2. Основы литейного производства

2.1. Сущность литейного производства

Литейное производство — отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость ко­торой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет кон­фигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продук­цию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок.

Достоинства литейной технологии: 1) универсальность, позволяющая получать отливки сложной конфигурации из большой номенклатуры спла­вов, широкого диапазона размеров и массы (от нескольких граммов до сотен тонн); 2) экономичность процесса в серийном производстве.

Недостатки процесса литья: 1) пониженные пластичность и прочность литой заготовки по сравнению с деталями, полученными методом штамповки; 2) необходимость проведения сложных и дорогостоящих операций по обеспече­нию техники безопасности и экологической защиты окружающей среды.

В машиностроении масса литых деталей составляет около 50% массы ма­шин и механизмов, в станкостроении — около 80%. Методом литья получают до 82% изделий из чугуна, до 23% — из стали, 3…6% — из цветных металлов.

Для изготовления отливок применяют различные способы литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавля­емым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и др. Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообраз­ностью и другими факторами.

2.2. Литье в песчаные формы

Литейная форма представляет собой конструкцию, состоящую из эле­ментов, образующих рабочую полость, заполнение которой расплавом обес­печивает получение отливки заданных размеров и конфигурации.

Песчаные формы являются разовыми. Разовые литейные фор­мы получают с помощью специальных приспособлений — моделей. Процесс изготовления литейных форм из формовочных смесей называют формовкой.

Формовочные смеси классифицируют: по назначению (для отливок из чугуна, стали и цветных сплавов), по составу (песчано-глинистые, содержащие быстротвердеющие крепители, специальные), по применению при формовке (единые, облицовочные, на­полнительные), по состоянию форм перед заливкой в них сплава (сырые, сухие, подсушиваемые и химически твердеющие).

Песчано-глинистые смеси. Основным компонентом формовочных и стержневых смесей является кварцевый или цирконовый песок. Вторым основным компонентом смеси (до 16%) является глина. Широко применяют бентонитовые и каолиновые глины, которые обладают высокой связующей способностью и обеспечивают тем самым прочность и податливость форм. В формовочные и стержневые смеси вводят также в не­больших количествах дополнительные связующие (1,5…3%); их подразде­ляют на органические и неорганические, растворимые и нерастворимые в воде (сульфитно-спиртовая барда, битум, канифоль, цемент, жидкое стекло, термореактивные смолы и др.).

Стержневые смеси. К стержневым смесям предъявляют более жесткие требования по огнеупорности, поверхностной твердости, податливости, низкой гигроскопичности, высокой газопроницаемо­сти, лучшей выбиваемости, чем к формовочным смесям. Среди стержневых смесей, не требующих тепловой обработки, наиболее распространены песчано-жидкостекольные смеси, а также холодно­твердеющие смеси на синтетических смолах, в которых в качестве свя­зующего используют карбамидные, фенолофурановые и другие смолы. Среди стержневых смесей, отверждаемых тепловой обработкой, можно выделить песчано-масляные (связующее — раствор растительных масел и канифоли в уайт-спирте), песчано-глинистые и песчано-смоляные (связующее — синтетические смолы КФ-90, ОФ-1, пульвербакелит и др.).

Литейная форма должна обладать прочностью (выдерживать силовые нагрузки), газопроницаемостью (пропускать газы, образующиеся в литейной форме), податливостью (уменьшаться в объеме при усадке отливки), огне­упорностью (не оплавляться под действием тепла жидкого металла) и др.

Комплект приспособлений, используемых для изготовления отливок, называют литейной оснасткой. Часть оснастки, включающая все приспо­собления, необходимые для образования рабочей полости литейной формы при ее формовке, называется модельным комплектом. В комплект входят модели отливки и элементов литниковой системы, модельные и сушильные плиты, стержневые ящики, формующие, контрольные и сборочные шаблоны для конкретной отливки.

Модель — это часть модельного комплекта, предназна­ченная для образования отпечатка в литейной форме, соответствующего наружной конфигурации и разме­рам отливки. При этом размеры модели увеличивают по сравнению с соответствующими размерами отливки с учетом линейной усадки сплава (0,8…2%) и припусков на механическую обработку. Модели изготавливают из древесины, ме­таллических и специальных модельных сплавов, а также из пластмасс. Различают модели разовые и много­кратные. Деревянные модели отличаются простотой изготовления, относи­тельно малой массой и невысокой стоимостью. Однако они недолговечны.

По сравнению с деталью модель имеет выступающие части, так назы­ваемые стержневые знаки (рис. 2.1), с помощью которых получают полость в форме для установки стержня. Стержень, являясь эле­ментом литейной формы, служит для образования отверстия, полости или иного сложного контура в отливке.

Рис. 2.1. а – отливка втулки, б – модель отливки:

1 – нижняя полумодель, 2 – верхняя полумодель,

3 и 4 – стержневые знаки

Для удержания формовочной смеси при изготовлении ли­тейной формы, а также при транс­портировке последней и ее заливке жидким металлом используют опоки, представляющие собой сварные, ли­тые или сборные жесткие металличе­ские рамы различной конфигурации.

Систему каналов, подводящих металл в форму, называют лит­никовой. Она состоит (рис. 2.2) из литниковой чаши или воронки 1, стояка 2, горизонтального канала или шлакоуловителя 4 и питате­лей 3. Литниковая чаша служит для приема металла из ковша и задерживает шлак. Стояк представляет собой вертикальный канал, по которому металл из чаши посту­пает в шлакоуловитель, расположен­ный в верхней полуформе в плоско­сти разъема формы.

Рис. 2.2. Элементы литнико­вой системы

Шлакоуловитель, находящийся обычно в верхней половине формы, задерживает шлак и неметалличе­ские включения, попавшие в стояк. Из шлакоуловителя, имеющего в поперечном сечении форму трапе­ции, металл поступает в питатели.

Питатели, расположенные в нижней полуформе и имеющие так­же трапецеидальное сечение, слу­жат для подвода металла непосред­ственно к отливке 5. Выпор 6 пред­назначен для вывода воздуха, газов и шлака из формы.

В зависимости от размера отливок и характера их производства применяют следующие способы изготовления разовых литейных форм:

1) ручная формовка в опоках для мелких, средних и иногда для крупных отливок в литейных цехах с низкой степенью механизации при индивидуальном и мелкосерийном производстве;

2) ручная формовка в почве (открытая и закрытая) преимуще­ственно для крупных отливок при индивидуальном их производ­стве;

3) машинная формовка для мелких и средних отливок в совре­менных механизированных литейных цехах.

Машинную формовку применяют для производства отливок в массовом и серийном производствах. При формовке на машинах формы изготовляют в парных опоках с использованием односторон­них металлических модельных плит. Машинная фор­мовка механизирует установку опок на машину, засыпку формовоч­ной смеси в опоку, уплотнение смеси, удаление моделей из формы, транспортирование и сборку форм. Машинная формовка обеспечи­вает высокую геометрическую точность полости формы по сравнению с ручной формовкой, повышает производительность труда, исклю­чает трудоемкие ручные операции, сокращает цикл изготовления отливок. При машинной формовке формовочную смесь уплотняют прессованием, встряхиванием, пескометом, вакуумной формовкой и др.

Важное значение при заливке форм имеет выбор температуры заливки расплавленного металла. При повышенной температуре заливки возрастает жидкотекучесть металла, улучшается питание от­ливок, но горячий металл более газонасыщен, сильнее окисляется, вызывает пригар на поверхности отливки. В то время как низкая температура заливки увеличивает опасность незаполнения полости формы, захвата воздуха, ухудшается питание отливки. Температуру заливки сплавов целесообразно назначать на 100…150 °С выше тем­пературы ликвидуса.

Охлаждение отливок в литейных формах после заливки продол­жается до температуры выбивки. Небольшие тонкостенные отливки охлаждаются в форме несколько минут, а толстостенные (массой 50…60 т) — в течение нескольких суток и даже недель. Для сокра­щения продолжительности охлаждения отливок, особенно массивных, используют различные методы принудительного охлаждения.

Выбивка отливок — процесс удаления затвердевших и охлаж­денных до определенной температуры отливок из литейной формы, при этом литейная форма разрушается. Выбивку отливок осущест­вляют на различных выбивных установках.

Обрубка отливок — процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов (облоев) по месту сопряжения полу­форм. Обрубку производят пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, газовой резкой и на прессах. После обрубки отливки зачищают, удаляя мелкие за­ливы, остатки прибылей, выпоров и литников. Зачистку выполняют маятниковыми и стационарными шлифовальными кругами, пневмати­ческими зубилами, газо-плазменной обработкой и другими способами.

Очистка отливок — процесс удаления пригара, остатков формовоч­ной и стержневой смеси с наружных и внутренних поверхностей отли­вок. Ее осуществляют в галтовочных барабанах периодического или не­прерывного действия, в гидропескоструйных и дробеметных камерах, химической или электрохимической обработкой и другими способами.