3. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА Введение

1
3. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Введение
Литейное производство — это отрасль промышленности, производящая заготовки для различных
деталей машин, механизмов, приборов. Продукцией литейного производства являются отливки —
заготовки любой геометрической формы.
Способы получения отливок разнообразны, однако сущность их едина. Она заключается в том, что
жидкий сплав заливают в подготовленную литейную форму, внутренняя рабочая полость которой имеет
очертание детали. После затвердевания сплав сохраняет конфигурацию рабочей полости формы, образуя
отливку. Далее отливка в форме охлаждается до определенной температуры, после чего ее извлекают из
литейной формы. При этом форму либо разрушают (разовая форма), либо разбирают на части
(многократная форма). Затем отливку подвергают отделочным операциям и передают как заготовку в
механический цех. В ряде случаев точными способами литья получают готовую литую деталь, для которой
механическая обработка практически не применяется.
3.1. Схема получения отливок
Около 80 % отливок изготавливают методом литья в разовые песчаные формы. Материалом для
таких форм являются формовочные смеси на основе кварцевого песка и глины. Процесс изготовления отливок
в песчаных формах складывается из нескольких этапов (рис. 3.1), которые выполняются в
соответствующих отделениях литейного цеха. Каждое отделение имеет необходимое оборудование, оснастку
и приспособления для выполнения технологических операций. В современных литейных цехах
большинство процессов — смесеприготовление, изготовление форм и стержней, заливка форм, выбивка
отливок и другие механизированы.
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 качество отливки. Для изготовления
песчаной формы необходимо иметь модельный комплект и другую литейную оснастку.
Литейная оснастка состоит из модельного комплекта, опок, модельных плит и прочих
приспособлений, необходимых для изготовления литейных форм: 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.
Моделъный комплект должен включать в себя всю оснастку для получения полости формы. Он
состоит из модели отливки, стержневого ящика, моделей элементов литниковой системы, прибыли и
выпора. При необходимости модельный комплект должен включать также шаблоны для контроля
размеров и конфигурации формы. Элементы песчаной литейной формы показаны на рис. 3.2.
2
Рис. 3.1 Схема получения отливки
На рис. 3.2, г показана собранная песчаная форма для получения отливки детали (рис. 3.2, а) —
втулки с фланцами. Данная форма изготавливается в двух опоках — металлических рамках — нижней 3
и верхней 4, в которых уплотняется формовочная смесь. Для образования в форме рабочей полости 1
используют специальное приспособление — деревянную разъемную модель (рис. 3.2, б) и песчаный
стержень 2, изготовленный в стержневом ящике 1 (рис. 3.2, е) (подробно о способах изготовления форм
и стержней, а также оснастке см. лабораторную работу по литью). С помощью модели в форме (рис. 3. 2, г)
получают отпечаток наружной конфигурации отливки.
Модель служит для получения отпечатка в форме (рис.3.2, б), стержневой ящик (рис.3.2, в —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.
3
Рис. 3.2. Литейная форма для отливки втулки: а — деталь; б — модель; е — стержневой
ящик и стержень; г — собранная литейная форма (вертикальный разрез); д — отливка
Уплотнение формовочной смеси 2 в нижних и верхних полуформах, как правило, выполняют в
опоках 3, 4, представляющих собой открытые снизу и сверху металлические ящики. После
изготовления полуформ низа и верха и стержней производят сборку формы и заливку жидким металлом.
После затвердевания и охлаждения отливок до требуемой температуры их извлекают из формы
путем разрушения последней на выбивных решетках.
Далее отливки подвергают обрубке (отделению литниковой системы, прибылей, заусенцев),
очищают от формовочной смеси. Перед сдачей в отдел технического контроля цеха все отливки
проходят необходимый контроль. В некоторых случаях литейные дефекты могут быть устранены путем
заварки, пропитки специальными составами или другими способами.
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.
Внутреннюю полость отливки — цилиндрическое отверстие получается за счет стержня. Для заливки
жидкого сплава в рабочую полость в форме имеется система каналов 6…9 (литниковая система). Выход
воздуха из полости формы при заполнении ее металлом происходит через каналы 5 (выпоры).
После затвердевания залитого сплава форму разрушают, извлекают отливку и удаляют из нее
стержень. Полученная отливка с литниковой системой показана на рис. 3.2, д. Перед отправкой в механический цех с отливки удаляют литниковую систему, производят очистку и контроль. Способ литья в
песчаные формы отличается универсальностью. Этим способом можно изготовить отливки любой массы
и конфигурации. Однако точность и чистота поверхности отливок во многих случаях не удовлетворяют
требованиям современного машиностроения. В последнее время широко применяются специальные
методы литья: по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, в металлические формы (кокили),
литье под давлением, центробежное литье и др. Имея одинаковую сущность, эти способы отличаются
материалом, используемым для формы, и технологией ее изготовления; условиями заливки формы
(свободная заливка и заливка под давлением); условиями формирования отливки (например, кристаллизация металла отливки под действием центробежных сил) и другими особенностями. Все это в конечном
итоге определяет технологические возможности способа и влияет на качество получаемой отливки.
Специальные методы литья позволяют получать точные отливки с чистой поверхностью и небольшими
4
припусками на механическую обработку.
Кроме того, технологический процесс изготовления отливки этими способами в значительной
степени механизирован и автоматизирован, что повышает его производительность и улучшает
санитарно-гигиенические условия труда.
3.2. Литейные свойства сплавов и их влияние на свойства и конструкцию отливок
Процесс получения отливки заключается в заполнении полости литейной формы
расплавленным литейным сплавом (расплавом) с последующим его затвердеванием —
кристаллизацией. Кристаллизация представляет собой процесс перехода из жидкого состояния в
твердое (кристаллическое, а для неметаллических материалов – аморфное), в результате которого
формируются строение, и свойства отливки. Жидкий расплав отличается от твердого материала
прежде всего тем, что он не может сопротивляться сдвигу и поэтому способен растекаться по
поверхности твердого тела — полости литейной формы.
Литые конструкционные материалы наряду с химическими, физическими и механическими
должны обладать также высокими литейными свойствами. Последние включают в себя
совокупность физико-химических и механических свойств, которые проявляются в процессе литья и
кристаллизации отливки. Наиболее важные литейные свойства — жидкотекучесть, усадка
(объёмная и линейная), склонность к ликвации, образованию трещин и к газопоглощению.
Жидкотекучестью называется способность расплава свободно течь в литейной форме,
заполняя ее, и точно воспроизводя все контуры полости формы. В это понятие входят свойства,
определяющие подвижность расплава в жидком состоянии. К ним относятся вязкость,
поверхностное натяжение расплава и прочность нерастворимых окислов на поверхности.
Жидкотекучесть зависит от химического состава, теплопроводности материалов отливки и формы,
температуры заливки формы, свойств литейной формы и т. д.
Жидкотекучесть определяют путем заливки специальных технологических проб (например,
спирали) рис. 3.3. За ее меру принимают длину заполненной расплавом части полости пробы,
измеряемую в миллиметрах.
Рис. 3.3. Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов: 1,2- нижняя и
верхняя полуформы; 3 - заливочная чаша; 4 - графитовая пробка
В зависимости от жидкотекучести расплава при оптимальной температуре его заливки
5
выбирается толщина стенок отливки, обеспечивающая требуемую прочность и экономию
материалов. Хорошая жидкотекучесть важна для получения плотных доброкачественных отливок.
Она улучшает условия вывода за пределы отливки усадочных раковин, уменьшает опасность
образования всех видов пористости, трещин. Недостаточная жидкотекучесть расплава вызывает
незаполнение отдельных тонких частей литейной формы — недоливы, а следовательно, и
искажение конфигурации и размеров отливки. С повышением температуры жидкотекучесть его
увеличивается. Поэтому для тонкостенных отливок температура сплава ложна быть выше, чем для
массивных отливок.
При переходе жидкости в твердое состояние происходит уменьшение объема и линейных
размеров. Это явление называется усадкой.
В результате усадки происходит и соответствующее уменьшение линейных размеров
отливки. Относительное изменение объемов отливки Vот по сравнению с объемом формы Vф,
выраженное в процентах, определяет объемную усадку об, которая имеет место в жидком,
жидкотвердом и твердожидком состояниях:
 об 
Vф  Vот
Vот
100 % ,
где Vф и Vот —объёмы полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.
Относительное изменение линейных размеров отливки lот по сравнению с размерами формы,
выраженное в процентах, определяет линейную усадку лин, которая имеет место а твердожидком и
твердом состояниях:

lф  lот
lот
100 %
где lф и lот—размеры полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.
Объемная усадка примерно в три раза больше линейной. Усадка в отливках создает условия
для образования усадочных раковин, пористости, трещин и короблении.
Согласно общей теории кристаллизации, при охлаждении расплавленного литейного сплава
происходит сначала зарождение центров кристаллизации в жидком расплаве, а затем рост
кристаллов из этих центров. Центрами кристаллизации могут быть устойчивые группировки атомов,
тугоплавкие частицы примесей и др. Охлаждение отливки происходит неравномерно, в направлении
- максимального отвода тепла перпендикулярно поверхности литейной формы. Залитый в форму
расплав отдает теплоту ее стенкам, поэтому кристаллизация расплава происходит от поверхности
формы вглубь отливки и заканчивается в прибыли или областях, являющихся термическими
центрами (тепловыми узлами отливки).
Усадочная раковина в отливках образуется в результате уменьшения объема жидкого металла при
кристаллизации. На рис. 3.4, а показан процесс последовательного затвердевания отливки в разные
моменты времени. У стенок формы начинает образовываться корка 1 затвердевшего металла, которая
постепенно нарастает. Вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое
превышает усадку корки, уровень металла в незатвердевающей части отливки понижается до уровня а
- а. В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый твердый слой 2, а уровень жидкости
далее понижается до уровня 6 - б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс
затвердевания. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к образованию
сосредоточенной усадочной раковины 3. Усадочные поры — мелкие пустоты неправильной формы —
образуются при объемном затвердевании сплава (рис. 3.4, б). Кристаллы, образующиеся одновременно во
всем объеме отливки, срастаются и разобщаются с жидкой фазой. В разобщенных ячейках 2 имеются остатки
жидкой фазы 3. Затвердевание небольшого объема металла в такой ячейке происходит без доступа к ней
питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая
усадочная раковина 1 (см. рис. 3.4, б). Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует
пористость, которая располагается по границам зерен металла.
6
Рис. 3.4. Схема образования усадочной раковины (а) и усадочной пористости (б)
Сосредоточенные усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из чистых металлов,
сплавов эвтектического состава (сплав АК12) и сплавов с узким интервалом кристаллизации
(низкоуглеродистые стали, безоловянные бронзы и др.).
Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода
расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. С этой целью на
отливки устанавливают прибыли-резервуары с расплавленным металлом, которые обеспечивают доступ
расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим последними. На рис. 3.5, а прибыль 1 не
может обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки. В этом месте
образуются усадочная ра вина 2 и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли 3 (рис. 3.5,
б) предупреждает образование усадочной раковины и пористости.
Предупредить образование усадочные раковин и пористости также позволяет установка в литейную
форму наружных холодильников 4 (рис. 3.5, в) или внутренних хслодильников 5 (рис. 3.5, г).
Наружные холодильники (рис. 3.5, в) устанавливают в форму с внешней стороны массивных
частей отливки. Вследствие высокой теплопроводности и большой теплоемкости холодильника отвод теплоты от
массивной части отливок происходит интенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей
затвердевания массивной и тонкой частей и устранению усадочных раковин и пористости. Внутренние
холодильники (рис. 3.5, г) устанавливают внутрь полости формы, образующей массивные части отливки. Эти
холодильники изготовляют из того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники
частично расплавляются и свариваются с основным металлом.
7
Рис. 3.5. Способы предупреждения усадочных раковин и пористости
Для получения плотных отливок необходимо обеспечить надежное их питание и направленное
затвердевание отливки, которое должно проходить последовательно по всему объему отливки без образования в
ней замкнутых объемов с расплавом. Направленность затвердевания определяют способом вписанных
окружностей. Этот способ состоит в том, что в рассматриваемое сечение отливки вписывают окружности в
различных точках (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Определение теплового узла способом
вписанных окружностей
Узлы 1 с окружностями наименьшего диаметра будут затвердевать первыми, затем узел 2 и в последнюю
очередь узел 4. В ходе затвердевания в узлах 2 и 4 неизбежно появление усадочных дефектов (усадочных раковин
и пористости) из-за затвердевания изолированных объемов расплава. Для предупреждения появления усадочной
раковины в узле 2 необходимо увеличить толщину стенки отливки за счет напуска 3 - утолщения стенок снизу
вверх, а для узла 4 предусмотреть при-быль 5. Прибыли на отливках имеют технологическое значение, и их в
конце про-цесса изготовления отливки удаляют.
Л и к в а ц и я - неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает
в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой
и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки и тем
больше ликвация примеси. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Ликвация вызывает
неоднородность механических свойств в различных частях отливки.
Различают дендритную (внутрикристаллитную) и зональную ликвации.
Д е н д р и т н а я л и к в и д а ц и я - это неоднородность химического состава в микрообъемах сгшава в
пределах одного зерна (дендрита). Во-первых, оси дендрита, затвердевшие раньше, обогащены тугогплавким и
обеднены легкоплавким компонентами сплава по сравнению с межосными пространствами. Во-вторых, растущие
первыми оси дендритов содержат меньше примесей, чем межосные пространства, в которые эти при-меси
оттесняются при образовании дендритов. Это приводит к неравномерному распре-делению примесей по сечению
кристалла.
8
З о н а л ь н а я л и к в а ц и я - это неоднородность химического состава в микро-объемах с
градиентом концентраций в отливке в целом или в отдельных ее частях. Она возникает в процессе диффузии
примесей из двухфазной зоны кристаллизующейся отливки в объем незатвердевшего расплава всплывания
загрязненных примесями объемов вследствие их меньшей плотности по сравнению с основным сплавом и т. д.
Дендритную ликвацию устраняют отжигом отливок.
Зональная ликвация устраняется выравниванием толщин стенок отливок, применением
рассредоточенного подвода металла к отливке, изготовлением отливок литьем в кокиль и другими способами.
Склонностью к образованию трещин называется совокупность свойств, определяющих
прочность отливки в процессе кристаллизации и охлаждения расплава. Различают горячие трещины,
образующиеся в отливках при высоких температурах, и холодные, образующиеся при низких
температурах (см. разд. 6).
Склонностью к газопоглощению называется способность расплавов поглощать газы и
выделять их в период охлаждения. Газы в расплав попадают при протекании химических реакций
(например, FеО + С—Fе + СО), с поверхности раздела расплав—форма, при заполнении формы
расплавом, из шихтовых материалов. С этим свойством связан весьма распространенный дефект
отливок—газовая пористость. Растворимость газов в расплавах уменьшается с понижением
температуры. В связи с этим понижение температуры заливаемого расплава является одной из мер
предупреждения образования газовой пористости, к числу которых относятся также дегазация
(прокалка или технологическая обработка в вакууме или инертной среде с целью удаления газов)
шихтовых материалов, расплава перед его заливкой в форму и др.
О литейных свойствах металлических сплавов можно судить по их диаграмме состояния.
Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы и сплавы с эвтектикой. Это
связано прежде всего с тем, что температура плавления эвтектики (“механической” смеси
кристаллов А и В в двойном сплаве) всегда ниже температуры плавления составляющих ее
компонентов, сплавы-эвтектики имеют повышенную жидкотекучесть.
Если росту кристаллов твердой фазы ничто не мешает, то они приобретают значительные
размеры. Ускорение процесса кристаллизации и увеличение числа центров кристаллизации
измельчают структуру, что достигается введением в жидкий металл специальных добавок –
модификаторов или применением форм из материалов с повышенной теплоаккумулирующей
способностью. При мелкозернистой структуре материала отливки повышаются ее механические
свойства, особенно пластичность и вязкость, например, при литье сплавов алюминия в
металлические формы – кокили.
В процессе кристаллизации отливки при объёме жидкой фазы, достаточном для перемещения
в промежутках между растущими кристаллами, пластичность материала отливки высокая, так как
она определяется свойствами жидкости. С увеличением объёма твердой фазы циркуляция жидкости
постепенно затрудняется и после образования жесткого каркаса кристаллов (или заклинивания их в
процессе деформации) полностью прекращается. Деформационная способность такого материала
падает до весьма низких значений, и при затруднённой усадке отливки создаются условия для
возможных разрушений (образования горячих трещин).
В связи с неодновременным затвердеванием отливки в тех ее местах, которые затвердевают
последними, будут развиваться деформации растяжения и, если в таких местах запас
деформационной способности (способности к развитию деформации) исчерпывается, в отливке
образуются горячие трещины. В процессе дальнейшего охлаждения деформирование развивается в
объемах кристаллов твердой отливки, пластичность которой резко возрастает.
Следует указать и на другую особенность, связанную с неодновременным затвердеванием
расплава во всех частях отливки. С момента заливки расплава в литейную форму вплоть до полного
охлаждения отливки протекают усадочные процессы, связанные с уменьшением объема расплава.
До тех пор пока расплав, залитый в форму, не образовал по внешнему контуру твердой фазы (так
называемый контурной корки), уменьшение его объема понижает уровень жидкости в верхней части
отливки. После образования наружного закристаллизовавшегося слоя (контурной корки, в которой
заключена жидкость) с понижением температуры происходит дальнейшее уменьшение объема
жидкости (расплава). В результате этого в отливке образуются полости, не заполненные расплавом.
9
Такие полости называются усадочными, их размеры оказываются тем больше, чем раньше
образовался наружный слой, чем выше коэффициент объёмного сжатия жидкости и степень сжатия
расплава при переходе его в твёрдое состояние и чем выше температура расплава. Развитие таких
полостей уменьшают как за счёт увеличения интенсивности охлаждения отливок (повышающего
скорость кристаллизации), так и за счёт ускорения поступления расплава к центральной части
отливки (достигается способами литья под давлением), а также направленной кристаллизацией
отливок (исключающей образования сплошной двухфазной зоны).
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое затруднение
(торможение) усадки. Механическое торможение возникает из-за трения между отливкой и формой.
Термическое торможение связано с различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки.
При наличии таких препятствий для усадки в отливке возникают внутренние напряжения.
Возникают они и в результате неодновременной и неравномерной усадки массивных и тонких
сечений.
Если величина внутренних напряжений превысит предел текучести материала отливки, то
возникнут остаточные, необратимые деформации (коробление) отливки. Отмеченные особенности
кристаллизации необходимо учитывать при разработке рациональных конструкций отливок.
В условиях автоматизированного производства при использовании ЭВМ возникает
необходимость в математическом моделировании процессов, основанном на известных
закономерностях процессов литья. Только создание тепловой теории литья позволило разработать
инженерные методы расчета продолжительности затвердевания отливок, смоделировать на ЭВМ
кинетику самого процесса затвердевания, теплового и напряженного состояния отливок. Таким
образом, технологическая операция заливки литейной формы, в частности, может быть включена в
подсистему САПР ТП.
Другим примером математизации литейного производства является возможность
проектирования эффективных средств предупреждения образования горячих трещин. Расчет
напряженно-деформированного состояния отливки основан на учете сложного взаимодействия
процесса,, усадки различных частей отливки, ее геометрической формы, изменения свойств
расплава в отливке в период его затвердевания, податливости материала формы и т. д.
Следовательно, можно заблаговременно рассчитать возможные деформации в отливке, при которых
возникнут горячие трещины.
3.3.
Выбор конструкционных материалов для отливок (заготовок и деталей)
Основные требования. В технике используются литые изделия (отливки, заготовки, детали),
изготавливаемые из традиционных литейных сплавов (сталь, серый чугун, алюминиевые сплавы,
медные сплавы и др.), а также из пластмасс, резинотехнических материалов, неорганических стекол,
стеклокристаллических, керамических и других неметаллических материалов. К материалам для
литых изделий предъявляется ряд общих требований. Такие материалы должны иметь:
— по возможности низкую температуру плавления, что позволяет их легко расплавить и
перегреть до требуемой температуры заливки;
— небольшую усадку при затвердевании и охлаждении, что уменьшает количество
усадочных дефектов, упрощает технологию литья;
— незначительную способность к газопоглощению в жидком состоянии, что уменьшает
опасность образования газовой пористости;
— незначительную ликвацию—химическую неоднородность и, следовательно, малое
различие по свойствам отдельных частей отливок;
— благоприятную структуру литого металла, обеспечивающую высокие свойства отливок;
— низкую стоимость, отсутствие дефицитных легирующих элементов.
Выбор материала для литых изделий является сложной инженерной задачей, решение
которой требует учета многих факторов и обстоятельств. Кроме хороших литейных свойств, они
должны обеспечивать: получение заданных свойств (химических, физических и механических) и их
сохранение в условиях функционирования изделия, обрабатываемость и свариваемость,
10
минимальные отходы материалов и т. д.
Одним из основных этапов ЛП является технологический процесс получения расплава для
заливки литейных форм. Материалы, загружаемые в плавильные печи в процессе приготовления
расплава, называются шихтой. Для получения расплава определенного химического состава
производится расчет шихты, для которого необходимы данные о химическом составе
выплавляемого расплава, составе шихтовых материалов и проценте угара расплава для конкретных
условий плавки. Расчетное содержание того или иного элемента в шихте можно определить по
формуле
Кш 
Кж
,
100  У
где Кш и Кж —- расчетное содержание элемента в шихте и жидком расплаве соответственно,
%; У—угар элемента при плавке, %. Определив среднее содержание элемента в шихте,
рассчитывают процентное содержание составляющих шихты.
Шихта чаще всего состоит из первичных и вторичных материалов, а также отходов
производства. Примерные составы шихты при плавке показаны в табл. 1.
При получении расплава применяются неметаллические материалы (флюсы) с целью защиты
от окисления, удаления вредных примесей, защиты от газонасыщения. Флюсы должны обладать
хорошей жидкотекучестью и достаточным
поверхностным натяжением, чтобы закрывать
поверхность
Таблица 1
Первичные
Вторичные
Отходы
Лом и отходы со
Сплавы
металлы и
металлы и сплавы собственного
стороны
сплавы
производства
Алюминиевые
25-80
Магниевые
Титановые
Жаропрочные
Конструкционные
стали
20-70
50—80
20—80
20—80
20-0
—
—
—
—
35-20
20—0
20—50
20—80
20—80
10—0
—
—
20-50
расплава; необходимой вязкостью, чтобы задерживаться на поверхности расплава во время
заливки в форму. Флюсы не должны взаимодействовать с футеровкой печи.
В зависимости от сплава, вида литья и характера производства применяются различные
плавильные агрегаты. Для плавки чугуна используются печи шахтного типа непрерывного действия
(вагранка), коксогазовые и газовые вагранки. В целях оздоровления окружающей среды широко
внедряются вагранки закрытого типа, в которых отходящие газы отбираются, подвергаются
очистке, дожигаются, а получающаяся при этом теплота используется для различных целей.
Для плавки углеродистой стали используются пламенные лечи, на жидком и газообразном
топливе, для стали высокого качества — электропечи.
Для плавки медных, алюминиевых и магниевых сплавов применяются тигельные и
отражательные плавильные агрегаты, а также электропечи различных типов.
Для бесфлюсовой плавки титановых, ниобиевых, молибденовых и других тугоплавких
сплавов, а также сталей, содержащих алюминий, титан и другие легкоокисляемые элементы,
применяются вакуумные электроплавильные агрегаты, электронно-лучевые, плазменно-дуговые и
плазменно-индукционные печи.
В процессе плавки возможны безвозвратные потери расплава или угар, на который влияют
температура и время протекания процесса, взаимодействие расплава с атмосферой и футеровкой
печи и флюсами. Во избежание этого необходимо процесс плавки вести быстрее, применять
11
покровные флюсы, защитные газы или
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 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
Наименование
материала
Химическая формула
Тальк
Пирофиллит
Ставролит
ЗМg0*4SiO2 *Н20
А120з*4SiO2 Н20
2А120з*2SiO2 FeO* Н20
Кварцевый песок
Пылевидный кварц SiO2
Плавленый кварц
Шамот
Cмесь А12О3 и SiO2
Хромит
Сг2Оз*FеО
Магнезит
Классификация по огнеупорности
по огнеупорности
Наименование
класса
Температурный
предел, °С
Мало огнеупорные
до 1580
1580— 1770
Огнеупорные
MgСО3
1770— 2000
Дистенсиллиманит А120з*SiO2
Оливин
Дунит
Хромомагнезит
Электрокорунд
Циркон
2(А1,Fе)О*SiO2
Высокоогнеупорные
ЗМgО -2Si О 2 *2Н2О
Смесь Сг2О3 и МgО
Высшей огнеупорности
выше 2000
Al2О3 (плавленая)
Zг02 *Si02
Формовочные глины представляют собой водные алюмосиликаты или соли
поликремниевых кислот общего вида
пК20 • mАl2Оз • lSiO2 • bН2О + gН20,
где п, т, I, b, g — коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от минералогического состава
12
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 *ag (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:
Nа2Si0з + 2Н2О + СО2 Si (ОН)4 + Nа2СОз,
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.
4. Оборудование для приготовления формовочных и стержневых смесей
Формовочные и стержневые смеси состоят в основном из кварцевого" песка, пылевидных
добавок и жидких добавок. Процесс приготовления смеси состоит из дозирования всех компонентов
смеси, включая жидкие связующие и воду, загрузки их в смесители в определенной
последовательности, перемешивания для обеспечения однородности и заданных свойств готовых
смесей.
Смесители литейные чашечные периодического действия с вертикально вращающимися
металлическими катками 15101 ... 15108 (рис. 3.7, а)
предназначены для приготовления единых, наполнительных, облицовочных и стержневых смесей из
песчано-глинистых фракций с пылевидными и жидкими добавками. Приставка СК к индексу модели
указывает на наличие у смесителя скипового подъемника для загрузки с целью использования в
смесеприготовительных системах реконструируемых цехов. Оборотная смесь и кварцевый песок,
пылевидные добавки (например, молотый уголь) и жидкие добавки (связующие, вода и др.)
загружаются через дозаторы.
Смесители могут иметь автоматическую систему регулирования влажности смеси. При
вращении вертикального вала 3 смесь размешивается (разминается) и растирается катками 2,
вращающимися на горизонтальных осях 4 и устанавливаемыми с регулируемым зазором а
относительно дна неподвижной чаши 1 и перемешивается отвалами 5 и 6, направляющими смесь под
катки. При этом песчинки обволакиваются оболочкой связующего. Последнее облегчается наличием
проскальзывания большей части цилиндрической поверхности катка относительно смеси, благодаря
чему песчинки перекатываются в глинистой суспензии. Запыленный воздух отсасывается из-под
колпака. Выгружается смесь через люки 7. Производительность бегунов (второе название
смесителей) зависит от длительности цикла и у модели 15108 при продолжительности цикла 2—4
мин составляет 110—60 м3/ч.
13
Смесители литейные
чашечные периодического действия с
вертикально
вращающимися
металлическими катками
Рис.
3.7.
Смесители (бегуны) литейные чашечные периодического действия центробежные с
горизонтально-вращающимися катками моделей 15326 и 15328 (рис. 3.8) предназначены для приготовления формовочных и стержневых смесей с незначительным количеством освежающих добавок.
Смесители (бегуны)
литейные
чашечные
периодического
действия
центробежные
с
горизонтальновращающимися катками
Рис. 3.8.
Производительность модели 15328 при продолжительности цикла 2,5 мин равна 38,4 мэ/ч.
Перемешивание здесь осуществляется за счет отбрасывания (центробежной силой) подаваемой на
диск 5 смеси на обечайку 4 (вертикальную, цилиндрическую поверхность чаши, облицованную
резиной), где прокатывающиеся по ней также обрезиненные' катки / разминают комья, верхние
скребки отделяют смесь от обечайки, а нижние 2 — поднимают смесь с днища чаши 3 на обечайку
под катки. Смесители оснащены весовыми автоматическими дозаторами отработанной смеси и
свежего песка, сухих добавок, жидких добавок; они могут оснащаться автоматической системой
регулирования влажности смеси. Запыленный воздух отсасывается. Применяются эти смесители в
основном для сырых ПГС.
Более производительны смесители (бегуны) литейные чашечные, непрерывного действия,
сдвоенные, с вертикально вращающимися катками для приготовления формовочных смесей моделей
15204, 15207, 15208.
Производительность 8-го габарита достигает 240 м3/ч. По конструкции представляют собой
сдвоенные смесители периодического действия с вертикально-вращающимися каткамие смежные
чаши которых сообщаются через общий сегмент. Увеличение производительности достигается
14
благодаря последовательному смешению двумя парами катков. Встречное вращение валов в чашах сдвинуто по фазе на 90° и синхронизированно. Компоненты непрерывно загружаются
автоматическими дозаторами. Смесь при перемешивании передается из чаши загрузки в чашу
выгрузки и обратно (меньшее количество). Готовая смесь выдается непрерывно. Запыленный воздух
отсасывается.
Агрегат для приготовления глинистой суспензии 198М (рис. 3.9) представляет собой
горизонтальный барабан 1, установленный вместе с приводом (5 — электродвигатель, 6 —
клиноременная передача, 7 — редуктор, 8 — зубчатая передача) на раме 2.
Агрегат для
приготовления
глинистой суспензии
Рис. 3.9.
Внутри барабана расположен горизонтальный вал 3 с параллельными ему зубчатыми
лопастями 4. Подача молотой глины и воды производится через воронку 9. Готовая суспензия
сливается через вентиль 10 и подается для загрузки в смесители для приготовления формовочных
смесей. Производительность — 13 т/ч. Имеются также комплексы оборудования для приготовления
глинистых суспензий моделей 17211 ... 17216 производительностью от 1 до 16 м3/ч.
Разработаны комплексы оборудования для автоматизированных смесеприготовительных
систем массового и крупносерийного производства КРб.З ... К16П ... КЮОНП-А ... К400Н,
включающие смесители периодического (в обозначении П) и непрерывного (в обозначении Н)
действия, охладители смеси, аэраторы, сита, железоотделители, ленточные конвейеры с весовыми
устройствами и плужковыми сбрасывателями. Цифры в маркировке комплексов указывают на
производительность в м3/ч; К — комплекс; Р — для реконструируемых цехов; А — для
облицовочных и наполнительных смесей (при отсутствии А — для единых).
Лучшими песчано-смоляными смесями для производства оболочковых форм и стержней
являются плакированные смеси, где каждая песчинка покрыта тонким слоем связующего —
термореактивной смолы. Смеситель центробежный периодического действия 15411 для
приготовления плакированных смесей горячим способом производительностью 1 т/ч имеет
нагреватель песка— камеру с вращающимся барабаном внутри нее. Барабан несет ковши,
поднимающие, а в верхнем положении высыпающие песок, при падении проходящий зону нагрева
и поступающий в центробежный смеситель с двумя катками на диске. Затем смесь поступает
через вибросито в охладитель. Установка имеет также емкости и дозаторы для смолы,
уротропина и стеарата кальция.
Установка непрерывного действия для приготовления плакированных смесей горячим
способом 19711М имеет производительность 3 т/ч, массу 21,2 т, длину 6,22 м. Она применяется в
серийном и массовом производстве. Нагрев песка до 120—180 °С производится газовыми горелками
в псевдокипящем слое; смешивание его со смолой, уротропином и стеаратом кальция происходит в
лопастном смесителе, затем в разрыхлителе с помощью вала с лопатками разбиваются комки и
продолжается охлаждение (начатое в смесителе с помощью подачи воды). Далее смесь попадает на
вибросито, а затем в охладитель, где ее температура снижается до 40—50°С за счет создания
вентилятором высокого давления псевдокипящего слоя.
ХТС очень быстро твердеют, поэтому приготовляются на формовочном участке в лопастных
смесителях непрерывного действия, из которых сразу выгружаются в опоку или ящик. Эти
15
смесители могут быть одноплечими, у которых окно для выдачи смеси в опоку или ящик
перемещается по окружности, и двуплечими, у которых это окно может перекрывать значительную
зону; первые применяются в поточных линиях, вторые — для формовки на плацу.
Основным элементом л о п а с т н ы х с м е с и т е л е й являются горизонтальные валы (один или
два) с лопастями, вращающиеся в желобе. Лопасти захватывают материалы и перемещают их по
окружности и вдоль желоба, постоянно вороша, перебрасывая и перетирая по стенкам желоба, за
счет чего и происходит перемешивание.
У двухжелобных смесителей: одноплечего 19641 и двуплечих 19653, 19655, 19657 (рис. 3.10)
предварительное смешивание компонентов, не реагирующих друг с другом, производится в
двух разных желобах 1 с лопастными смесителями (в одном смешиваются песок со связующим, в
другом — песок с отвердителем), а окончательное — в вихревой головке 2, конический корпус
которой (рис. 3.11) имеет вертикальный вал 1 с лопатками 3, внизу — шибер 2 с пневмоприводом
4.
Рис. 3.10. Желобные
смесители
Рис. 3.11. Двух желобной
смеситель
Раздельное смешивание позволяет получать смеси
с
малым временем живучести (быстротвердеющие), исключать потери смеси при остановках
смесителя и потери времени на очистку от застывшей смеси. Вихревая головка очищается от смеси
двукратной продувкой сжатым воздухом.
Смесители высокоскоростные с горизонтальной смесительной камерой для приготовления
ХТС на органических (смолах) и неорганических (жидком стекле) связующих материалах одноплечие моделей 19663 и 19665 и двуплечие моделей 19675, 19677, 19679 (производительность
последней модели до 40 т/ч) имеют время перемешивания не более 5 с и могут применяться для
приготовления смесей живучестью до 1 мин. Эти смесители имеют дозаторы для ввода в смесь
порошкообразной и жидкой добавок, широкий диапазон регулирования производительности,
16
систему автоматического контроля расхода компонентов, температуры песка и
предварительного программирования шести вариантов смеси по составу, виду связующего и
производительности, с возможностью быстрого перехода с одного варианта смеси на другой.
Смесители ХТС двуплечие моделей 19826 и 19827 изготовляются в трех исполнениях: с
вертикальной смесительной камерой; с горизонтальной смесительной камерой; с горизонтальной
высокоскоростной камерой.
Установки для приготовления ЖСС (рис.3.12) содержат: лопастной смеситель 1, выдающий
смесь через затвор 8 в опоку или стержневой ящик; бункеры песка 4 и феррохромового шлака 5 с
питателями 6; весовой дозатор 7; бак жидкой композиции 3 с мешалкой и дозатором 2.
17
Рис. 3.12. Установка
приготовления ЖСС
для
Установка для приготовления ЖСС
периодического действия 19114М имеет производительность 6— 8 т/ч, а установки непрерывного
действия 19413 и 19415 соответственно 5—10 и 20—30 т/ч.
Установка стационарная периодического действия для приготовления жидкой композиции
18
для ЖСС 18113 содержит резервуары хранения компонентов жидкой композиции, дозаторы,
смеситель, трубопроводы, пневмо- и электрооборудование и аппаратуру управления и
сигнализации.
Стационарная установка непрерывного действия для приготовления ПСС модели 19512
производительностью 20 т/ч смешивает базовую смесь с феррохромовым шлаком в лопастном
двухвальном смесителе и с помощью питателей раздает ее по опокам или ящикам. Базовая смесь
(песка с жидким стеклом) приготовляется в обычных бегунах.
5. Оборудование для изготовления литейных форм машинной формовкой
Машинная формовка по сравнению с ручной обладает более высокой производительностью,
меньшей трудоемкостью, позволяет получать отливки более высокой точности, улучшает условия
труда. В настоящее время это основной способ получения литейных форм.
При машинной формовке модели устанавливаются на модельных плитах, которые Тобразными болтами крепятся к столам машин.
При верхнем прессовании (рис. 3.13) опока 6 устанавливается на модельную плиту с моделью
4, прикрепленную к столу 5 формовочной машины. Перед наполнением опоки смесью 3 на нее
ставится наполнительная рамка 2, так как необходимый объем рыхлой смеси больше объема
уплотненной в опоке смеси. Затем в цилиндр машины подается сжатый воздух, поршень поднимает
стол машины 5 с плитой, опокой, рамкой. Прессующая колодка / входит в наполнительную рамку,
вытесняя из нее смесь в опоку и уплотняя смесь. Плотность смеси в полуформе уменьшается по
мере удаления от прессовой колодки.
Рис. 3.13. Схема
верхнего
прессования
Таким образом, в зоне модели плотность наименьшая. Поэтому верхнее прессование
применяют для опок высотой не более 200—250 мм. Габаритные размеры опок ограничиваются
усилием прессования, которое может развить машина. Уплотнение прессованием отличается
малошумностью и высокой производительностью, так как вместо ударов при встряхивании
требуется только один ход поршня. Применение вибрации во время прессования
(вибропрессование) уменьшает потребное усилие и увеличивает равномерность уплотнения.
При нижнем прессовании (рис. 3.14) в роли прессующей колодки выступает модельная плита
4, что обеспечивает в зоне модели наибольшую плотность смеси.
19
Рис. 3.14. Схема
нижнего
прессования
Подвижная часть 3 стола 2 поднимает плиту, которая впрессовывает смесь из углубления в
столе 2 в опоку /, упирающуюся в траверсу 5. Здесь верхняя поверхность модельной плиты должна в
конце хода точно совпадать с нижней плоскостью опоки (плоскостью разъема литейной
формы).Необходимость точного регулирования длины хода стола, более сложная переналадка
машины на другой размер опоки, а также попадание смеси в зазоры между подвижной частью 3 и
столом 2 и связанный с этим значительный износ этих частей— основные дефекты машин с нижним
прессованием. В результате на практике более распространены машины с верхним прессованием.
При прессовании плоской колодкой опоки с высокой моделью столб смеси над моделью
уплотняется больше, чем столб смеси вне модели. Это вполне понятно, так как слой смеси,
находящийся в рамке, при уплотнении впрессовывается над моделью в низкий столб смеси в опоке,
а вне модели — в более высокий столб смеси. Эти два столба смеси (над моделью и вне ее), не
являются разумеется, изолированными, и при прессовании происходит некоторое перетекание смеси
из первого столба во второй, но при обычных, малотекучих, формовочных смесях это
существенного влияния на результаты уплотнения не оказывает.
Для более равномерного уплотнения участков формы над высокой моделью и вне ее
рекомендуется применять профильные прессовые колодки, имеющие выступы в соответствии с
конфигурацией модели (рис. 3.15), использовать профильную засыпку смеси (рис. 3.16), прессование
резиновой диафрагмой (рис. 3.17) или многоплунжерной головкой — дифференциальное
прессование (рис. 3.18).
Рис. 3.15. Схема уплотнения профильной Рис. 3.16. Схема уплотнения профильной
прессовой колодкой
засыпкой смеси
20
При дифференциальном прессовании каждая из колодок / находится под действием
поршня 2 гидравлического цилиндра, причем цилиндры всех колодок сообщаются и, следовательно,
давление в них одинаковое, что обеспечивает примерно одинаковое уплотнение смеси.
Рис. 3.17. Схема уплотнения прессованием Рис.
3.18.
Схема
уплотнения
резиновой диафрагмой
дифференциальным прессованием
Основным рабочим органом пескомета является метательная головка 2 (рис. 3.19),
представляющая собой закрытый кожухом ротор, вращающийся на горизонтальной оси со
скоростью 1500 об/мин и имеющий одну—три лопатки (ковша) 5. Смесь в головку подается
транспортером 1, попадает на лопатку 5, предварительно уплотняется на ней центробежной силой, а
затем выбрасывается вниз порциями 3 в опоку 4.
Рис.
3.19.
Схема
уплотнения пескометом
Смесь из головки пескомета выбрасывается отдельными, предварительно уплотненными
комками, или пакетами. За каждый оборот лопатки выбрасывается один комок, а в минуту —
1400…1500 комков, так что наблюдателю кажется, что смесь выходит из головки непрерывной
струей. Вследствие большой скорости пакеты с силой ударяют о поверхность смеси в опоке и
уплотняют ее, действуя как своего рода трамбовка; одновременно опока наполняется смесью. Чтобы
иметь возможность направлять поток смеси в разные места по всей площади опоки, формовщик
21
может перемещать метательную головку над опокой в горизонтальной плоскости, вручную
или с помощью приводов.
При набивке пескометом смесь уплотняется равномерно по высоте опоки. Равномерность
уплотнения делает пескомет особенно пригодным для набивки нижних опок с высокими моделями.
Местной рыхлости за острыми кромками углов модели при набивке пескометом не получается.
Степень уплотнения регулируют либо переключением вращения ротора головки на другую скорость
(пескомегы могут иметь, например, две скорости), либо путем быстрого и медленного вождения
головки над опокой. При более медленном вождении головки уплотнение получается меньше. В
этом случае струя смеси все время бьет в одно место и в опоке образуется коническая кучка смеси,
причем новые порции ссыпаются с нее в стороны. При всяком же перетекании и сдвиге сыпучие
зернистые материалы разрыхляются.
Пескометы благодаря большой производительности (10…50 м8/ч) применяются, как правило,
для набивки лишь средних и крупных опок. Небольшие опоки невыгодно набивать пескометом из-за
слишком большой потери смеси, падающей мимо опоки. Широкошовный пескомет имеет ковш
шириной в опоку, поэтому для уплотнения одной полуформы требуется 10…12 с. К его недостаткам
относятся энергоемкость и шум.
Процесс пескодувного уплотнения заключается во вдувании сжатым воздухом смеси 'В
стержневой ящик или очень редко в опоку (рис. 3.20).
Рис.
3.20.
Схема
пескодувного уплотнения
Смесь 4 из питателя 2 через шибер (заслонку) 3 подается в резервуар /. Затем шибер
закрывается, и через клапан 5 в резервуар подается мощный поток сжатого воздуха под давлением
0,6 МПа, выстреливающий смесь в стержневой ящик 6 или опоку, прижатую к дутьевой плите
пескодувной головки. Выпуск воздуха из ящика или опоки наружу происходит через
вентиляционные отверстия, или венты 7. Процесс может быть выполнен в пескодувном и
пескострельном (см рис. 3.20) режимах.
Пескодувно-прессовое уплотнение (рис. 3.21) применяется, например, при безопочной
формовке в горизонтальную стопку.
22
Рис.
3.21.
Схема
пескодувно-прессового
уплотнения
Сначала производится вдувание смеси из резервуара / в пространство 2 между полумоделями
5 и 4. Затем смесь прессуется движением полумодели 4 влево под действием штока 3
гидроцилиндра, после чего полумодель 5, поворачиваясь на плите 6, поднимается вверх, а «кирпич»
формы продвигается влево и прижимается к стопке ранее отформованных «кирпичей» 7, образуя
одну литейную форму и полуформу под следующую. Собранные формы по мере присоединения
новых «кирпичей» перемещаются влево, на заливку.
При вакуумно-пленочной формовке модель 1 (рис. 3.22) и свободная поверхность модельной
плиты 2 покрываются пленкой 5 (предварительно нагретой нагревателем 7), которая плотно
облегает модель при отсосе воздуха через канал 3 из полости модели, стенки которой имеют
сквозные отверстия 6.
Рис. 3.22.Схема вакуумнопленочной формовки
Затем на модельную плиту ставится опока, внутренние стенки которой имеют множество
сквозных отверстий, а полость 4 между внутренней и внешней сплошной стенками может быть
присоединена к вакуумному насосу (ВН). Опока заполняется песком с уплотнением вибрацией,
сверху накрывается пленкой и подключается к ВН Атмосферное давление сжимает через пленку
песок, сохраняя конфигурацию полости полуформы. После этого полость модели отключают от ВН
и открывают доступ к атмосфере, а полуформу снимают с модельной плиты. Таким же образом
получают вторую полуформу. Полуформы соединяют, заливают сплавом. Для выбивки отливки из
формы достаточно отсоединить опоки от ВН.
Преимущества этого метода: не требуется смесеприготовительного оборудования,
связующего и других материалов, входящих в состав смесей; отливка легко выбивается из песчаной
формы; имеет меньшую шероховатость поверхности, чем при литье в ПГФ; уменьшается
газовыделение из формы. Выпускаемые комплексы , оборудования для вакуумно-пленочной
формовки 29604 ... 29607 применяются для изготовления отливок из любых сплавов в опоках
размером до 2000x1600. Производительность комплекса 29607 составляет 4 формы в час.
При импульсном уплотнении (рис. 3.23) давление газа в камере 5 над смесью повышают за
0,01…0,1 с, при этом газ с большой скоростью проходит через смесь 2, создавая сжимающие
напряжения, и смесь уплотняется. Хорошо уплотняются даже узкие промежутки между моделями и
стенками опоки. Механизм предельно прост, шум значительно меньше, чем при других способах.
23
Рис.
3.23.
Схема
импульсного уплотнения
Остальные обозначения: 4 — уплотнения; 3 — наполнительная рамка; 1 — модельная плита с
центами — отверстиями для выхода газа из опоки. Принцип импульсного уплотнения реализован в
формовочных машинах 20501 ... 20503; у последней размеры опоки 1000x800, продолжительность
цикла 40 с.
При гравитационном уплотнении необходимая порция смеси падает на модельную плиту со
скоростью 5—7 м/с, что значительно выше, чем при встряхивании, поэтому смесь уплотняется за
один удар, но полученная плотность недостаточна для получения качественных отливок, поэтому
метод используется только в сочетании с другими.
Вакуумно-прессовое уплотнение соединяет прессование с вакуумированием смеси, что
приводит к большей равномерности плотности формы, повышению ее прочности, снижению влажности.
6. Сборка и заливка литейных форм
Сборка литейных форм начинается с установки нижней полуформы 1 на заливочную
площадку или тележку конвейера (рис. 4.24, а). Затем в последовательности, указанной в технологической карте или на сборочном чертеже, устанавливают стержень I (рис. 3.24, б) и стержень II, после
этого нижнюю полуформу по центрирующим штырям 3 накрывают верхней полуформой 2 (рис.
3.24, в). Устойчивое положение стержней обеспечивается стержневыми знаками. Верхнюю
полуформу с нижней скрепляют болтами, скобами или накладывают груз.
24
Рис.3.24. Последовательность операций сборки литейной формы/Дальский 2002г,с176/
Автоматизация заливки литейных форм обеспечивает высокую точность дозировки металла,
облегчает труд заливщика, повышает производительность труда.
На рис. 3.25 приведена схема автоматической заливочной установки для заливки серого чугуна в
формы,
в
которой
раздаточное
устройство 1, имеет кольцевой индуктор 6 для подогрева и перемешивания расплавленного металла и
герметичную
крышку
2.
Через
канал
7
в
раздаточное
устройство
периодически
заливают
чугун
из
ковша
8.
Для
выдачи
дозы
над
зеркалом
расплава
создают
давление,
благодаря
которому
уровень
металла
в
каналах
7
и
3
поднимается,
и
он через отверстие 4 в раздаточном носке поступает в форму 5. Расходом управляют, изменяя давление газа
на
зеркало
расплавленного
металла.
25
Рис.3. 25. Схема автоматической заливочной установки
4. Изготовление форм.
Формы изготовляют различными способами: формовкой в двух и трех оноках, по шаблону, и
литейных кессонах, в стержнях, в опоках, безопочной и машинной формовками.
Выбор способа формовки зависит от размера формы, от серийности производства, сложности
моделей, от конструкции и расположения литниковой системы, расположения прибыли и др.
Рассмотрим основные способы изготовления форм.
Изготовление форм в двух и трех опоках (рис. 3.26). Формовка в двух опоках происходит
в следующей последовательности: с помощью модели формуется нижняя полуформа 3 (рис.3.26, а),
затем устанавливают модель втулки 4, стояка 6 и выпора 5 и формуют верхнюю полуформу 7.
Поднимают верхнюю полуформу и удаляют из нее модели стояка и выпора, a из нижней
цолуформы — модель отливки. Полуформы готовят к сборке, устанавливают стержень 1 для
образования центрального отверстия в стержень 2 для образования наружного углубления отливки.
Верхнюю полуформу ставят на нижнюю и заливают чугуном. Готовая отливка шкива с литниковой
системой приведена на рис.3.26, в.
В единичном производстве, чтобы изготовить стержень 2 (рис. 3.26, а) и стержневой ящик для
него, применяют формовку в трех опоках 9…11 (рис. 3.26, б). В этом случае в модели втулку 4 и
фланец 8 выполняют отъемными. Средняя опока 10 образует наружное углубление в отливке. После
изготовления формы поднимают верхнюю опоку 9, удаляют отъемный фланец – модель 8, ставят
стержень и собирают форму.
Рис. 3.26. Формовка шкива: а – в двух опоках; б – в трех опоках; в – отливка с литниковой
системой
Изготовление литейных форм в кессонах (рис. 3. 27). Для изготовления крупных форм трудно
или невозможно применять формовочные машины. Поэтому для применения формовочных машин
отливку выполняют составной. Впоследствии составные части сваривают. При экономической
нецелесообразности такого метода применяют формовку в кессонах (бетонированных ямах).
26
Рис. 3.27. Сборка формы станины в механизированном кессоне.
Формовку в кессонах применяют при изготовлении крупных отливок массой до 200 т. На
рис. 3.27 показана форма станины, собранная в механизированном кессоне, который смонтирован на
бетонном основании 7, Дно его выложено чугунными плитами 4. Две неподвижные стенки 1 и 8
также облицованы металлическими плитами. Противоположные чугунные стенки 3 и 6
передвигаются с помощью червячного редуктора 2, приводимого в действие электродвигателем, что
позволяет изменять внутренние размеры кессона. Форму собирают из стержней-блоков 5,
изготовленных из жидких самотвердеющих смесей. Литниковую систему изготовляют из
керамических огнеупорных трубок. Верхнюю полуформу 10 устанавливают по центрирующим
штырям 9 и прикрепляют к кессону болтами.
7. Специальные способы литья
Точность геометрических размеров, шероховатость поверхности отливок, полученных в
песчаных формах, во многих случаях не удовлетворяет требованиям современной техники. Поэтому
широко используются специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым
моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие, позволяющие получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на
механическую обработку, а иногда полностью исключающие ее, обеспечивают высокую
производительность труда и т. д.
7.1. Литье в оболочковые формы
Оболочковые формы (разъемные, тонкостенные), изготовляют следующим образом:
металлическую модельную плиту 1, нагретую до температуры 200—250 °С, закрепляют на
опрокидывающем бункере 2 (рис. 1, а) с формовочной смесью 3 и поворачивают его на 180° (рис. 1,
б). Формовочная смесь, состоящая из мелкозернистого кварцевого песка (93—96 %) и
термореактивной смолы ПК-104 (4—7 %), насыпается на модельную плиту и выдерживается 10—30
с. От теплоты модельной плиты термореактивная смола в пограничном слое переходит в жидкое
27
состояние, склеивает песчинки с образованием песчано-смоляной оболочки 4 толщиной 5—
20 мм в зависимости от времени выдержки. Бункер возвращается в исходное положение (рис. 1, в),
излишки формовочной смеси ссыпаются на дно бункера, а модельная плита с полутвердой
оболочкой 4 снимается с бункера и нагревается в печи при температуре 300—350 °С в течение 1—
1,5 мин, при этом термореактивная смола переходит в твердое необратимое состояние. Твердая
оболочка снимается с модели специальными толкателями 5 (рис. 1, г). Аналогично изготовляют и
вторую полуформу.
Готовые оболочковые полуформы склеивают быстротвердеющим клеем на специальных
прессах, предварительно установив в них литейные стержни, или скрепляют скобами. Кроме
оболочковых форм этим способом изготовляют оболочковые стержни, используя нагреваемые
стержневые ящики.
Оболочковые формы и стержни изготовляют на одно- и многопозиционных автоматических
Рис.
1.
Последовательность
операций формовки при литье в
оболочковые формы
машинах и автоматических линиях.
Заливка форм производится в вертикальном или горизонтальном положении. При заливке в
вертикальном положении литейные формы 6 помещают в опоки-контейнеры 7 и засыпают
кварцевым песком или металлической дробью 8 (рис. 1, д) для предохранения от
преждевременного разрушения оболочки при заливке расплава.
Выбивку отливок проводят на специальных выбивных или вибрационных установках. При
очистке отливок удаляют заусенцы, зачищают на шлифовальных кругах места подвода питателей и
затем их подвергают дробеструйной обработке.
Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометрическую точность отливок, так
как формовочная смесь, обладая высокой подвижностью, дает возможность получать четкий
отпечаток модели. Точность отпечатка не нарушается потому, что оболочка снимается с модели без
расталкивания. Повышенная точность формы позволяет в 2 раза снизить припуски на
механическую обработку отливок. Применяя мелкозернистый кварцевый песок для форм, можно
снизить шероховатость поверхности отливок. Высокая прочность оболочек позволяет изготовлять
формы тонкостенными, что значительно сокращает расход формовочных материалов и т. д. В
оболочковых формах изготовляют отливки с толщиной стенки 3—15 мм и массой 0,25—100 кг для
автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин из чугуна, углеродистых сталей, сплавов
цветных металлов.
Литье по выплвляемым моделям и сущность метода.
Литье в формы, полученные по выплавляемым моделям, с давних времен применяли
для получения литых скульптур, украшений и т. д.
28
В промышленности для изготовления деталей машин и приборов этот
прогрессивный способ получает все более широкое применение. Сущность способа состоит в
том, что детали получают заливкой в неразъемные тонкостенные керамические формы,
изготовленные с помощью моделей из легко плавящихся составов. Применение таких форм
позволяет получать сложные по форме отливки из любых сплавов с повышенной точностью по
размерам и частоте поверхности. Этот способ часто называют способом точного литья.
Модельные составы. Для изготовления моделей применяют различные легкоплавкие
составы, например, ПС 50-50, который состоит из 50 % парафина и 50 % стеарина с
температурой плавления около 55 градусов и хорошей жидкотекучестью.
Недостаток такого сплава в том, что он начинает размягчаться при 30…35 градусах.
ПСБ и ПЦТ в модельные составы обладают высокой прочностью и теплостойкостью,
применяются в виде паст, что уменьшает время затвердевания моделей в пресс-формах.
Однако повышенная вязкость требует увеличения мощности установок при их приготовлении
и увеличения давления запрессовки модельного состава в пресс-формы.
Четырехкомпонентные составы Р-3 обладают высокой прочностью и теплостойкостью.
Модельные составы ПСЭ и ПЦЭ, содержащие до 15% этилцеллюлозы, имеют
повышенную температуру размягчения, прочность в 1,5-2 раза выше по сравнению с
прочностью составов ПС. Составы с этилцеллюлозой склонны к утяжинам, особенно в
массивных частях модели. Модельные составы применяют в жидком состоянии и в виде пасты
для тонкостенных, крупных моделей.
Изготовление моделей в массовом и крупносерийном производстве осуществляют
запрессовкой состава, подогретого до пастообразного состояния, в стальные пресс-формы под
давлением 3-5 ат.
На рисунке приведена схема устройства десятипозиционного автомата карусельного
типа.
На каждой позиции вращающегося стола 1 расположены прессовочные устройства:
разборные пресс-формы 3 со шприцами для запрессовки 4 и пневмоцилиндрами 2 для сборки и
разборки пресс-форм. На позиции первой модельный состав запрессовывают в форму, на
позициях со второй по седьмую происходит охлаждение пресс-форм. На позиции восьмой
пресс-форма открывается и модель 5 сбрасывается толкателями в водяной конвейер 6. На
позиции девятой происходит подготовка пресс-формы к следующему циклу работы.
Литниковый канал прочищают иглой, приводимой в движение пневмоцилиндром 7. Прессформу продувают сжатым воздухом и смазывают тонким слоем трансформаторного масла
форсункой 8. На десятой позиции пресс-форма закрывается. Для изготовления моделей мелких
деталей используют многоместные пресс-формы, в которых получают не отдельные модели, а
звенья из нескольких моделей, что значительно упрощает их сборку в много модельные блоки.
29
рис 1
а - отливка
б - пресс-форма
в - электропечь для расплавления легкоплавкого сплава
г - пресс-форма, заполненная легкоплавким сплавом
д - легкоплавкая модель
е - легкоплавкие модели с литниковой системой
ж – легкоплавкие модели, покрытые слоем огнеупорного материала
з – заформованные легкоплавкие модели
30
В серийном производстве, где часто меняют номенклатуру деталей, вместо стальных
применяют пресс-формы из алюминиевых сплавов, а так же более дешевые, но не долговечные
пресс-формы из пластмасс, гипса и других материалов. Запрессовку модельных составов
производят на пневматических, рычажных и других прессах или вручную.
Монтаж блоков моделей.
Мелкие модели собирают в блоки, приклеивая или припаивая их электропаяльниками к
общей литниковой системе рис 2.
Это дает значительную экономию металла и облегчает последующие операции
изготовления керамических форм. В механизированных и автоматизированных цехах блоки из
моделей собирают на специальных приспособлениях (металлических стояках-каркасах), что
обеспечивает плотное соединение моделей без припаивания.
рис 2
Формирование керамической оболочки на блоках.
Тонкая керамическая оболочка должна иметь высокую прочность и огнеупорность,
хорошую податливость и газопроницаемость, обеспечивать высокую частоту поверхности
отливок. Оболочка общей толщиной до 5-6 мм состоит из трех-восьми последовательно
наносимых слоев. Для образования каждого слоя модель погружают в жидкую суспензию,
затем обсыпают песком и сушат. Суспензия состоит из связующего – гидролизированного
раствора этил силиката (70%), содержащего 40-50% оксида кремния и пылевидного кварца
31
(30%).
Разработаны и другие связующие, например, растворы с низким содержанием оксида
кремния и добавками поверхностно-активных веществ. Применение жидко стекольных
суспензий ухудшает качество поверхности отливок. Для первого слоя целесообразно
применять мелкозернистый песок, для последующих слоев – крупнозернистый с целью
повышения газопроницаемости оболочки и снижения стоимости материала. В обычном
кварцевом песке при прокаливании происходят полиморфные превращения, что может
привести к образованию трещин и деформации оболочки. Значительно более качественным в
этом отношении являются плавленый кварц, корунд и другие материалы.
Сушку проводят на воздухе после нанесения каждого слоя в течение 2-4 часов. Её
можно ускорить, используя пары аммиака. При сушке в псевдокипящем слое силикагеля её
продолжительность резко сокращается (до 3-5 минут) при одновременном улучшении качества
оболочек. Окончательное затвердевание оболочек происходит при прокаливании.
Выплавление моделей из керамических форм производят различными способами.
Легкоплавкие парафина-стеариновые составы обычно удаляют в ваннах с горячей водой. Этот
способ технически прост и обеспечивает возврат модельного состава до 90-95%. Его
недостаток состоит в том, что при увеличении продолжительности пребывания в воде
понижается прочность оболочек на этилсиликатном связующем.
Более тугоплавкие модельные составы выплавляют горячим воздухом, иногда паром.
Эффективным является новый способ удаления моделей в высококипящих жидкостях,
например, полигликолях при 200-250 градусах. При этом не только значительно сокращается
время выплавки, но и улучшается качество оболочки.
Формовку оболочек проводят для упрочнения, чтобы не происходило их
деформирования и разрушения при заливке. Для этого оболочковые формы устанавливают в
опоки или в жакеты и засыпают песком или другими формовочными материалами, уплотняя
их на вибростолах, для этой же цели можно использовать жидкие самотвердеющие смеси.
Прокаливание оболочковых форм до 900-1000 градусов проводят для удаления остатков
модельных составов, газотворных веществ из материала оболочки, завершения процессов её
твердения. Кроме того, нагревание формы обеспечивает лучшее заполнение при заливке.
Заливка, выбивка и очистка отливок.
Заливку обычно проводят в горячие формы сразу же после их прокаливания. С
повышением температуры нагрева формы до 1200-1250 градусов во многих случаях
уменьшается усадочная пористость и повышается качество отливок. Заливку особо
ответственных изделий ведут с применением фильтров.
Керамическая оболочка легко отслаивается и удаляется при выбивки опок на
вибрационных решетках. Остатки оболочки, в частности в полостях и отверстиях, удаляют
кипячением отливок в щелочных растворах с последующей промывкой горячей водой.
На ряде отечественных заводов работают автоматические линии, включающие
установки для изготовления модельного состава, нанесения суспензии и т.д.. Автоматизация
обеспечивает экономическую эффективность указанного способа литья, особенно в условиях
массового производства.
Особенности способа и области применения.
Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение сложных по форме литых
деталей из любых сплавов с повышенной точностью и чистотой поверхности. При его
применении значительно уменьшается, а в ряде случаев исключается механическая обработка
деталей. Вмести с этим, технологический процесс является продолжительным и технически
сложным, требует расхода дорогих материалов. Стоимость одной тонны отливок в несколько
раз больше, чем в других способах литья. Наиболее часто этим способам получают небольшие
отливки. Литье по выплавляемым моделям применяют при массовом производстве мелких,
сложных, тонкостенных отливок. Для некоторых труднообрабатываемых жаропрочных
магнитных и других сплавов с особыми свойствами получение точных отливок по
выплавляемым моделям является единственным способом изготовления изделий. Одним из
направлений в развитии точного литья является применение взамен легковыплавляемых
32
моделей, легкорастворимых и газифицируемых моделей.
Легкорастворимые модели делают из различных составов, например, на основе
мочевины с добавками полиэфирного спирта, легко растворяющихся в воде. Такие модели в
некоторых случаях обеспечивают более высокое качество отливок, чем применение
выплавляемых моделей.
Литье по газифицируемым моделям – новый, прогрессивный способ точного литья.
Модели, изготовленные из вспененного полистирола, из формы не удаляют. Они
газифицируются (разлагаются) во время заливки сплава. Такой способ значительно упрощает и
удешевляет формовку, обеспечивает высокое качество литья. Экономическая эффективность
такого способа особенно значительна, особенно значительна в производстве крупных сложных
отливок.
Особенности литья по пенопластовым моделям – применение не разъемных форм, из
которых модель не извлекается, а газифицируется. Таким образом получают отливки от 0,2 кг
до нескольких тонн из стали, чугуна, медных и алюминиевых сплавов в единичном и серийном
производствах.
Пенополистирол из которого изготавливается модель имеет малую плотность,
разлагается при температуре 300-350 градусов, выделяя пары стирола, легко обрабатывается,
даже простым ножом и разогретой проволокой.
В мелкосерийном производстве пеноплаттовые модели изготавляют механической
обработкой в ручную с помощью пил, рубанка, фуганка и на станках (строгальных, фрезерных,
сверлильных и шлифовальных) Модели часто изготовляют по частям, которые затем
соединяют склеиванием, сваркой, спеканием.
В крупносерийном производстве модели из полистирола поучают методом вспенивания
в металлических или пластмассовых формах. В Форму, полость которой имеет конфигурацию
и размеры модели, загружают полистироловые гранулы. При нагревании гранулы
вспениваются, расширяются, спекаются между собой, полностью заполняют полость формы.
После охлаждения модель извлекают из формы.
Пенопластовую модель формуют в опоке обычным способом. Формовочную смесь
чаще уплотняют на встряхивающих и вибрационных станках.
После изготовления форму заливают сплавом, при этом модель, которая осталась в
форме, газифицируется, и газы удаляются в выпоры, а место, где находилась модель,
заполняют сплавом для образования отливки.
Применяют и другие способы изготовления отливок с помощью модели из пенопласта.
Пенопластовые модели применяют также вместо выплавляемых моделей.
Выжигаемые модели.
Кроме выплавляемых моделей в литейном производстве используют выжигаемые
модели при изготовлении ответственных отливок массой до 3,5 тонн из чугуна, стали и
цветных сплавов в единичном производстве. Для изготовления выжигаемых моделей
используют пенополистирол, который в 50…100 раз легче древесины, легко режется горячей
проволокой и легко склеиванием можно получить полистироловые выжигаемые модели самой
сложной конфигурации. Этот метод отличается большой точностью и экономией металла из-за
отсутствия формовочных уклонов.
Министерство образования Российской Федерации
Уфимский Государственный Технический Университет
33
Контрольная работа по дисциплине:
«Машины и оборудование»
Тема: «Оборудование для литья под давлением»
Выполнила студентка 2 курса
гр. Э-220 Морозова А.С.
очно-заочного отделения
ФЭМФ
Проверил
преподаватель: Шарифьянов Ф.Ш.
Уфа-2004
Содержание
1. Введение…………………………………………………………...2
2. Сущность метода литья под давлением
и область его применения………………………………………..4
3. Оборудование и технология для литья под давлением………..5
4. Особенности формирования отливок………………………….10
5. Автоматизация литья под давлением………………………….11
6. Технико-экономическая оценка………………………………..12
7. Заключение……………………………………………………….13
8. Список литературы ……………………………………………..14
34
Введение
Литье под давлением применяют, в основном, при изготовление сложных тонкостенных
отливок с глубокими полостями, получение которых в металлических формах обычным способом
кокильного литья невозможно так как жидкий металл, соприкасаясь с формой, очень быстро
охлаждается и теряют свою жидкотекучесть, в результате чего плохо заполняются наиболее
глубокие и узкие полости. Металл может заполнить все полости такой формы только под
большим давлением (200-500 МПа), которое и создается прессующим поршнем машин для литья
под давлением. Литейная форма в этом случае должна выдерживать высокие давления. Поэтому все
элементы литейной формы (называемой пресс-формой), в том числе стержни, изготовляются из
металлов. Высокие давления в пресс-форме стремятся раскрыть ее, поэтому механизм закрытия
пресс-форм машины должен обеспечивать надежное удержание пресс-формы в замкнутом
состоянии, часто он построен на основе мощных рычажных самотормозящих систем. Вследствие
действия больших давлений и усилий все манипуляции с пресс-формой (открытие, закрытие,
выталкивание отливки, вставка и вытяжка стержней и др.) выполняются только машиной.
Литьем под давлением можно получать самые сложные, самые тон-костенные (до 1 мм)
отливки, с самыми мелкими (диаметром до 1 мм) длин- ными отверстиями, с готовой резьбой,
надписями, рельефом, накаткой, с са-мой чистой поверхностью (рядовая шероховатости Яс =
2,5), с самой вы-сокой точностью размеров (до 9-го квалитета), с самыми малыми припусками на обработку резанием (0,3—0,5 мм). Этот способ литья обла-дает самой высокой
производительностью, соперничая с листовой штам- повкой (самый высокопроизводительный
процесс машиностроительного про-изводства), если штамповка производится более чем за одну
операцию. Отливки отличаются также коррозионной стойкостью и герметичнос-тью. К
недостаткам этого способа относятся газовая пористость и усадоч-ные раковины в отливках,
однако разработаны методы их преодоления. Наличие в отливках пор со сжатыми в них газами
делают нежелательной их термическую обработку.
Литьем под давлением изготовляют отливки массой от нескольких граммов до 30 кг и
более: блоки цилиндров автомобильных двигателей: корпуса электродвигателей; корпуса
гидротрансформаторов, картеры блока двигателей автомобилей; корпуса фотоаппаратов,
карбюраторов, мясорубок, водопроводной арматуры, приборов, готовален, замков, швейных машин,
застежек "молния" и др.
35
Сущность метода литья под давлением и область его применения
Сущность состоит в том, что жидким металлом принудительно заполняют
металлическую пресс-форму под давлением, которое поддерживают до полной кристаллизации
отливки. Давление обеспечивает быстрое и хорошее заполнение формы, высокую точность и малую
шероховатость поверхности отливки. Принудительное питание отливки жидким металлов
исключает возможность образования усадочных раковин, пористости и не требует установки
прибылей. Ускоренная кристаллизация металла в металлической пресс-форме под давлением
обусловливает образование мелкозернистой структуры. Благодаря внешнему давлению
растворенные в металле газы остаются в твердом растворе, что снижает газовую пористость
металла. Отливки, полученные этим методом, как правило, не имеют припусков на
механическую обработку и после удаления из формы являются готовыми деталями. Литьем под
давлением можно получать отливки с толщиной стенки до 0,5 мм, сложной конфигурации и с
отверстиями диаметром до 1 мм.
Пресс-формы очень сложны, трудоемки и дороги. Поэтому литье под давлением
применяется в основном в массовом и крупносерийном производстве отливок
преимущественно из цветных (цинковых, алюминиевых, медных, магниевых) сплавов, которые
при заливке имеют температуру гораздо меньшую, чем у черных. Стойкость пресс-форм (в тысячах запрессовок) может достигать для цинковых сплавов 300— 500, для магниевых 80—100, для
алюминиевых 30—50 и для медных 5—20.
Оборудование и технология для литья под давлением
Литье под давлением — наиболее производительный способ из-товления относительно
небольших отливок из цветных сплавов с высокой точностью по размерам и чистотой поверхности.
Отливки получают в стальных пресс-формах. Расплавленный сплав заполняет пресс-форму
под давлением поршня до 300 МН/м2 (3000 кгс/см2), быстро затвердевает и образует отливку. Затем
пресс-форма раскрывается, готовая отливка удаляется толкателями.
Литье под давлением осуществляют на компрессорных и поршневых машинах высокой
производительности, дающих 200...400 отливок в час. Поршневые машины выпускают с горячей
или холодной камерой сжатия, расположенной горизонтально или вертикально. Машины с
горячей камерой сжатия, в которых камера находится непосредственно в расплаве, применяют для
получения отливок из сплавов с низкой температурой плавления на основе цинка, олова и свинца.
Машины с холодной камерой сжатия, в которых камера вынесена за пределы расплава, используют
для получения отливок из более тугоплавких цветных сплавов на основе алюминия и магния.
На поршневых машинах с вертикальной холодной камерой прессования (рис. 2, а)
расплав 4 заливают в камеру сжатия 5 (положение I). Верхний поршень 1, опускаясь, давит на
расплав и на нижний поршень 10, который при движении вниз открывает литниковый канал 3.
Металл заполняет полость 2 пресс-формы, состоящей из двух половин 6 и 7 (положение II). Объем
жидкого металла должен быть больше объема полости формы, чтобы между верхним и нижним
поршнем оставался избыток металла. Давление верхнего поршня поддерживают до полной
кристаллизации отливки, после чего пресс-форму раскрывают и отливку 9 вместе с литником
12 выталкивают из формы толкателями 8. Нижний поршень выталкивает наружу избыток металла
11 (положение III), и его отправляют в переплав.
Поршневые машины с холодной камерой прессования применяют для получения отливок из
латуней, алюминиевых, магниевых и других цветных сплавов, а также стальных отливок.
В отечественном литейном производстве все большее распространение получают машины с
горизонтальной камерой прессования. В этих машинах меньше охлаждение жидкого металла и его
гидравлическое сопротивление при заполнении формы. Машины имеют на 10—20% более
высокую производительность, проще в обслуживании.
36
Поршневые машины с холодной камерой прессования применяют для получения
отливок из латуней, алюминиевых, магниевых и других цветных сплавов, а также стальных
отливок.
В о т е ч е с т в е н н о м л и т е й н о м п р ои з в о д с т в е в с е б о ль ш е е распространение
получают машины с горизонтальной камерой прессования. В этих машинах меньше
охлаждение жидкого металла в его гидравлическое сопротивление при заполнении формы.
Машины имеют на 10—20% более высокую производительность, проще в обслуживании.
На (рис. 2, б) показана работа машины с горизонтальной холодной камерой прессования.
Все операции на ней выполняются в той же последовательности.
На (рис. 2, в) приведена схема работы поршневой машины с горячей камерой прессования.
Чугунный тигель 13 с жидким металлом все время подогревают снизу газом через форсунку 21.
Перед заливкой пресс-форму 19 закрывают, и мундштук 18 соединяется с каналом 17. При
верхнем
положении поршня 16 через отверстие 14 сплав заполняет камеру сжатия 15 и канал. При
движении вниз поршень впрессовывает жидкий металл в полость формы. После затвердевания
металла давление снимают, поршень движется вверх, форму раскрывают и отливку выталкивают
толкателями 20. Машины с горячей камерой сжатия более производительны и
расходуют меньше жидкого металла, однако их нельзя применять для литья сплавов с
температурой плавления более 500°С из-за быстрого изнашивания поршня.
37
рис. 2. Схемы поршневых машин для литья под давлением
Такие машины применяют для литья из свинцово-сурьмянистых, цинковых, магниевых и
алюминиевых сплавов с невысокой температурой плавления и мало агрессивных к материалам
тигля и камеры прессования. Благодаря малому охлаждению сплава при заполнении пресс-формы на
таких машинах можно производить очень мелкие детали — массой до нескольких граммов.
Предельная масса отливок составляет до 25—30 кг. Машины имеют очень высокую
производительность — до 3000 и более отливок в час при работе в автоматическом режиме.
В машинах с холодной камерой сжатия поршень контактирует с расплавом в течение
короткого промежутка времени и поэтому мало изнашивается. Здесь можно значительно повысить
давление, что гарантирует высокую плотность и прочность отливок. Если в машинах с горячей
камерой сжатия давление достигает 20 МПа, то в машинах с холодной камерой сжатия при литье
алюминиевых и медных сплавов давление может достигать 100... 300 МПа.
Компрессорные машины, работающие на сжатом воздухе, применяются очень редко.
Комплексы автоматизированные для литья под давлением А1107, А71118 и др. имеют
в своем составе базовую машину и оборудование с различной степенью механизации
разного количества околомашинных операций (от одной -двух до всех): дозатор для
заливки сплава пнев-матический, магнито-динамический, механический, иногда вместе
с печью; механизм или манип улятор для удаления отливки из маши -ны; устройство
для обдувки и смазывания пресс - формы; пресс для обрезки литника и облоя; устройство
для контроля параметров техноло-гического процесса; устройство для охлаждения
отливок; устройство смазывания камеры прессования; систему гермо -статирования прессформы.
Перечисленное выше околомашинное оборудование поставляет -ся и без машины,
в комплектах средств околомашинной механи- зации КОМ- 1,25, КОМ- 2,5, КОМ- 5,
А97, выпускаемых для механи-зации и автоматизации, действующих на заводах машин литья
под давлением. Поставляются не только полные комплекты, но и отдельные агрегаты из
них.
Особенности формирования отливок
При литье под давлением расплав заполняет пресс-форму с очень большой скоростью (за
доли секунды). При этом происходит быстрое закупоривание вентиляционных каналов прессформы, и из её полости не полностью удаляются воздух и газы, образующиеся от испарения и
сгорания смазки. В затвердевшей отливки появляется газовая пористость. В металлической прессформе расплав затвердевает очень быстро, что приводит к получению мелкокристаллического
строения. При этом тонкие по сечению литники затвердевают раньше отливки, её питание расплавом
прекращается до завершения усадки. Усадка проявляется в том, что увеличивается объём газовых
пор. Поэтому отливки имеют специфический дефект - газоусадочную пористость. Это приводит к
снижению плотности отливок, понижению пластичности. Отливки нельзя подвергать
38
термической обработке, так как при нагревании вследствие расширения газовых пор
поверхность металла может вспучиваться.
Для устранения газоусадочной пористости разработаны специальные мероприятия. К ним
относится, например, применение вакуумирования полости формы и самого расплава.
Автоматизация литья под давлением
П о с в о е й с ущ н о с т и ли т ь ё п о д д а в ле н и е м я в л я е т с я высокомеханизированным
процессом. Управление рабочими органами машины при прессовании, удалении отливки
осуществляют с пультов или при помощи рычажных механизмов. Вручную выполняют такие
операции, как заливка дозы сплава в камеру прессования, очистка поверхности пресс-формы от
тонких плёнок металла, смазка поверхности пресс-формы и камеры прессования.
Наиболее трудоёмкой и сложной из этих операций является заливка жидкого металла.
Автоматически работающие машины для литья под давлением имеют специальные заливочнодозирующие устройства. Очистку поверхности раскрытых пресс-форм проводят обдувкой сжатым
воздухом и перемещаемыми пневматическими устройствами металлическими щитками.
Смазка после очистки наносится распылением специальными устройствами, работающими в
автоматическом режиме.
Автоматизация машин и операций обрубки литников, очистки заусенцев позволяет
создавать в цехах автоматические линии с участками для литья под давлением.
Технико-экономическая оценка
Литьём под давлением изготавливают отливки от нескольких граммов до десятков
килограммов из алюминиевых, магниевых, медных и других цветных сплавов, реже из
тугоплавкой стали. Этот способ позволяет получать литые детали простой формы и сложные
фасонные тонкостенные отливки. Нередко такие детали отправляют на сборку без механической
обработки, лишь после зачистки заусенцев.
Машины для литья под давлением , работающие в автоматическом режиме, имеют очень
высокую производительность - до 3000 и более отливок в час.
К недостаткам способа относятся ограниченная масса отливаемых деталей - примерно до
50 кг, высокая стоимость и сложность изготовления пресс-форм, трудность получения отливок со
сложными полостями. Отливки имеют газоусадочную пористость и их нельзя подвергать
термической обработке. При получении отливок из тугоплавкой стали, пресс-формы имеют
небольшую долговечность.
Наиболее экономически выгодным является литьё под давлением в массовом производстве
сложных фасонных тонкостенных отливок из цветных сплавов — деталей приборов, автомобилей,
тракторов, самолётов.
Литьё под низким давлением (до 1 ат) применяют для получения тонкостенных
крупногабаритных отливок (рис. 3). Расплавленный сплав в электротигле, поступает в форму с
песчаным стержнем под давлением инертного газа на зеркало металла. При извлечении
затвердевшей отливки давление газа снимают.
Литье в металлические формы (кокили)
Металлические формы — кокили являются литейными формами
использования. Их изготавливают из стали, чугуна и алюминиевых сплавов.
многократного
По конструкции металлические формы бывают неразъемные и разъемные. Вытряхные
кокили применяют для отливок, конструкция которых обеспечивает свободное удаление их из
формы вместе с литниковой системой при повороте формы на 180°. Разъемные кокили делают
створчатыми (рис. 1, б), с горизонтальной плоскостью разъема (рис. 1, в) и с вертикальной
плоскостью разъема (рис. 1, д, е) и более сложных конструкций.
Внутренняя полость кокиля (рабочая поверхность) оформляет наружную конфигурацию
отливки. Отверстия, пазы и полости в отливке выполняются при помощи стержней — обычных
песчаных или металлических. При этом конструкция металлических стержней должна обеспечивать
их свободное извлечение из формы после затвердевания отливки. Для того чтобы можно было
извлечь сложный металлический стержень 3 (рис. 1, е), его делают составным — из трех частей.
39
Металлическая форма не обладает газопроницаемостью, поэтому конструкция формы
должна обеспечивать удаление воздуха и газов при ее заливке. В форме наряду с выпорами
предусматривают вентиляционные пробки (венты) и тонкие риски по плоскости разъема.
Металлическая форма неподатлива и оказывает сопротивление усадке отливки при
затвердевании. Это затрудняет извлечение отливки из формы. Поэтому в кокилях часто
предусматривают толкатели (рис.1, е).
Перед заливкой в кокиль металла рабочую поверхность кокиля окрашивают тонким слоем
огнеупорной краски. Краска защищает поверхность кокиля от непосредственного контакта с
жидким металлом и тем самым уменьшает износ формы. Кроме того, толщиной слоя краски можно
регулировать интенсивность охлаждения отливки, так как краска менее теплопроводна, чем
металлический кокиль. Окраску производят несколько раз в смену.
Полости литниковой системы, прибылей, выпоров облицовывают теплоизоляционным
материалом (например, асбестом) и окрашивают более толстым слоем краски. Металл в этих
каналах будет затвердевать в последнюю очередь.
Перед началом работы кокили подогревают до температуры 200—300 °С. Если перед
заливкой металла форма будет холодной, то из-за большой теплопроводности формы металл
потеряет жндкотекучесть раньше, чем заполнит форму. К тому же при заливке в неподогретый
кокиль его поверхность при контакте с жидким металлом испытывает «термоудар», что увеличивает
износ формы.
Стойкость металлической формы зависит от ее материала, температуры заливаемого сплава и
массы отливки. Наименьшую стойкость имеют кокили при заливке стали 10—50 шт. при
производстве крупных отливок и 400—600 шт. — мелких. При литье алюминиевых, магниевых и
цинковых сплавов в кокиле можно получить от нескольких тысяч до сотен тысяч отливок.
40
Кокильный станок
Металлические формы устанавливают на кокильных станках или механизированных
кокильных машинах, которые имеют механический, пневматический или гидравлический приводы.
Привод осуществляет закрывание, раскрывание, кантование кокиля, извлечение металлических
стержней и выталкивание отливки.
На рис. 1 показан общий вид кокильной машины конструкции МВТУ им. Баумана. На раме /
установлены две стойки 2 с пневмоцилиндрами 3 и 12. Неподвижная полуформа 10 прикреплена к
плите стойки, а подвижная полуформа 8 смонтирована на стойке тележки 14, которая штоком 4
передвигается по швеллерам-рельсам 15. Металлическая форма запирается пневморычажным
механизмом 6. Отрыв кокиля и металлических стержней от отливки осуществляется усилителями 5
и 13. Выталкиватели устанавливают на плите //, а стержни — на плитах 7 и 9.
41
При крупносерийном и массовом выпуске отливок кокильные машины монтируют на карусельные
установки или конвейеры.
Литье в металлические формы имеет следующие особенности. Скорость охлаждения отливки
в кокиле в несколько раз выше, чем при литье в разовые формы. Поэтому отливки получаются более
плотные, с мелкозернистой структурой, что повышает механические свойства сплавов. Однако при
литье чугунных отливок высокая скорость охлаждения приводит к отбелу поверхностного слоя
отливки, для устранения которого необходима термическая обработка.
Повышенную интенсивность охлаждения металла в форме нужно учитывать при
конструировании отливки и выборе сплавов (сплавы должны обладать хорошими литейными
свойствами).
Точность размеров и чистота поверхности отливок при литье в кокиль выше, чем при литье в
песчаные формы. Это позволяет в 2—3 раза снизить припуск на механическую обработку.
Литье в кокиль является производительным процессом, трудоемкость изготовления отливок в
кокилях меньше, чем при литье в песчаные формы, условия труда лучше. Однако из-за высокой
стоимости изготовления металлической формы литье в кокиль экономически целесообразно только
в серийном и массовом производствах.
Разновидностью литья в кокиль является способ изготовления отливки в облицованных
металлических формах. Внутренняя поверхность кокиля облицовывается тонкостенной оболочкой
(3—5 мм) из песчано-смоляной смеси. Форма приобретает податливость и газопроницаемость.
Кроме того, оболочка уменьшает отвод тепла от залитого металла, что позволяет получить чугунные
отливки без отбела. Стойкость таких кокилей при заливке чугуна и стали значительно
увеличивается.
§ 4.5. Центробежное литье
Литейной формой являются обычно металлические формы, изготовленные из стали или
чугуна. При центробежном литье металл заливают во вращающуюся форму, установленную на
центробежной машине. В некоторых случаях форма приводится во вращение после заливки.
Вращение формы осуществляется вокруг горизонтальной или вертикальной оси.
Машины с горизонтальной осью вращения применяют для отливки чугунных и стальных
труб, втулок и других отливок тел вращения.
42
Жидкий металл из ковша 1 (рис. 4.6, а) по желобу 4 заполняет вращающуюся форму 2. После
затвердевания сплава 3 и остановки машины отливку клещами извлекают из формы. На машинах
литья труб большой длины предусмотрено постепенное выдвижение желоба из формы или отход
формы от желоба с целью ее равномерного заполнения.
На машинах с вертикальной осью вращения металл из ковша 1 (рис. 4.6, б) заливают во
вращающуюся форму 2. Под действием центробежных сил металл 3 прижимается к боковым
стенкам формы. После затвердевания отливки вращение формы прекращают и отливку извлекают.
В отливке наблюдается небольшая разностен-ность (внизу стенка отливки толще, чем сверху). Этот
способ применяют для изготовления отливок небольшой высоты — втулок, колец, зубчатых колес,
фланцев и т. п.
Металлические формы при центробежном литье, так же, как и при кокильном,
предварительно подогревают и на поверхность наносят защитные покрытия. Для форм,
вращающихся горизонтально, можно применять сыпучие покрытия, которые вводят в форму перед
заливкой. Под действием центробежных сил порошок покрытия равномерно распределяется по
всей цилиндрической поверхности формы.
При центробежном литье возможно применение облицованных форм — песчаных,
керамических или собранных из стержней. В таких формах можно получать отливки тел вращения
со сложной наружной конфигурацией (рис. 4.6, в). Для изготовления мелких фасонных отливок
металл заливают в многоместную форму, установленную на вращающейся платформе (рис. 4.6, г).
Способ центробежного литья имеет следующие особенности. Металл заливается и
кристаллизуется в форме под действием центробежных сил. Центробежные силы создают
благоприятные условия для направленного затвердевания отливки (от стенок к свободной
поверхности) и непрерывного питания затвердевающего слоя жидким металлом.
Отливки получаются плотными, без пористости и усадочных пустот. Неметаллические
включения, имеющие меньшую плотность, чем металл, скапливаются на внутренней свободной
поверхности. Поэтому на внутренней поверхности предусматриваются повышенные припуски на
43
механическую обработку.
При центробежном литье полых изделий (труб, гильз, втулок и т. д.) отсутствуют стержни и
литниковая система. Хорошее заполнение формы обеспечивается даже для сплавов с пониженной
жидкотекучестью.
Недостатком данного способа является сильная ликвация. Например, при заливке свинцовой
бронзы, склонной к ликвации, свинец центробежными силами отбрасывается к стенкам формы, а
медь, как более легкая, вытесняется к свободной поверхности. С увеличением скорости вращения
формы ликвация усиливается.
Центробежным способом чаще всего получают отливки чугуна, стали и цветных металлов,
имеющие форму тел вращения, и реже фасонные. Например, из серого чугуна отливают
водопроводные трубы длиной от 2 до 5 м, диаметром от 50 до 1000 мм и толщиной стенок от 7,5 до
30 мм.
Заключение
Значение литейного производства очень велико: нет ни одной отрасли машиностроения и
приборостроения, в которой не применяли бы литые детали. В машиностроении масса литых
деталей составляет ~ 50% массы машин, в станкостроении ~ 80%, в тракторостроении ~ 60%.
Такое широкое применение литых деталей объясняется рядом преимуществ литейного
производства по сравнению с другими. Литьём получают и простые, и очень сложные детали.
Методами литья под давлением, по выплавляемым моделям и другими специальными способами
литья можно получить отливки высокой точности, с минимальными допусками по размерам и
высокой чистотой поверхности. Это обеспечивает экономию металла, снижает стоимость детали и
трудоёмкость её изготовления.
Литье под давлением осуществляют на компрессорных и поршневых машинах. Машины
литья под давлением работают в автоматическом режиме и имеют высокую производительность.
Наиболее экономичным является литьё под давлением в массовом производстве сложных
фасонных тонкостенных отливок из цветных сплавов. Литьё под низким давлением применяют для
получения тонкостенных крупногабаритных отливок. В этом способе жидкий металл из тигля под
давлением заполняет литейную форму. Чаще всего используют давление инертного газа.
Итак, литьё под давлением является наиболее производительным методом изготовления
относительно небольших отливок из цветных сплавов с точными размерами и чистой
поверхностью.
Список литературы:
1. Технология металлов. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третъяков А.В. М.: «Металлургия»,
1978. - 904 с.
2. Машины
и
оборудование
машиностроительных
предприятий.
Ансеров Ю.М., Салтыков В.А., Семин В.Г. Л.: «Политехника», 1991. -365 с.
3.
Богомолова Н. А., Гордиенко Л. К. Металлография и общая технология металлов: Учеб.
пособие для техн. училищ. - М.: Высш. шк., 1983.
4.
Арсентьев П. П., Яковлев В. В., Зиновьев А. В., Арсентьева И. П. Общая металлургия: Учебн.
для техн. - М.: Металлургия, 1986.
5.
Богоявленский К. Н., Жолобов В. В., Ландихов А. Д. Обработка цветных металлов и
сплавов давлением. - М.: Металлургия, 1973.
6.
Суворов П. К. Обработка металлов давлением. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа,
1980.
44