§ 2. Литье металлов

Среди деталей машин большую группу составляют такие детали, как картеры, станины, крышки, опоры, плиты, рычаги, фа­сонные валы (кулачковые и коленчатые), маховики, шкивы и т. д. Все эти детали или обладают сложной конфигурацией, или гро­моздки, или имеют свободные размеры по большинству поверх­ностей. Как правило, наиболее простым и дешевым способом получения заготовок для этих деталей является литье. Кроме того, многие широко используемые в машиностроении металлы и спла­вы являются хрупкими (чугун, бронза, некоторые алюминиевые сплавы), поэтому одним из лучших способов получения загото­вок из этих сплавов является литье. Характерно, что указанные сплавы обладают высокой жидкотекучестью в расплавленном состоянии и хорошо заполняют даже сложную литейную форму.

Современное литейное производство служит не только для получения заготовок, но и может применяться для точного изго­товления деталей машин без последующей механической обработки (литье под давлением, по выплавляемым моделям, в кор­ковые формы).

Для получения отливки необходимо подо­брать соответствующий металл и расплавить его, затем подготовить литейную форму и за­лить туда расплавленный металл, дать ему остыть и выбить из формы отливку, очистить ее от окалины и удалить наплывы металла. Полученную таким образом отливку направляют в другие цехи для дальнейшей обработки, если она требуется.

Наиболее распространенный литейный сплав — чугун. Литые детали из серого чугуна составляют в машинах от 40 до 80% их веса. На многих машиностроительных заводах литейные цехи являются главным образом чугунолитейными.

Расплавление чугуна производится в вагранках. Вагран­ка — это металлургическая печь шахтного типа цилиндрической формы высотой до 5 м и диаметром до 3 м.

Кожух вагранки изготовлен из листовой стали и изнутри вы­ложен огнеупорным кирпичом. Кожух установлен на массивной чугунной подовой плите, закрепленной на колоннах, опирающих­ся на фундамент.

В эту печь сверху загружается шихта: топливо (кокс), чугун в слитках, металлический лом и флюсы (известняк). В вагранку специальным вентилятором нагнетается воздух, необходимый для горения кокса. По мере перемещения топлива, металла и флюса от верхней части вагранки (завалочного окна) к нижней проис­ходит расплавление металлической части шихты и разложение известняка. Ряд химических реакций заканчивается накоплением в нижней части вагранки (горне) жидкого чугуна и шлака.

Шлак, в котором содержатся продукты горения и вредные для металла элементы, удаляется из вагранки через специальное от­верстие — шлаковую летку; чугун же через чугунную летку вы­пускается в разливочный ковш или копильник, откуда поступает на разливку.

Расплавление цветных металлов производится в специальных плавильных пламенных и электрических печах.

Сталь также используется в литейном производстве для по­лучения отливок. Расплавление стали производится в мартеновских, бессемеровских и электрических пе­чах. При литье стали поддерживается высокая температура расплавленного металла (до 1700°С), чтобы сохранить его жидкотекучесть и обеспечить качественное заполнение формы.

Основная трудность в получении стальной отливки состоит в том, что при ее остывании часто образуются так называемые усадочные раковины (пустоты). Для борьбы с усадочными рако­винами в форму заливают металла больше, чем требуется для отливки. Для избытка металла в форме имеется специальное ме­сто. Этот избыток металла (прибыль) питает отливку во все время ее остывания и препятствует появлению усадочных ра­ковин.

Во всех случаях расплавления металлов и сплавов для полу­чения качественных отливок ведется тщательное наблюдение за их температурой и химическим составом. Многие процессы, со­провождающие плавку, механизированы и автоматизированы, что позволяет осуществлять ее очень точно и качественно.

Литье в разовую форму. Литейная форма — это по­лость, имеющая очертания, соответствующие внешней поверхно­сти отливки. Эта полость может быть образована различными жаропрочными материалами (песок с глиной, графит, асбест, ме­талл и пр.).

Песок с глиной — «формовочная земля» — используется для приготовления разовых форм. Такие формы после заливки их металлом разрушаются при извлечении отливки. Процесс литья с использованием разовой формы показан на рисунке 133. На подмодельную плиту 1 устанавливается модель 2, которая яв­ляется копией одной половины изготовляемой детали. Модель от­личается от детали как размерами (она несколько больше), так и дополнительными выступами 4 («знаками»), требуемыми для установки стержня, образующего отверстие в отливке.

На подмодельную плиту устанавливается опока 3, т. е. метал­лический ящик без дна, назначение которого не дать форме раз­валиться. Модель присыпается облицовочной смесью (мелко ис­толченные песок с глиной) слоем в 20—30 мм, и затем вся опока заполняется формовочной смесью, которая уплотняется в опоке. Так образуется одна половина формы (рис. 133, б). Вторая половина формы изготовляется тем же путем (рис. 133, г). После того как опоки набиты формовочной смесью, из них из­влекают половинки модели и соединяют, предварительно уста­новив в углубления, образованные знаками 4, стержень 7. Стер­жень необходим для получения пустотелой отливки (с по­лостью).

Рис. 133. Процесс получения отливки в разовой форме

а, б, в, г — стадии формовки в двух опоках по разъёмной модели; д — заливка металла;

1 — подмодельная плита; 2 — модель;

3 — опока ; 4 — знаки ; 5 — литник ;

6 — металл, залитый в форме; 7 — стержень.

В образованную между стенками формы и стержня полость через специальный канал в форме — литник 5 — заливают жидкий металл. После остывания отливки ее выбивают из формы и очищают от окалины и стержневой смеси.

Этот процесс получения отливок несложен и не требует до­рогого оборудования. Его механизация производится путем ис­пользования для уплотнения формовочной смеси специальных встряхивающих машин, машин для выемки моделей из форм, вы­бивки отливок из форм на особых вибрационных решетках и очи­стки отливок при помощи пескоструйных, дробеструйных и дробеметных установок.

Изготовление отливок в разовых формах осуществляется как в единичном производстве, так и в массовом. Однако для массо­вого производства характерно применение литья в постоянные разъемные формы, которые изготовляются из металла и дают возможность получить сотни и тысячи отливок в одной и той же форме. При литье в металлическую форму (кокиль) получается более чистая поверхность отливок, а производительность труда увеличивается в несколько раз.

Получение кокильного литья состоит из следующих операций: подготовки кокиля, заливки металла, разъема кокиля и извлече­ния отливки.

Подготовка кокиля заключается в нанесении на его поверхность специального защитного покрытия, которое предотвращает разрушение формы и улучшает качество отливки.

Заливку металла производят через воронку в форме. Из воронки металл по специальным каналам - питателям попадает в полость формы. Воздух же и газы выходят из формы через специальные каналы — выпоры.

Для извлечения чугунной или стальной отливки в кокиле имеются специальные выталкиватели.

Разновидностью литья в металлические формы является литье центробежное и под давлением.

При центробежном литье (рис. 134) металл заливают в быстровращающуюся форму. Центробежными силами металл при­жимается к стенкам формы и хорошо уплотняется. Остывая, он образует отливку. Центробежное литье применяется для изготовления труб или других отливок, имеющих ось симмет­рии. На рисунке 134, б показан принцип работы машины для центробежного литья труб. Форма 1 приводится во вращение, а через лоток 2, который перемещается вдоль оси формы, по­дается жидкий металл.

Рис. 134. Схема центробежного литья:

а, б, в — симметричных деталей; г — деталей «в стопке»;

1 — форма; 2 — лоток; 3 — ковш.

Центробежным литьем получают очень точные и чистые от­ливки из черных и цветных металлов — как мелкие, так и крупные: маховики, шестерни, диски, барабаны и т. п.

При литье под давлением (рис. 135), как и при обычном спо­собе литья, форма неподвижна. Металл в форму подается при по­мощи специальной поршневой (рис. 135, а) или пневматической (рис. 135, б) литейной машины под большим давлением. Запол­няя форму, металл уплотняется, что обеспечивает высокое качество отливки. Так, точность размера отливок при литье под давлением (допуск) составляет 0,1—0,01 мм. Литье под давлением используется преимущественно для цветных металлов и сплавов, обладающих невысокой, температурой плавления и хорошей жидкотекучестью.

Рис. 135. Схема литья под давлением:

а — на поршневой машине; б — на пневматической машине;

1 — ванна для жидкого металла; 2 — подводящий канал; 3 — поршень; 4 — пробка заливного отверстия;

5 — труба подвода сжатого воздуха; 6 — форма.

Во всех случаях литья в металлические формы их предвари­тельно подогревают до температуры 200—300° С, а их полости смазывают особыми составами. Это способствует лучшему запол­нению формат металлом, Отливку из цветного сплава из металлической формы выбивать не нужно благодаря тому, что коэффи­циент линейного расширения формы и сплава не одинаков. Раз­меры отливки уменьшаются в большей степени, и она сама выпа­дает из формы.

К другим методам точного литья, обеспечивающим получение отливок с точностью ± 0,05 мм на 25 мм размера отливки при чистоте ее поверхности в пределах 4—6-го классов, относится литье по выплавляемым моделям и литье в оболочковые (скорлупчатые) формы (оболочки).

Литье по выплавляемым моделям — это такой способ полу­чения отливок, при котором модель изготовляется не из дерева или металла, а из легкоплавкого материала, например из смеси парафина со стеарином. Такая модель может быть выполнена очень точно путем заливки под давлением модельного состава в металлическую пресс-форму. Модель покрывают тонким огне­упорным облицовочным слоем специальной краски с последую­щей присыпкой тонким порошком кварца и помещают в печь, где форма подвергается сушке при температуре до 200° С, а затем прокаливанию при температуре до 900° С.

Во время сушки и прокаливания модельный состав вытекает из формы, а последняя приобретает большую прочность. Металл заливается в полученную таким образом форму. После его за­твердевания отливка легко освобождается от корки.

Литье по выплавляемым моделям применяется для изготовления из стали очень прочных сплавов некрупных деталей, а так­же деталей сложной конфигурации (например, лопаток турбин, коромысел клапанов и др.).

Литье в оболочковые формы во многом напоминает литье по выплавляемым моделям. Различие состоит лишь в том, что обо­лочка (форма) получается путем формовки нагретой до 200° С металлической модели в песчано-бакелитовой смеси. Бакелит расплавляется, в результате чего вокруг модели образуется обо­лочка толщиной 7—10 мм. Модель с оболочкой просушивается в печи при температуре до 300° С. Оболочка затвердевает, после чего ее снимают с модели. Так получают две половинки формы. Их соединяют и в образованную полость заливают жидкий ме­талл. Получается точная и чистая отливка, часто не требующая і механической обработки. Литье в оболочковые формы приме­няется для тех же сплавов и отливок, что и литье по выплавляемым моделям.

В процессе литья большинство отливок не­обходимо получать с отверстиями и полостями, что позволяет значительно экономить матери­ал и труд на последующих стадиях производства. Для того чтобы получить в отливке отверстие или полость, в форму устанавливают дополнительную деталь - стержень.

Стержни изготовляют отдельно от форм из специальных ог­неупорных прочных материалов, так как в форме стержень оказывается со всех сторон окруженным расплавленным метал­лом, действующим на него разрушающе.

На рисунке 136 показана раскрытая земляная форма 1 с уста­новленным в ней стержнем 2. Модель 3 для формовки детали — штуцера, имеющего полость, не является точной копией будущей отливки. С двух сторон на модели выступают стержневые знаки, которые образуют в форме углубления для установки стержня.

Модель, как это видно из рисунка, состоит из двух половин, одна из которых образует форму в верхней опоке, а вторая — в нижней.

Без стержней получают полые отливки при центробежном литье и некоторыми другими способами.

При всех достоинствах литейного производства как способа получения заготовок деталей машин оно обладает и рядом серь­езных недостатков. Это главным образом большая трудоемкость процесса, трудность получения отливок, однородных по своим свойствам и качеству, большие отходы металла при последую­щей обработке в связи с малой точностью процесса; кроме того, многие металлы имеют плохие литейные свойства (в первую оче­редь сталь).

Рис. 136. Получение отливки с отверстием:

1 — форма; 2 — стержень; 3 — модель; 4 — отливка.

Все сказанное является причиной того, что для стальных де талей несложной формы и не имеющих полостей заготовки полу чают не литьем, а давлением, т. е. путем пластической деформации металла.