Способы литья и основные этапы процесса изготовления отливок

 

Литейным производством называется технологический процесс изготовления металлических заготовок (отливок) путем заливки жидкого металла в специально приготовленную литейную форму. Форма заполняется через систему каналов, называемых литниковой системой. Существуют два способа изготовления отливок:

— литье в обычные песчаные формы;

— специальные способы литья.

В свою очередь, способы литья в песчаные формы могут быть ручными и машинными (механизированными и автоматизированными). К специальным способам литья относятся:

— литье в кокиль (в металлические формы);

— литье по выплавляемым, растворяемым, выжигаемым, газифици-руемым моделям;

— центробежное литье;

— литье под давлением;

— литье в оболочковые формы и др.

Эффективность литейного производства может характеризовать коэффициент весовой точности металла (КВТ), который определяется отношением масс детали и заготовки - отливки (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Ориентировочные значения КВТ различных заготовок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вид заготовки	кВт	Вид заготовки	кВт
полученные литьём		полученные деформированием:
под давлением	0,95	профильный прокат	0,60
по выплавляемым моделям	0,90	штамповка (горячая)	0,40
		прутки катаные	0,35
в оболочковые формы	0,80
		ковка свободная	0,30
в кокиль	0,75
в песчаные формы	0,70

В   промышленности существуют различные технологические процессы получения заготовок методом литья. Самым распространенным и универсальным является литье в разовые песчаные формы. Используется также литье в разовые керамические формы, в постоянные металлические формы. Изготавливаются отливки способом литья под давлением, центробежным способом и др. Все эти технологические процессы имеют определенные возможности и области применения. Схема процесса получения отливок представлена на рис. 2.1.

Рис.2.1. Схема процесса получения отливок  

 2. 3. Технология изготовления отливок в песчаных формах

Назначение литейной формы состоит в том, чтобы обеспе­чить необходимую конфигурацию и размеры отливок, задан­ную точность и качество поверхности, определенную скорость охлаждения залитого металла, способствующую фор­мированию надлежащей структуры и качества отливки. Элементы песчаной литейной формы показаны на рис. 2. 2. Для изготовления песчаной формы необходимо иметь мо­дельный комплект и другую литейную оснастку.

Литейная оснастка состоит из модельного комплекта, включающего в себя всю оснастку для получе­ния полости формы. Он состоит из модели отливки, стержневого ящика, опок, модельных плит, моделей элементов литниковой системы, прибыли и выпора и прочих приспособлений, не­обходимых для изготовления литейных форм.

При необходимости модельный ком­плект должен включать также шаблоны для контроля размеров и конфигурации формы.

При машинной формовке, а часто и при ручном изготовлении форм, модели монтируют на модельные плиты. Модельные плиты содержат также устройства для их крепления к столу формовочной машины или автомата, центрирующие штыри для фиксации опоки во время формовки, элементы установки и крепления моделей отливки и литниковой системы.

К литейной оснастке относятся также литниковые чаши и воронки, кондукторы для сборки стержней в блоки до установки их в нижнюю полуформу, всевозможные контроль­ные приспособления, плиты для сушки стержней и др.

  Модель служит для получения отпечатка (полости) в форме 1 (см. рис. 2.2), стержневой ящик —для изготовления стержня 8, который устанавливается в форму с целью создания полости в отливке. Кроме того, в литейной форме имеются литниковая воронка 10, стояк 11, зумпф 13, шлакоуловитель 12 и питатели -14, 15, представляющие в совокупности литниковую систему. Литниковая система нужна для подвода жидкого металла из заливочного ковша к полости формы. Зумпф предохраняет нижнюю полуформу от размыва и попадания продуктов ее размыва в полость формы и в отливку. Шлакоуловитель необходим для предотвращения попадания шлака и других частиц в полость формы.

Прибылью 7 называют технологический прилив, предот­вращающий образование усадочных раковин и пор в теле отливки. Через выпор 5 выходят воздух и газы, которые образуются в полости формы во время ее заливки расплав­ленным металлом. Газы возникают и в порах формовочной и стержневой смесей. Если их не удалять, то они могут попасть в отливку, образуя газовые раковины. Поэтому для лучшего удаления газов в верхней и нижней полуформах, а также в стержнях устраивают вентиляционные каналы 6, способ­ствующие выходу газов.

Формовочные материалы. Материалы, из которых изготовляют песчаные формы, называют формовочными. Основные требования, предъявляемые к формовочным материалам: огнеупорность, низкая стоимость, недефицитность, не токсичность, долговечность. Различают исходные материалы, формовочные смеси для изготовления форм, стержневые смеси для изготовления стержней, отработанные смеси и материалы для окраски и отделки форм и стержней.

Исходными являются материалы, из которых изготовляют формовочные и стержневые смеси, а также материалы для окончательной отделки форм и стержней.

Формовочные и стержневые смеси представляют собой предварительно подготовленные, взятые в определенной пропорции, равномерно перемешанные между собой исходные материалы.

Материалами для окончательной отделки форм и стержней служат огнеупорные литейные краски, замазки, клеи и другие, часто называемые вспомогательными.

Формовочные и стержневые смеси состоят из огнеупорной основы, связующих материалов и специальных добавок.

Огнеупорной основой формовочных и стержневых смесей является кварцевый песок. Кроме кварцевого песка, исполь­зуют магнезит, хромомагнезит, хромит, шамот, циркон[1] и др. (табл. 2.2). Связующие материалы связывают частицы (зер­на) огнеупорной основы, придавая смесям определенную прочность. По объему потребления первое место среди этих материалов занимают формовочные глины, затем жидкое стекло, различные синтетические смолы и прочие связующие.

Таблица 2.2

                                         Огнеупорные материалы

		Классификация по огнеупорности по огнеупорности
Наименование материала	Химическая формула	Наименова­ние класса	Температурный предел, °С
Тальк Пирофиллит Ставролит	ЗМg0·4SiO2 · Н20 А120з ·4SiO2· Н20 2А120з ·2SiO2 FeO · Н20	Мало огнеупорные	до 1580
Кварцевый песок Пылевидный кварц Плавленый кварц Шамот Хромит	SiO2   Cмесь А12О3 и SiO2 Сг2Оз · FеО	Огнеупор­ные	1580— 1770
Магнезит	Mg·СО3	Высоко­огнеупор­ные	1770— 2000
Дистенсиллиманит	А120з· SiO2
Оливин	2(А1,Fе)О ·SiO2
Дунит	ЗМgО -2Si О 2  ·2Н2О
Хромомагнезит	Смесь Сг2О3 и МgО	Высшей огнеупор­ности	выше 2000
Электрокорунд Циркон	Al2О3 (плавленая) Zг02 *Si02

Формовочные глины представляют собой водные алюмосиликаты или соли поликремниевых кислот общего вида

п К₂0 • m Аl₂Оз • l SiO₂ • b Н₂О + g Н₂0,

где п, т, I, b, g — коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от минералогического состава глины в пределах от 0 до 6.

Связующая способность глин зависит от минералогического состава и степени измельченности; чем мельче частицы глины, тем выше ее связующая способность.

Жидкое стекло является коллоидным водным раствором силиката натрия общего состава Na₂O·nSiO₂ (упрощенно Nа₂Si₂O₅). Здесь n~2—3. При применении жидкого стекла наиболее широкое распространение получил СО₂ — процесс, при котором упрочнение смесей происходит продувкой газообразной углекислотой. Между жидким стеклом, содержащим воду, и углекислым газом идет реакция:

Nа₂Si0_з + 2Н₂О + СО₂® Si (ОН)₄ + Nа₂СО_з,

в результате, которой образуется гель кремнекислоты, связывающий между собой частицы огнеупорной основы смеси.

В литейном производстве в качестве связующих материа­лов все большее распространение находят синтетические смолы: формальдегидные, карбамидные, фурановые, полиэфирные и некоторые другие, а также многочисленные их сочетания.

Специальные добавки предназначены для улучшения технологических и рабочих свойств смесей и отделочных материалов. С этой целью в формовочные смеси дополнительно вводят молотый каменный уголь, мазут, древесные опилки, торфяную или асбестовую крошку, различные поверхностно-активные вещества и другие материалы.

Приготовление формовочных и стержневых смесей состоит в смешивании предварительно подготовленных состав­ляющих на специальном оборудовании (бегуны, шнековые смесители и т. п.).

Основными свойствами формовочных и стержневых смесей являются: прочность на сжатие и разрыв, поверхностная прочность или осыпаемость, газопроницаемость, газотворность, гигроскопичность, формуемость, текучесть, уплотняемость, выбиваемость. Все они контролируются на соответствующих приборах по стандартным методикам.

Составы и уровни свойств смесей назначают в зависимости от характера технологического процесса.

Ручная формовка применяется при единичном производстве отливок (ремонтное литье, уникальные единичные отливки). Например, необходимо изготовить отливку, эскиз которой представлен на рис. 2.3, а. Модель чаще изготавливают   из дерева, как наиболее дешевого легко обрабатываемого материала. Размеры модели должны быть больше размеров отливки на величину литейной усадки металла и припуска на механическую обработку (если таковая предусмотрена).

В рассматриваемом случае наиболее простой является формовка по цельной, неразъемной модели. Модельные плиты могут быть деревянными или легкими металлическими. Модель 1 устанавливается на модельную плиту 2, где помещают опоку 3 (рис. 2.3, б). Поверхность модели и плиты посыпают разделительным составом (сухим песком) для уменьшения прилипания смеси к оснастке. Затем на модель насыпают формовочную смесь, уплотняя ее трамбовкой (ручной или пневматической). Уплотнение повышает прочность формовочной смеси. После уплотнения смеси счищают "ее излишки, опоку вместе со смесью и моделью снимают с модельной плиты, одновременно поворачивая полуформу на 180°, в нескольких местах ее прокалывают стальной проволокой с заостренным концом (душником) для создания вентиляционных каналов. На перевернутую опоку устанавливают вторую опоку 4 таких же размеров в свету, модели стояка с воронкой 5 и выпора 6 (рис. 2.3, в), после чего "в опоку насыпают формовочную смесь и уплотняют ее.

Рис. 2.3. Эскиз отливки (а); технологических операций фор­мовки (б, в) и собранной формы (г – вид сверху при снятой верхней форме): 1 – модель; 2 – модельная плите; 3 – опока нижняя; 4 – опока верхняя; 5 – модель стояка с чашей; 6 – модель выпора; 7 – каналы вентиляционные

 

По расположению при заливке формы металлом эта опока называется опокой верха. В верхней полуформе душником накалывают вентиляционные каналы 7. Далее из формы уда­ляют модели отливки, стояка, и выпора. Для этого после извлечения моделей стояка и выпора снимают верхнюю полуформу, одновременно поворачивая ее на 180°. Модель, находящуюся в нижней полуформе, осторожно расталкивая, извлекают. От отпечатка модели стояка в нижней полуформе вручную прорезают канал, через который во время заливки жидкий металл пойдет от стояка в полость формы. Подобный канал прорезают и к выпору. Устраняют возможные дефекты формы, возникшие при извлечении моделей и других операциях, обдувают обе полуформы сухим сжатым возду­хом для удаления возможного засора и производят сборку формы. Готовая форма показана на рис. 2.3, г. Для получения более высокого качества поверхности отливок используют два вида формовочной смеси: облицовоч­ную и наполнительную. Облицовочной смесью формируют слой формы толщиной 10…50 мм, с которым непосредственно соприкасается жидкий металл во время его заливки и последующего охлаждения. Для уменьшения физико-химического взаимодействия между металлом и материалом формы в состав облицовочной смеси вводят более огнеупорные материалы.

Кроме рассмотренного способа применяется формовка в почве, в двух опоках с разъемной моделью, с отъемными частями модели, по шаблонам, по контрольным сечениям и др.

Кроме уплотняемых смесей в настоящее время применяют жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС). Опоки или стержневые ящики заполняются смесью, способной течь подобно жидкости. Вместо обычного уплотнения трамбовкой применяется небольшое доуплотнение вибрацией на специальном вибростенде. Вследствие наличия в составе смеси материалов, инициирующих процесс отверждения связующего, формы и стержни затвердевают и через некоторое время приобретают прочность, достаточную для осуществления дальнейших технологических операций.  

Машинная формовка применяется для повышения производительности труда и точности отливок. Существует боль­шое разнообразие формовочных машин, упрощенная классификация которых приведена в табл. 2.3. На заводах массового производства (автомобильных, тракторных и др.) действуют автоматизированные формовочные линии. На рис. 2.4 приве­дены схемы некоторых формовочных машин.

                                     Таблица 2.3