Основы литейного производства. Понятие о литейном производстве

ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА 1. Понятие о литейном производстве В соответствие с современной терминологией литьё – это процесс получения заготовок или готовых изделий, называемых отливками, путём заполнения литейной формы расплавленным материалом с его последующим затвердеванием в ней. Отливка – это заготовка или готовое изделие, получаемые после затвердевания расплава в литейной форме. Отливка может быть: заготовкой, требующей дополнительной механической обработки (резанием, давлением) для получения требуемой точности размеров, геометрической формы и чистоты поверхностей готового изделия, или готовой литой деталью, поступающей на сборку, минуя механическую обработку. Высокие механические и эксплуатационные свойства отливок обуславливает их широкое применение в различных отраслях машиностроения. Наибольшее применение литые детали получили в металлообрабатывающих станках, в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах, электродвигателях, сельскохозяйственных машинах, автомобилях, тракторах и других. Учитывая это, литейное производство по праву считается основной заготовительной базой машиностроения. На крупных предприятиях машиностроения, где выпуск продукции является массовым или крупносерийным, наличие в составе их литейных производств крайне необходимо, в значительной степени с экономической точки зрения. Для изготовления отливок применяют множество способов литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, под давлением, в кокиль, центробежное литьё и другие. Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности, экономической целесообразностью и другими факторами. В соответствие с выше сказанным основной задачей литейного производства является получение изделий любой массы, разнообразных по форме и размерам (в том числе с внутренними полостями) из конструкционных материалов, обладающих высокими литейными свойствами: малой усадкой в процессе кристаллизации, хорошей жидкотекучестью, высокой плотностью материала отливок. Литейное производство имеет следующие достоинства. Литьё является наиболее простым, быстрым и дешёвым промышленным способом получения заготовок, имеющих сложную геометрическую форму. Литьё позволяет получать отливки массой от нескольких граммов до 300 т со стенками толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких тысяч миллиметров самой разнообразной конфигурации с небольшими припусками на механическую обработку. Всё это уменьшает расход материала, сокращает затраты на изготовление готовой детали и снижает себестоимость изделий в целом. Однако, литейное производство имеет и ряд недостатков. Пониженные пластичность и прочность отливок по сравнению с поковками (заготовками, полученными обработкой давлением). Неоднородность химического состава (ликвация) отливок по сравнению с поковками. Более простая форма отливок по сравнению с поковками. Необходимость проведения сложных и дорогостоящих операций по обеспечению техники безопасности и экологической защиты окружающей среды. Более низкая точность размеров и чистота поверхностей отливок по сравнению с деталями, обработанных на металлорежущих станках. 2. Технологическая оснастка литейного производства Технологическая оснастка литейного производства (литейная оснастка) – это приспособления, применяемые для получения отливок. Основными элементами литейной оснастки являются литейная форма и модельный комплект. Литейная форма представляет собой конструкцию, внутренняя полость которой по своим очертаниям и размерам соответствует (с определённым допуском) конфигурации и размерам будущей отливки (рис. 1). а б в г Рис. 1. Схема изготовления литейной формы по разъёмной модели: а – формовка нижней опоки; б – формовка верхней опоки; в – установка стержня; г – готовая форма Большое разнообразие производимых в современных условиях отливок вызывает необходимость применения различных литейных форм, отличающихся как материалом, из которых они изготовляются, так и технологическими методами производства. При выборе типа литейной формы исходят из назначения отливок, характера отливок (масса, размеры, конфигурация и вид сплава), серийности их выпуска. В зависимости от долговечности различают: разовые и многократно используемые литейные формы. Разовые литейные формы служат для получения только одной отливки, после чего разрушаются. Для их изготовления используют песчано-глинистые, песчано-смоляные и другие формовочные смеси. Разовые литейные формы могут быть: • сырыми: наиболее широко применяют в литейном производстве, так как благодаря отсутствию процесса сушки или другого метода упрочнения их изготовление отличается быстротой и экономичностью, в них производят разнообразные отливки из чугуна, стали и сплавов цветных металлов массой до 3 т; • сухими: длительность сушки литейных форм составляет от 6 до 48 часов, вследствие большой длительности цикла изготовления отливок и значительного расхода топлива, применяют главным образом при получении ответственных и крупных отливок массой свыше 1 т из стали, чугуна и цветных сплавов; • подсушиваемыми: применяют при изготовлении ответственных машиностроительных отливок из чугуна и стали массой 0,5 … 8 т, имеющих большие плоскости, а также в тех случаях, когда сырые литейные формы не в состоянии обеспечить требуемое качество отливок; • химически затвердевающими: применяют при получении средних и крупных отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов массой до 200 т, различают две разновидности таких литейных форм: твердеющие при продувке углекислым газом (СО2 – процесс), самопроизвольно твердеющие в атмосфере (самотвердеющие); • собираемыми из стержней; • неразъёмными, получаемыми по выплавляемым моделям. По толщине стенок разовые песчаные литейные формы делятся на: толстенные (толщина стенок от 30 до 250 мм и более); тонкостенные (толщина стенок от 10 до 20 мм); оболочковые (песчано-смоляные с толщиной стенок от 6 до 8 мм; химически затвердевающие с толщиной стенок от 150 до 175 мм). Многократно используемые литейные формы условно делят на полупостоянные и постоянные. Полупостоянные литейные формы изготавливают из смесей с высоким содержанием глины и высокоогнеупорных материалов (шамота, асбеста и др.). Их применяют чаще всего при производстве крупных и тяжелых (массой свыше 0,5 т) чугунных и стальных отливок простой конфигурации (изложницы, поддоны, плиты и др.). При извлечение таких отливок полость литейной формы сохраняет свои очертания, получая лишь незначительные повреждения. С учётом этого в полупостоянные литейные формы можно многократно (до нескольких десятков раз) заливать расплав, производя лишь мелкий ремонт рабочей поверхности после получения каждой отливки. Постоянные литейные формы изготовляют из чугуна и стали, а в некоторых случаях из меди или алюминия. Постоянные литейные формы обладают высокой стойкостью против действия расплава, поэтому в одной литейной форме можно получить несколько тысяч или даже десятков тысяч отливок. Металлические формы чаще всего применяются в массовом и крупносерийном производстве отливок, получаемых специальными способами литья: кокильный, центробежный, литьё под давлением и т.д.. Основными элементами литейной формы являются опоки, литниковая система, стержневые знаки и стержни. Опоки – это сварные, литые или сборные жёсткие металлические рамы различной конфигурации, предназначенные для набивки и удержания формовочной смеси при изготовлении литейной формы, а также транспортировке и заливке расплава в форму. Опоки чаще всего изготавливают из стали, чугуна или алюминиевых сплавов. Большинство опок имеют прямоугольную форму, реже используют квадратные, овальные, фигурные, круглые (рис. 2). Опоки должны обладать достаточной плотностью, чтобы противостоять тем силам, которые действуют на них во время уплотнения смеси, извлечения модели, переворачивания и транспортирования литейной формы, при заливке металла в форму и транспортирования их во время охлаждения, а также при выбивке отливок. Рис. 2. Прямоугольные и круглые опоки Литниковая система представляет собой совокупность каналов, резервуаров и других элементов литейной формы, обеспечивающих подвод расплава во внутреннюю полость формы, её заполнение и питание отливки при затвердевании. Литниковая система должна обеспечивать: заполнение литейной формы с необходимой скоростью, задержание шлака и других неметаллических включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную подачу расплава к затвердевающей отливке. После выбивки литейной формы литниковую систему отделяют от отливок и направляют на переплавку. Элементы литниковой системы (рис. 3): • выпор предназначен для вывода газов и всплывающих шлаков из внутренней полости литейной формы в начале заливки расплава; во время заполнения литейной формы сигнализирует о конце заливки появлением избытка расплава; питания отливки во время её застывания в литейной форме; устраивается в верхней полуформе над наиболее высокими частями отливок; • литниковая воронка (чаша) предназначена для приёма расплава и задержания попадающих вместе с ним крупных частиц шлака с помощью установленных в ней фильтров; • вертикальный канал (стояк) передаёт расплав от воронки к другим элементам литниковой системы; • шлакоуловитель служит для дальнейшей передачи расплава в полость литейной формы и очистки его от шлака инеметаллических включений; • питатель служит для плавной и с определённой скоростью подачи расплава непосредственно во внутреннюю полость литейной формы. Рис. 3. Элементы литниковой системы: 1 – выпор; 2 – воронка; 3 – стояк; 4 – шлакоуловитель; 5 – питатель Стержневые знаки – это выступающие с торца модели отливки части, предназначенные для получения в литейной форме гнёзд (углублений), в которых устанавливаются стержни, оформляющие внутреннюю полость будущей отливки. Модельный комплект – это комплект технологических приспособлений, необходимых для получения в литейной форме внутренней полости, которая по своим размерам и конфигурации соответствует будущей отливки. Состав модельного комплекта зависит от метода (ручной, машинной) изготовления форм, а также сложности получаемых отливок. Как правило, в состав модельного комплекта входят: литейная модель (модель будущей отливки), стержневые ящики, модели элементов литниковой системы, модельные плиты и контрольные шаблоны. Литейная модель (модель будущей отливки) представляет собой приспособление, с помощью которого внутри литейной формы получают отпечаток (пустую полость), соответствующий размерам и конфигурации будущей отливки и предназначенный для приёма заливаемого в форму расплава. Другими словами, литейная модель – это приспособление, конфигурация которого соответствует форме отливки, но без отверстий, впадин и углублений. Литейная модель не является точной копией отливки, так как отображает её внешние очертания, отличаясь от неё увеличенными размерами с учётом припусков на механическую обработку и усадку расплава в процессе затвердевания. Литейные модели изготавливаются из дерева, пластмасс и металла. В массовом и серийном производстве применяют исключительно металлические модели – из алюминиевых сплавов, чугуна и стали. Стержневые ящики представляют собой приспособления, служащие для изготовления стержней (приспособлений, с помощью которых в отливках формируют отверстия, внутренние полости, выступы и впадины на наружных поверхностях отливки) (рис. 4). а б Рис. 4. Стержневой ящик и стержень: а – стержневой ящик; б – стержень Отверстия, полости, впадины и углубления значительных размеров при литье обычно получают при помощи стержней, а мелкие – при последующей механической обработке отливок. Модели элементов литниковой системы представляют собой приспособления, с помощью которых при формовке в литейной форме создаётся система каналов и резервуаров литниковой системы, через которые в полость формы поступает расплав. Модельные плиты (доски) – это приспособления, служащие для крепления (монтажа) на них литейной модели и моделей элементов литниковой системы, фиксирующих частей (штырей, втулок), а также для формирования поверхности разъёма литейной формы. Модельные плиты изготавливаются в основном из серого чугуна. Поверхности модельных плит тщательно обрабатываются. Их конструкции и размеры устанавливаются в соответствии с размерами литейных моделей и типами формовочных машин. В условиях мелкосерийного производства, когда часто меняют модельные плиты на формовочных машинах, очень выгодно использование модельных плит со сменными деревянными вкладышами и с закреплёнными на них деревянными моделями. В условиях массового и крупносерийного производства применяют модельные плиты с моделями из алюминиевых сплавов. Контрольные шаблоны – это приспособления для контроля размеров и конфигурации внутренней полости литейной формы; проверки геометрии и размеров стержней, а также правильности установки их в литейную форму при её сборке и подготовке к заливке расплавом. 3. Процесс изготовления литейной формы Формовка – это процесс изготовления литейной формы. Ручная формовка по разъёмной модели представляет собой следующую технологию осуществления (рис. 5). Рис. 5. Получение отливки: 1 – отливка; 2 – модель; 3 – стержень; 4 – стержневой ящик; 5 – опоки; 6 – каналы; 7 – литниковая система Для получения отливки 1 модель 2 заформовывается в опоках 5. Затем опоки разнимаются, а модель удаляется. В образовавшуюся полость, в то место, где должно быть отверстие в отливке, укладывается стержень 3 (он изготавливается в стержневом ящике 4). Через приготовленные в литейной форме каналы 6 литниковой системы 7 заливается расплавленный металл. Когда металл затвердеет, отливка вместе с литниковой системой извлекается из формы. Литниковая система обрубается, отливка очищается. При изготовлении сложных отливок применяется формовка в двух опоках по разъёмной модели (рис. 6). На нижнюю часть модели накладывается верхняя её часть 2, затем ставится верхняя опока 9 и фиксируется штырями 8 в проушинах 7. В верхнюю опоку укладываются модели элементов литниковой системы 10 и 11 и она заформовывается так же, как и нижняя. После извлечения элементов 10 и 11 (выпора и стояка) литниковой системы и выреза литниковой чаши верхняя полуформа снимается с нижней и переворачивается на 1800 помощью крючков и шпилек вынимается верхняя часть модели. На подмодельную плиту 6 устанавливаются нижняя часть модели 4 плоскостью разъёма вниз и нижняя опока 5. Поверхность нижней части модели припудривается тальком или графитом. Сверху засыпается облицовочная земля, которую уплотняют руками. Затем засыпается и уплотняется наполнительная смесь. Нижняя полуформа готова. Сверху на нее накладывается подопочная плита. Заформованная нижняя полуформа вместе с плитами поворачивается на 180 0. Подмодельная плита снимается. Поверхность нижней полуформы посыпается разделительным песком, чтобы она не прилипала к верхней полуформе. а б в г д Рис. 6. Формовка по разъёмной модели в двух опоках: а – отливка; б – модель: 1 и 3 – стержневые знаки; 2 – верхняя часть модели; в – формовка в нижней опоке: 4 – нижняя часть модели; 5 – нижняя опока; 6 – подмодельная плита; г – формовка в верхней опоке: 7 – проушины; 8 – штыри; 9 – верхняя опока; 10 и 11 – модели выпора и стояка; д – готовая литейная форма: 12 – стержень Полость сырой формы присыпается смесью древесно-угольного порошка и чистого графита, полость сухой формы окрашивается формовочными чернилами, приготовленными из графита, порошка кокса, глины и других веществ. В нижней полуформе прорезается канал, соединяющий литник с полостью формы. В углубления, образованные знаками 1 и 3, укладывается стержень 12. Обе опоки вновь собираются. Литейная форма готова для заливки металла. Материалы для формовочных и стержневых смесей необходимы для изготовления литейной формы и стержней. Данные материалы должны обладать пластичностью, прочностью, огнеупорностью, газопроницаемостью и податливостью. Пластичность – это способность смеси воспринимать отпечаток модели при изготовлении литейной формы и сохранять ее после удаления модели. Прочность – это способность смеси сопротивляться действиям внешних сил и не разрушаться при изготовлении, перемещении и заливке формы. Огнеупорность – это способность смеси не размягчаться и не расплавляться под действием жидкого металла и не пригорать к поверхности слитка. Газопроницаемость – это способность смеси пропускать газы. Податливость – это способность смеси сокращаться в объеме при усадке металла. Формовочные материалы представляют собой смесь песка и глины в различных пропорциях. Применяется речной, озерный и горный песок. Лучшие свойства имеет речной и озерный песок. Глина, смоченная водой, придает форме прочность и пластичность. Кроме песка и глины в состав смеси вводят молотый уголь, древесные опилки, жидкое стекло, олифу и другие. 4. Способы литейного производства Классификация способов литейного производства характеризуется следующими особенностями. В современном литейном производстве существует различные способы получения отливок, каждый из которых имеет свое назначение и область применения. Выбор того или иного способа определяется объёмом производства (единичное, серийное или массовое), служебным назначением отливки, требуемой точностью геометрических размеров и качеством поверхностей отливки, экономической целесообразностью и другими факторами. Способы получения отливок можно разделить на две группы: • получение отливок в разовых литейных формах, однократно заполняемых расплавом: литьё в песчано-глинистые формы, литьё в оболочковые формы, литьё по выплавляемым моделям и другие; • получение отливок в многократно используемых формах: центробежное литьё, литьё под давлением, кокильное литьё и другие. Большая часть отливок по массе производится литьём в разовые литейные формы и меньшая часть – в многократно используемые формы. Возможно, в связи с таким распределением способы литья в многократно используемые формы получили название специальных способов литья. Специальные способы литья делятся на следующие группы: • способы литья в специальные литейные формы: кокильное литьё, литьё в оболочковые литейные формы, литьё по выплавляемым (растворяемым, выжигаемым) литейным моделям и прочие; • способы литья с применением воздействий на жидкий и кристаллизующийся материал: литьё под давлением, литьё под низким давлением, литьё вакуумным всасыванием, центробежное литьё и прочие; • способы литья с непрерывным процессом формирования отливки: непрерывное литьё, полунепрерывное литьё, электрошлаковое литьё (ЭШЛ) и прочие. Вследствие повышения требований при изготовлении деталей машин, механизмов, аппаратов, агрегатов и прочих изделий промышленного производства, в последние годы изменился характер производственных отливок. А именно, одновременно с непрерывным ростом выпуска отливок огромное внимание уделяется повышению их качества, точности и эксплуатационных свойств. Вместо простых по конфигурации, тяжёлых, отличающихся большой толщиной стенок заготовок производятся тонкостенные и более лёгкие отливки сложной геометрической формы. В этой связи при производстве литых заготовок для деталей машин, механизмов, аппаратов, агрегатов и прочих изделий промышленного производства значительное место занимают специальные спсосбы литья, позволяющие получить отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на обработку (иногда и полностью исключающими её), высокими эксплуатационными свойствами. Получение отливок этими способами, по сравнению с литьём в песчаные формы, более производительно и позволяет улучшить условия труда, а также уменьшить вредное влияние на окружающую среду. Литьё в разовые песчано – глинистые литейные формы является самый древним, простым и распространённым способом литья, который представляет собой процесс получения отливок посредством свободной заливки расплава в песчаную (песчано-глинистую) литейную форму, внутренняя полость которой соответствует (с определённым допуском) конфигурации и размерам будущей отливки (рис. 7). В этих литейных формах получают только одну отливку, после чего литейную форму разрушают в процессе извлечения готовой отливки. Данным способом получают отливки разнообразной конфигурации и размеров из самой широкой номенклатуры сплавов (чугуна, стали, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов). Рис. 7. Схема литья в разовые песчано – глинистые литейные формы Кокильное литьё (литьё в кокиль) представляет собой процесс получения отливок посредством свободной заливки расплава в кокиль с последующим его (расплава) затвердеванием во внутренней полости кокиля, которая соответствует конфигурации и размерам будущей отливки (рис. 8, а). Кокиль – это металлическая литейная форма многоразового использования, заполняемая расплавом из разливочного ковша под действием гравитационных сил (сил тяжести). а б в Рис. 8. Схемы литья в специальные литейные формы: а – в кокиль; б – в оболочковые формы; в – по выплавляемым моделям Обычно кокиль состоит из двух половин и имеет вертикальный или горизонтальный разъём. Лучшим материалом для изготовления кокилей является серый чугун, который удовлетворяет основным требованиям металлической формы – обладает достаточной стойкостью к термической усталости, хорошим противодействием разгару (высокой термостойкостью) и короблению. Реже кокили изготовляют из стали и цветных металлов. Для образования внутренних полостей (отверстий) в отливках применяют металлические стержни из стали марок У7, У8, У10 и 30ХГСА и песчано-глинистые. Для вентиляции кокиля на плоскостях разъёма устраивают вентиляционные каналы в виде рисок высотой от 0,3 до 0,5 мм. Перед заливкой на рабочую поверхность кокиля наносят теплоизоляционный слой специальной краски и кокиль подогревают. Литьё в кокиль применяют в крупносерийном и массовом производстве, причём этот способ, как правило, механизирован или автоматизирован. Этим способом в основном получают отливки массой до 20 000 кг практически из любых литейных материалов на основе меди, алюминия, магния, стали и чугуна. Литьё в оболочковые формы представляет собой процесс получения отливок посредством свободной заливки расплава в литейную форму, представляющую собой тонкую (от 6 до 10 мм) оболочковую форму, состоящую из двух предварительно соединённых полуформ, изготовленных из огнеупорного (наполнителя) и связующего (синтетической смолы) материалов (рис. 8, б). Оболочковые полуформы изготавливают с помощью металлических моделей. При этом формовочная смесь состоит из огнеупорной основы (от 92 до 95 %) и связующего материала (от 5 до 8 %). В качестве огнеупорной основы используют кварцевый (SiO2), магнезитовый или циркониевый (ZrO2∙SiO2) песок, а также корунд, электрокорунд, циркон, графит. В качестве связующего материала используют термореактивную фенолформальдегидную смолу (пульвербакелит) или мочевиноформальдегидную смолу (карбамид). Из-за высокой механизации и автоматизации этот способ целесообразно применять в крупносерийном и массовом производстве для изготовления ответственных фасонных мелких и средних отливок с высокой точностью размеров (от 12-го до 15-го квалитетов) практически из любых литейных материалов массой: от 0,2 до 200 кг из чугуна; в среднем от 5 до 15 кг из стали; редко от 100 до 150 кг из цветных сплавов. Например: детали автомобилей и тракторов (ребристые мотоциклетные цилиндры, коленчатые валы автомобильных двигателей и пр.); детали сельскохозяйственных и текстильных машин. Изготовление полуформы начинают с нанесения пульверизатором на модельную плиту разделительного состава, облегчающего снятие оболочки с плиты. Затем модельную плиту нагревают до температуры от 200 до 220 0С и порцию формовочной смеси тем или иным способом (чаще с помощью поворачивающего бункера) наносят на модель полуформы. Смола плавится и образует с песком оболочку толщиной от 6 до 8 мм, которую снимают с модельной плиты. Затем оболочковые полуформы после вставки стержней скрепляют скобками или склеивают, помещают в металлический ящик, засыпают крупным песком или чугунной дробью и заливают металлом. К моменту полной кристаллизации металла смола из смеси выгорает, форма и стержни разупрочняются и легко разрушаются, освобождая отливку при выбивке. Описанные выше операции изготовления оболочковых форм механизируют и автоматизируют. Литьё по выплавляемым (выжигаемым, выгораемым) моделям представляет собой процесс получения отливок посредством свободной заливки расплава в неразъёмную тонкостенную керамическую литейную форму, изготовленную из жидких формовочных смесей, внутренняя полость которой сформирована с помощью неразъёмной разовой легкоплавкой модели отливки, которую перед заливкой расплава удаляют из формы путём выплавления или выжигания (рис. 8, в). Одними из наиболее распространённых модельных составов являются воск, парафин, смесь парафина со стеарином (1:1) с добавками церазина, сгорающий без образования твёрдых остатков полистирол. Этим способом получают отливки очень сложной конфигурации, максимально приближающиеся к размерам и конфигурации готового изделия (детали), практически из любых литейных материалов. Точность размеров отливок от 10 до 12 квалитета, а шероховатость поверхности не превышает Rа = 2,5 мкм. При изготовлении литейной формы используют неразъёмную выплавляемую модель, её покрывают жидкими затвердевающими формовочными смесями, изготовляя, таким образом, неразъемную керамическую оболочковую форму. Перед заливкой расплава модель удаляют из формы путём выплавления или выжигания. Иногда форму нагревают до высокой температуры, что приводит к удалению остатков модели и упрочнению формы, а также к улучшению заполняемости ее расплавом. Модель изготовляют в металлической пресс-форме из материалов с невысокой температурой плавления – воска, стеарина, парафина или сгорающего без образования твердых остатков полистирола. Модель или блок моделей для образования оболочковой формы многократно погружают в суспензию, состоящую из смеси пылевидного материала (кварца, электрокорунда) и связующего вещества (этил-силиката). Перед заливкой оболочковую форму помещают в контейнер и засыпают опорным материалом. Литьё по выплавляемым моделям и в оболочковые формы характеризуется тем, что формы являются разовыми и изготовлены не из металла и, следовательно, недостаточно теплопроводны; кристаллизация в них происходит медленно. При этом металл отливки оказывается крупнозернистым и для получения требуемых механических свойств иногда приходится прибегать к дополнительной операции термообработки. Литьё под давлением представляет собой процесс получения отливок посредством принудительного (под давлением) заполнения внутренней полости пресс-формы расплавом и его дальнейшее затвердевание в ней под избыточным давлением (до 300 МПа) (рис. 9). Пресс-форма – это металлическая литейная форма, во внутреннюю полость которой расплав поступает и затвердевает под давлением поршня. а б в Рис. 9. Схемы литья под давлением: а – холодной вертикальной поршневой камеры прессования: 1 – камера прессования; 2 – прессующий поршень; 3 – плоскость разъёма пресс-формы; 4 – нижний поршень; 5 – литниковое отверстие; б – холодной горизонтальной поршневой камеры прессования: 1 – камера прессования; 2 – неподвижная полуформа; 3 – окно для заливки расплава; 4 – поршень; в – горячей поршневой камеры прессования: 1 – цилиндр прессующего поршня; 2 – прессующий поршень; 3 – расплав; 4 – отверстие для захода расплава в пресс-форму Литьё под давлением – один из высокопроизводительных способов изготовления отливок с высокой точностью размеров и достаточно малой шероховатостью поверхностей. Этим способом получают отливки сложной конфигурации почти не требующие последующей механической обработки (в том числе детали с готовой резьбой) преимущественно из цветных сплавов (цинковых, алюминиевых, медных, магниевых, свинцово-оловянистых), а также стали и чугуна массой от нескольких грамм до десятков килограмм. Например, элементы замка «молния», детали различных приборов (корпуса, платы), детали электрических машин, карбюраторов, алюминиевые блоки цилиндров, сантехническая арматура. Также литьё под давлением применяется в точном приборостроении, текстильном машиностроении, электротехническом машиностроении, автомобилестроении, тракторостроении и других отраслях промышленности. В зависимости от устройства камеры прессования различают прессы литья на машинах с холодной и горячей камерами прессования. Литьём в горячекамерной машине можно получить отливки с тонкими (до 0,5 мм) стенками, малыми отверстиями при высокой точности. В горячекамерных машинах камера прессования располагается в подогреваемом тигле и сообщается с ним отверстием 4, через которое в неё поступает расплав (рис. 9, в). При движении поршня 2 вниз отверстие 4 перекрывается, и порция расплава по обогреваемому каналу и штуцеру поступает в полость пресс-формы. После затвердевания отливки поршень 2 возвращается в исходное положение и остатки расплава из канала сливаются в камеру прессования. Пресс-форма раскрывается, отливка выталкивается из неё толкателями, после чего пресс-форма закрывается, и цикл повторяется. Условия работы камеры прессования и поршня неблагоприятные, так как они постоянно погружены в расплав. В машинах с горизонтальной холодной камерой прессования (рис. 9, б) условия работы камеры и поршня более благоприятны, и в них можно развивать значительные давления прессования; поэтому в таких машинах можно изготовлять массивные отливки из всех известных сплавов, в том числе из чугуна и стали. Однако на этих машинах получить особо точные и тонкие отливки затруднительно. Литьё под низким давлением представляет собой процесс получения отливок посредством принудительной (под давлением) подачи расплава из герметичной камеры (тигля) по металлопроводу в литейную форму и его дальнейшее затвердевание в ней под действием избыточного давления (около 0,1 МПа) (рис. 10, а). Это давление создается воздухом или газом, находящимся над расплавленным металлом, который содержится в подогреваемом тигеле. В форму металл поступает через металлопровод, погруженный в тигель. а б в Рис. 10. Схемы литья с применением внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся материал отливки а – под низким давлением; б – центробежное; в – вакуумным всасыванием Данный способ позволяют управлять заполнением формы расплавом, улучшить механические свойства и качество отливки, исключив образование газовых раковин, неплотностей и оксидных плёнок. Литьём под низким давлением получают сложные фасонные тонкостенные отливки из алюминиевых и магниевых сплавов, реже простых отливок из чугуна, стали и меди. Центробежное литьё представляет собой процесс получения отливок под действием центробежных сил при свободной заливке расплава в изложницы (рис. 10, б). Вращение изложниц продолжается в течение всего времени кристаллизации расплава, который центробежной силой прижимается к стенкам изложницы, поэтому получаются плотные отливки с повышенной прочностью, так как газы и шлак в результате сепарации вытесняются во внутренние полости отливок и в дальнейшем удаляются. Изложницы – это металлические литейные формы, вращающиеся во время заливки и затвердевания расплава. Чаще всего изложницы изготавливают из стали и чугуна. Для регулирования теплового режима на рабочие поверхности изложницы после ее предварительного подогрева (до 200 0С) наносят слой огнеупорного покрытия, как при кокильном литье, в виде красок, облицовок (смесь песка с пульвербакелитом) и других материалов. Иногда на рабочие поверхности изложницы наносят химически активные покрытия (ферросилиций, графит, алюминиевый порошок) с целью изменения свойств поверхностного слоя отливок. Среди специальных способов литья центробежное занимает первое место по массе изготовляемых отливок. После затвердевания отливки имеют форму тел вращения (цилиндров, колец, труб). Ось вращения может быть горизонтальной и вертикальной. В обоих случаях ось вращения литейной формы совпадает с осью отливки, а толщина стенок определяется количеством заливаемого расплава. Частота вращения машин для центробежного литья составляет от 250 до 1500 об/мин. При изготовлении мелких фасонных отливок ось вращения формы может не совпадать с осью отливки. Такой способ называется центрифугированием. Центробежное литьё применяется в массовом, серийном и единичном производстве отливок из разных сплавов для получения: • пустотелых отливок типа тел вращения: трубы (особенно чугунные: водонапорные, канализационные), цилиндровые втулки, гильзы и поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания, колеса, диски, барабаны, шкивы, буксы, подшипники качения, орудийные стволы, корпуса полых валов из коррозионностойких сталей диаметром до1500 мм, длиной до 10 м, массой до 60 т для бумагоделательных машин, цилиндры компрессоров; • биметаллических (двухслойных) изделий, изготавливаемых из композиций типа: сталь – бронза, чугун – бронза, сталь – сталь, сталь – чугун и другие. При производстве биметаллических (двухслойных) изделий последовательно заливают в изложницу сначала один, а затем (с регламентированным перерывом) другой сплав, формирующие соответственно наружный и внутренний слои отливки, например: биметаллические прокатные валки (с наружным слоем, имеющим повышенную износостойкость, и внутренним слоем с повышенной пластичностью), крупные биметаллические втулки диаметром более 1000 мм для подшипников жидкостного трения. При центробежном литье получают отливки: с внутренним диаметром от 0,1 до 1500 мм; длиной от 1,3 до 10 м; массой от нескольких грамм до 60 т; толщиной стенок от 4 до 350 мм. При этом отсутствуют стержни, литники и выпоры. Литьё вакуумным всасыванием представляет собой процесс получения отливок посредством заполнения кристаллизатора расплавом за счёт создаваемого в его полости вакуума (разрежения) с последующим его затвердеванием в нём (рис. 10, в). Кристаллизатор – это водоохлаждаемая металлическая литейная форма. При данном способе литья полость формы заполняется за счёт перепада давлений от атмосферного (над зеркалом расплава) до пониженного от 10 до 80 кПа (в полости формы). Изменением разности между атмосферным давлением и давлением в полости формы можно регулировать скорость заполнения формы расплавом, управляя этим процессом. Вакуумирование полости форм при заливке позволяет заполнять формы тонкостенных отливок толщиной стенки от 1 до 1,5 мм, исключить попадание воздуха в расплав, повысить точность, герметичность и механические свойства отливок. Литьё вакуумным всасыванием предназначено для изготовления втулок, вкладышей подшипников скольжения из латуни, бронзы, чугунов, сталей; а также отливок со стенками равномерной толщины из алюминиевых и магниевых сплавов. Электрошлаковое литьё представляет собой процесс, в котором приготовление расплава (плавка) совмещается по месту и времени с заполнением литейной формы посредством переплава электродов требуемого химического состава (рис. 11, а). Источником тепла при ЭШЛ является шлаковая ванна, нагреваемая проходящим через неё электрическим током. Способ ЭШЛ применяют в ряде отраслей промышленности: в металлургии для изготовления прокатных валков, изложниц для литья труб центробежным способом; в судостроении для производства коленчатых валов мощных дизелей; в энергетическом машиностроении для изготовления задвижек паропроводов сверхвысоких давлений, корпусов атомных реакторов и т. д. Он может заменить получение заготовок обработкой давлением. При этом значительно сокращается расход металла. В начале процесса в водоохлаждаемый медный кристаллизатор 6 (рис. 11, а) заливают предварительно расплавленный шлак специального состава. Электрический ток подводится к переплавляемым электродам 7 и затравке 1 в нижней части кристаллизатора 6. Шлаковая ванна 4 нагревается до температуры 1700 0С и выше, благодаря чему погруженные в неё концы электродов оплавляются. Капли расплавленного металла проходят через ванну со шлаком, где очищаются от вредных примесей и собираются в зоне кристаллизации, образуя под слоем шлака металлическую ванну 3. Эта ванна непрерывно пополняется в верхней части расплавом от плавящихся электродов и последовательно затвердевает в нижней части вследствие отвода тепла через стенки кристаллизатора. Для получения отливки 2 электроды 7 по мере их оплавления и затвердевания отливки постепенно поднимаются вверх. В случае необходимости образования полости в отливке водоохлаждаемый металлический стержень 5 также перемещается вверх. а б в Рис. 11. Схемы литья с непрерывным процессом формирования отливки: а – электрошлаковое: 1 – затравка; 2 – отливка; 3 – металлическая ванна; 4 – шлаковая ванна; 5 – водоохлаждаемый стержень; 6 – кристаллизатор; 7 – электроды; б – непрерывное: 1 – ковш; 2 – кристаллизатор; 3 – затвердевшая часть отливки; 4 – валки;5 – механическая пила; в – полунепрерывное Непрерывное литьё представляет собой процесс получения протяженных отливок посредством свободной непрерывной заливки расплава в кристаллизатор с последующим непрерывным вытягивания из нее сформированной части отливки (рис. 2.11, б). Отливка представляет собой круглый пруток, прямоугольную штангу, трубу или какой-либо длинный брусок сложного профиля. Кристаллизатор – это короткая металлическая литейная форма без дна. В кристаллизатор с одной стороны заливается расплав, который, отдавая тепло холодным стенкам формы, затвердевает, а с другой стороны этой формы затвердевшая отливка извлекается и продолжает остывать на воздухе. Кристаллизатор может быть круглым, прямоугольным, фигурным и в виде кольца. Стенки кристаллизатора обычно представляют собой тонкие металлические пластины или трубы, интенсивно охлаждаемые водой. Непрерывное литьё применяют для получения отливок из сплавов, необрабатываемых давлением: чугуна, бронз и других. Также данным способом литья изготавливают отливки из алюминиевых сплавов, например, трубы с широким диапазоном размеров (диаметром до 1000 м), втулки для гильз дизельных двигателей, заготовки для гаек, шестерен, прокатных валков и других изделий. Полунепрерывное литьё аналогично способу непрерывного литья, в отличие от которого после получения изделия заданной длины механизмы извлечения отливки должны вернуться в исходное положение и закрыть литейную форму (кристаллизатор) так, чтобы она могла быть заполнена новой порцией расплава (рис. 11, в). Другими словами, процесс полунепрерывного литья основан на получении отливки за один цикл с перерывом в подаче расплава, необходимым для подготовки последующего цикла литья. Контрольные вопросы 1. В чём заключается сущность процесса получения отливок? 2. Какими свойствами должны обладать материалы для формовочных и стержневых смесей? 3. Каким образом реализуется процесс литья в песчано-глинистые литейные формы? 4. В чём состоит сущность процесса литья в кокиль? 5. Какими особенностями обладают технологии литья в оболочковые формы и по выплавляемым моделям? 6. В чём заключается сущность технологии литья под давлением? 7. Какие особенности имеет процесс литьё под низким давлением? 8. Каким образом реализуется процесс центробежного литья? 9. Какими особенностями обладает технология литья вакуумным всасыванием? 10. В чём заключается сущность электрошлакового литья? 11. Какие особенности имеют технологии осуществления непрерывного и полунепрерывного литья?