоемкость изготовления литейных форм составляет 40 - 60 % от общей трудоемкости получения отливок. Процесс ручной формовки отличается огромной трудоемкостью. Сущность машинной формовки заключается в механизации основных операций: установки модельных плит и опок (рис. 9.2, а), наполнения опок формовочной смесью (см. рис. 9.2, б), уплотнения смеси и удаления моделей из форм (см. рис. 9.2, в). Отдельные конструкции формовочных машин позволяют также механизировать некоторые вспомогательные операции: поворот опок, снятие готовых полуформ со стола машины, передачу их на сборку и т. п.

Машинная формовка не только облегчает труд рабочих-формовщиков, но и дает возможность повышать производительность труда, получать более точные отливки с меньшими припусками на механическую обработку, снижать брак.

В последние годы в литейном производстве повсеместно внедряются специальные способы литья, имеющие ряд преимуществ по сравнению с традиционным литьем в разовые песчано-глинистые формы.

2. Специальные способы литья

литейный литье отливка заготовка

К специальным способам относят литье:

а) в металлические формы (кокиль);

б) центробежное;

в) под давлением;

г) в тонкостенные разовые формы;

д) по выплавляемым моделям;

е) оболочковое;

ж) электрошлаковое литье.

Специальные способы литья позволяют получать отливки более точных размеров с хорошим качеством поверхности, что способствует уменьшению расхода металла и трудоемкости механической обработки; позволяет повысить механические свойства отливок и уменьшить потери от брака; значительно снизить или исключить расход формовочных материалов; сократить производственные площади; улучшить санитарно-гигиенические условия и повысить производительность труда. Экономическая целесообразность замены литья в разовые песчано-глинистые формы тем или иным специальным способом зависит от масштаба производства, формы и размеров отливок, применяемых литейных сплавов и т. п. Она определяется на основе тщательного технико-экономического анализа всех затрат, связанных с новым технологическим процессом.

Одним из наиболее распространенных является литье в кокиль. Кокилем называют цельную или разъемную металлическую форму, изготовленную из чугуна или стали. Кокили предназначены для получения большого количества одинаковых отливок из цветных или железоуглеродистых сплавов. Стойкость кокилей зависит от материала и размеров отливки и самого кокиля, а также от соблюдения режима его эксплуатации. Перед заливкой металла кокили подо-гревают до температуры 100 - 300 °С, а рабочие поверхности, контактирующие с расплавленным металлом, покрывают защитными обмазками. Покрытие обеспечивает увеличение срока службы кокиля, предупреждение приваривания металла к стенкам кокиля и облегчение извлечения отливок. Подогрев предохраняет кокиль от растрескивания и облегчает заполнение формы металлом. В процессе работы необходимая температура кокиля поддерживается за счет теплоты, выделяемой заливаемым металлом. После затвердевания отливку извлекают вытряхиванием или при помощи выталкивателя.

Кокильное литье позволяет снизить расход металла, получить отливки более высокой точности и чистоты поверхности, улучшить их физико-механические свойства. Вместе с тем этот способ литья имеет и недостатки. Быстрое охлаждение металла затрудняет получение тонкостенных отливок сложной формы, вызывает опасность появления у чугунных отливок отбеленных труднообрабатываемых поверхностей.

Литье под давлением - один из наиболее производительных методов получения точных фасонных отливок из цветных металлов. Сущность способа заключается в том, что жидкий или кашицеобразный металл заполняет форму и кристаллизуется под избыточным давлением, после чего форму раскрывают и отливку удаляют.

По способу создания давления различают: литье под поршневым и газовым давлением, вакуумное всасывание, жидкую штамповку.

Наиболее распространено формообразование отливок под поршневым давлением - в машинах с горячей или холодной камерой сжатия.

Литьем под давлением производят детали приборов и корпусные детали массой до 50 кг, головки цилиндров мотоциклетных двигателей. В отливках можно получать отверстия, надписи, наружную и внутреннюю peзьбу.

На рис. 9.2, а показана последовательность получения отливки на поршневой машине (с холодной вертикальной камерой сжатия). Расплавленный металл подается порцией в вертикальную камеру прессования 2. При движении вниз поршень давит на металл, перемещает вниз пяту 4, в результате чего открывается питательный канал 7, и металл поступает в полость пресс-формы 5. После заполнения пресс-формы и выдержки в течение 3 - 30 с поршень и пята поднимаются, при этом пята отрезает литник и выталкивает пресс-остаток 6. Подвижная часть пресс-формы 8 отходит вправо и отливка 7 легко извлекается. Внутренние полости и отверстия в отливках выполняются с помощью металлических стержней.

Перед началом работы пресс-форму подогревают и смазывают.

В процессе работы поддерживается необходимая температура и прессформа периодически смазывается.

Стоимость пресс-формы в 3 - 5 раз превышает стоимость кокиля. Стойкость пресс-форм в зависимости от размеров и формы отливок составляет: при литье из цинковых сплавов - 300 - 500 тыс. отливок, из алюминиевых - 30 - 50 тыс., медных - 5 - 20 тыс. отливок.

В условиях массового производства экономически оправдано применение литья под давлением, так как этот способ позволяет снизить трудоемкость получения отливок в 10 - 12 раз, а трудоемкость механической обработки - в 5 - 8 раз. За счет высокой точности изготовления и обеспечения повышенного качества поверхности достигается экономия до 30 - 50 % металла по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы.

Рисунок 9.2 Технологический процесс специальных способов литья: а - последовательность получения отливки под давлением на поршневой машине; б - процесс центробежного литья

Цeнтробежный способ литья (см. рис. 9.2, б) применяется главным образом для получения полых отливок типа тел вращения (поршневых колец, труб, гильз) из цветных и железоуглеродистых сплавов, а также биметаллов. Сущность способа состоит в заливке жидкого металла во вращающуюся металлическую или керамическую форму. Жидкий металл за счет центробежных сил отбрасывается к стенкам формы, растекается вдоль них и затвердевает.

Центробежное литье высокопроизводительно (за один час можно отлить 40 - 50 чугунных труб диаметром 200 - 300 мм), дает возможность получать полые отливки без применения стержней и металлические отливки последовательной заливкой двух сплавов (например, стали и бронзы).

Как и при кокильном литье, металлические формы перед заливкой жидкого металла подогреваются, и на них наносятся защитные покрытия. После заливки формы иногда охлаждают водным раствором для увеличения производительности машин и предохранения их от перегрева. Наряду с высокой производительностью и простотой процесса центробежный способ литья по сравнению с литьем в стационарные песчано-глинистые и металлические формы обеспечивает более высокое качество отливок, почти устраняет расход металла на прибыли и выпоры, увеличивает выход годного литья на 20 - 60 %.

К недостаткам способа следует отнести высокую стоимость форм и оборудования и ограниченность номенклатуры отливок.

Литье по выплавляемым моделям состоит в следующем. Металл заливают в разовую тонкостенную керамическую форму, изготовленную по моделям из легкоплавящегося модельного состава. Этим способом получают точные, практически не требующие механической обработки отливки из любых сплавов массой от нескольких граммов до 100 кг.

Точность размеров и чистота поверхности получаемых отливок таковы, что позволяют сократить объем механической обработки или отказаться от нее, что особенно важно при изготовлении деталей из труднообрабатываемых сплавов.

Технология производства отливок по выполняемым моделям включает следующие этапы: изготовление пресс-форм для моделей; получение восковых моделей запрессовкой модельного состава в пресс-формы; сборка блока моделей на общий питатель (в случае мелких отливок); нанесение огнеупорного покрытия на поверхность единичной модели или блока; вытапливание моделей из огнеупорных (керамических) оболочек-форм; прокаливание форм; заливка металла в горячие формы. Литьем по выплавляемым моделям получают разнообразные сложные отливки для автотракторостроения, приборостроения, для изготовления деталей самолетов, лопаток турбин, режущих и измерительных инструментов.

Стоимость 1 т отливок, получаемых по выплавляемым моделям, выше, чем изготовляемых другими способами, и зависит от многих факторов (серийности выпуска деталей, уровня механизации и автоматизации литейных процессов и процессов механической обработки отливок).

В большинстве случаев снижение трудоемкости механической обработки, расхода металла и металлорежущего инструмента при применении точных отливок взамен поковок или отливок, полученных другими способами, дает значительный экономический эффект. Наибольший эффект достигается при переводе на литье по выплавляемым моделям деталей, в структуре себестоимости которых большую долю составляют затраты на металл и фрезерную обработку, особенно при применении труднообрабатываемых конструкционных и инструментальных материалов.

Отливки, изготовленные в оболочковых формах, отличаются большой точностью и чистотой поверхности, что позволяет на 20 - 40 % снизить массу отливок и на 40 - 60 % трудоемкость их механической обработки. По сравнению с литьем в песчано-глинистые формы трудоемкость изготовления отливок снижается в несколько раз. Этим способом получают ответственные детали машин - коленчатые и кулачковые валы, шатуны, ребристые цилиндры и т.п. Процессы изготовления оболочек легко поддаются автоматизации.

Литература

1. Производственные технологии: учебник / В. В. Садовский [и др.] ; под ред. В. В. Садовского. Минск: БГЭУ, 2008. 431 с.

2. Производственные технологии: учеб.-метод. комплекс для студ. спец. 1-25 01 07, 1-25 01 08, 1-25 01 04, 1-26 02 02 / сост. и общ. ред. А. С. Кириенко. Новополоцк: ПГУ, 2005. 352 с.

3. Основы технологии важнейших отраслей промышленности: учеб. пособие для вузов: в 2 ч. / под ред. И. В. Ченцова. Минск: Выш. шк., 1989. 325с.

4. Материаловедение и технология материалов: учеб. пособие / В. Т. Жадан [и др.]. Москва: Металлургия, 1994. 623 с.

1. Геллер, Ю. А. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А. Г. Рахштадт. Москва: Металлургия, 1984. 383 с.

2. Горюшкин, В. И. Основы гибкого производства деталей машин и приборов / В. И. Горюшкин. Минск: Наука и техника, 1984. 15 с.

3. Жалнерович, Е. А. Применение промышленных роботов / Е. А. Жалнерович, А. М. Титов, А. И. Федосов. Минск: Беларусь, 1984. 219 с.

4. Кипарисов, С. С. Порошковая металлургия / С. С. Кипарисов, Г. А. Либенсон. Москва: Металлургия, 1980. 400 с.

5. Либенсон, Г. А. Основы порошковой металлургии / Г. А. Либенсон. Москва: Металлургия, 1975. 198 с.

6. Степанов, Ю. А. Технология литейного производства / Ю. А. Степанов, Г. Ф. Баландин, В. А. Рыбкин. Москва: Машиностроение, 1984. 285 с.

7. Технология важнейших отраслей промышленности / под общ. ред. И. В. Ченцова. Минск: Выш. шк., 1977. 373 с.

8. Технология важнейших отраслей промышленности / под ред. А. М. Гинберга, Б. А. Хохлова. Москва: Высш. шк., 1985. 495 с.

Размещено на Allbest.ru