Технология конструкционных материалов

12.2. Процесс изготовления отливокв разовыхпесчаных формах

Основой для разработки технологического процесса изготовления от­ ливки (лигой заготовки) служит чертеж детали. Технолог-конструкгор выбирает разъем модели и формы исходя из конструктивных особен­ ностейдетали, затем определяет припуски на механическую обработку, учитывая специфику существующего на заводе технологического про­ цесса производства отливок, после чего определяет литейные уклоны

ирассчитывает литниковую систему. Таким образом получают чертеж отливки, который служит основой для разработки чертежей модели

истержневых ящиков, по которым изготавливается так называемый модельный комплект (рис. 12.1). Для изготовления формы и стержня кроме модельногокомплекта нужна формовочная и стержневая смеси. Их изготавливают из соответствующих компонентов в смесителях.

гП— н

" Щ77777Г<-

Xwf*

Рис. 12.1. Модельный комплект:

а — эскиз детали; б — модель; в —стержневой ящик; г — отливка

Общая схема последовательности операций по изготовлению от­ ливки показана на рис. 12.2. На модельную плиту устанавливают мо­ дель и опоку, после чего слоями засыпают и уплотняют формовочную смесь. После завершения набивки опоку поворачивают, извлекают из нее модельи получают полуформу. Таким же образом изготавливаюти вторую половинку формы. Стержневой ящик используют для получе­ ния стержня, образующего внутреннюю полость отливки. Как прави­ ло, после извлечения из стержневого ящика стержни подвергают суш­ ке, а формы подаются на сборку сырыми. На следующем этапе форму собирают, для чего в нижнюю полуформу устанавливают стержень и закрывают верхней полуформой. Затем в зазор между стержнем и формой через литниковую систему заливают расплавленный металл,

который плавят одновременно с изготовлением формы. Залитая форма выдерживается некоторое время, чтобы дать возможность металлу за­ кристаллизоваться и охладитьсядо заданной температуры, после чего происходит выбивка отливки из формы. Затем из отливки выбивают стержень, обрубают литники и очищают отливки от пригоревшего к поверхности песка.

Теперь рассмотрим каждый из этих этапов более подробно.

а

С

Рис. 12.2. Последовательность операций изготовления отливки:

а — изготовление модельного комплекта; 6—приготовление смесей; в — из­ готовление формы; г — изготовление стержня; д — сборка и заливка формы; е — выплавкасплава; ж— выбивкаформы; з — удалениестержня; и — обрубка литников; к — очистка

12.3. Формовочныеи стержневыесмесии их приготовление

Для изготовления форм и стержней используют специально приго­ товленные из формовочных материалов смеси. Основными исход­ ными материалами являются песок и глина, но кроме них использу­ ют связующие вещества и добавки. Кроме исходных материалов для приготовления формовочных смесей широко используют оборот­ ные (бывшие в употреблении) смеси.

Качество отливок непосредственно связано со свойствами смесей. Существуетбольшое количество различных критериев оценки качества

смесей, но основными считают прочность, газопроницаемость, противопригарность, пластичность и податливость.

Различают два способа оценки прочности смесей: на сжатие — для сырых форм и на растяжение — для сухих форм и стержней. В обоих случаях по оговоренной стандартом технологии приготавливают об­ разцы и испытывают их на лабораторных установках. Предел прочно­ сти на сжатие составляет 1...10 Па для сырых смесей и после сушки повышается на порядок, что связано с упрочнением пленки связую­ щих веществ, обволакивающих песчинки. Прочность смесей зависит от содержания влаги, количества и типа связующего вещества, степе­ ни уплотнения и, в меньшей степени, от зерновой структуры песка, качества перемешивания и т. д. При низкой прочности смесей формы и стержни не выдерживают динамического удара струи заливаемого в форму металла или статического давления столба расплавленного металла, в результате чего происходит их разрушение, что в итоге приводит к появлению брака в отливках.

Газопроницаемость характеризует способность смеси пропускать через толщу формы или стержня образующиеся в них газы. При низ­ кой газопроницаемости газы, образующиеся при испарении влаги или в результате выгорания связующих материалов, поступают в за­ ливаемый металл, вызывают его вскипание и образование в отливках газовых раковин. Газопроницаемость зависит от влажности смеси, размеров и однородности зерен песка, степени уплотнения и содер­ жания глины. Она определяется путем измерения времени прохожде­ ния стандартного объема воздуха через образец, условия изготовле­ ния которого регламентированы стандартом.

Противопригарность — это способность смеси не оплавляться, не спекаться под воздействием расплавленного металла и не образо­ вывать с его оксидами химические соединения, которые способству­ ют образованию на поверхности отливок (пригара) — трудноудаляемого металлокерамического слоя. Для борьбы с пригаром стараются создать в полости формы восстановительную атмосферу, добавляя в состав смесей мазут или каменноугольную пыль. Чтобы исключить механическое проникновение расплава в поры смеси, поверхность стержней окрашивают, а рабочую полость припыливают огнеупорны­ ми припылами.

Пластичность необходима смеси для обеспечения четкого отпе­ чатка модели в форме. При высокой пластичности смесь в процессе уплотнения перемещается не только в направлении приложения силы,

но и перпендикулярно ему, что обеспечивает заполнение углов фор­ мы. На пластичность влияет количество влаги и глины, а также зер­ новая структура песка.

Податливость — способность смеси сокращаться в объеме под действием сжимающих усилий отливки при ее усадке в процессе ох­ лаждения. Низкая податливость приводит к возникновению напря­ жений в отливке и даже появлению в ней трещин. Податливость свя­ зана с потерей смесью прочности при прогреве от отливки, а также с ее пористостью, зерновой структурой И наличием специально вво­ димых добавок (древесных опилок).

Основа любой смеси — пески, глины и связующие добавки. Фор­ мовочные пески делят на классы в зависимости от содержания в них глинистой составляющей и примесей, а также на группы — в зави­ симости от размера основной фракции. Основной составляющей песка является кремнезем Si02, но в виде примесей он может содер­ жать каолин, слюду, полевой шпат, оксиды железа, магнезит и т. д. Для приготовления огнеупорных облицовочных смесей и стержне­ вых красок используют шамот, оЛивинит, цирконовый концентрат и другие материалы.

Формовочные глины служат минеральным связующим в формо­ вочных смесях. Их классифицируют по минералогическому составу, прочности, огнеупорности и пластичности. По минералогическому составу глины подразделяют на каолиновые (А120 3 • 2Si03 • 2Н20), бен­ тонитовые (А120 3 • 4Si02 • Н20 • 2Н20) и полиминералъные. Бентонито­ вые глины обладают более высокой способностью к набуханию и бо­ лее высокой прочностью по сравнению с другими. Как связующий материал глина обладаетрядом недостатков. Высокая прочность смеси может бытьполучена только в том случае, когда она содержит большое количество глины, а это снижает газопроницаемость и способствует образованию пригара на поверхности отливок. В связи с этим содер­ жание глины в смесях ограничивается, а для обеспечения требуемых свойств в них вводят специальные связующие добавки.

Эти добавки делят на три класса. К классу А относят органические связующие, нерастворимые и несмачиваемые водой, к классу Б —орга­ нические связующие, растворимые или смачиваемые водой, и к клас­ су В — неорганические связующие, растворимые водой в незатвер­ девшем состоянии (жидкое стекло). Основной характеристикой свя­ зующих является их удельная прочностьприрастяжении сухого образца,

т. е. прочность в расчете на 1 % связующего. Широкое распростране­

ние в качестве связующих находят синтетические смолы, смолосо­ держащие продукты (пеки) и их смеси с органическими водными ма­ териалами, а также коллоидные растворы органических веществ (суль­ фидная патока, декстрин).

Особенно перспективно введение в состав смесей синтетических смол, способных к отвердеванию в холодной или нагреваемой осна­ стке. Для холоднотвердеющих смесей широко применяются смолы на карбомидофурановой (БС-40), карбомидоформальдегидной (КФ-Ж), фенолформальдегидной (ОФ-1) и фенолфурановой (ФФ-1Ф) основе, которые растворяются в фуриловом спирте и отвердевают в стержне­ выхящиках при добавке 0,7... 1 % ортофосфорной кислоты. Содержа­ ние смолы в смеси обычно не превышает 2 %.

Горячетвердеющие смеси не нуждаются в катализаторе, но требуют применения нагреваемой оснастки. Типичным представителем термо­ реактивной смолы является пульвербакелит, который в виде пудры или раствора вводится в состав стержневой смеси в количестве 3...5 %.

Состав формовочных смесей определяется маркой литейного спла­ ва, массой отливки, способом изготовления форм, массовостью про­ изводства и другими факторами. Смеси бывают едиными (в массовом производстве), облицовочными и наполнительными (в мелкосерийном производстве крупных отливок). Облицовочной смесью высокого ка­ чества обкладывают модель, а все остальное пространство опоки за­ полняют низкокачественной наполнительной смесью, изготовлен­ ной из оборотной смеси и не содержащей в качестве крепителя других связующих, кроме глины. Типичный состав единой смеси для сырых форм: свежий песок — 5...15 %, каменноугольная пыль — 0,5...1,5 %, глина — 8...19 %, связующие добавки типа сульфидно-спиртовой бар­ ды — 0,5 %, остальное — бывшая в употреблении оборотная смесь. Естественно, облицовочная смесь содержит больше свежего песка, угольной пыли и специальных добавок.

К стержневым смесям предъявляют более высокие требования, чем к формовочным, так как во время заливки форм и охлаждения металла стержни со всех сторон окружены расплавом и испытывают высокие статические, динамические и термические нагрузки. Стерж­ ни разделяют на классы в зависимости от сложности конфигурации, наличия тонких сечений и количества стержневых знаков. Для каж­ дого из классов разработаны типовые смеси, для которых строго ого­ ворены количество свежего песка, наличие оборотной смеси, тип и

количество связующего, содержание глины, использование специ­ альных добавок (опилок, солей, асбестовой крошки и др.).

Круговорот смеси в литейном цехе и оборудование, применяемое для подготовки исходных компонентов, представлены на схеме, при­ веденной на рис. 12.3. После выбивки залитых форм на выбивной ре­ шетке 1оборотная смесь для разрушения комьев пропускается между валками 2 и подается на магнитный сепаратор 3, где из нее извлекают куски металла, попавшие в смесь при выбивке форм. Затем смесь просеивается на полигональных ситах 4 и подается в бункеры 5, уста­ новленные над смесителем 6. Наиболее часто для перемешивания компонентов смеси применяются бегуны с вертикальными или гори­ зонтальными (маятникового типа) катками. На схеме показаны бегу­ ны с вертикальными катками. Свежий песок со склада сушится в ба­ рабанных сушилах 7, просеивается #и засыпается в бункеры 5, откуда через дозирующее устройство периодически засыпается в смеситель. Глина перемешивается с водой в лопастных смесителях 9 и в виде эмульсии через насос 10 подается по мере надобности в смеситель 6. Готовая формовочная смесьвыдерживается в бункерах-отстойниках 11 с целью усреднения влаги, после чего разрыхляется в аэраторах 12 и по транспортерам подается в бункеры 13, установленные над фор­ мовочными машинами. Залитые формы подаются на выбивную ре­ шетку 1, и круговорот смеси повторяется.

Следует отметить, что для стержневых смесей схема подготовки ис­ ходных материалов проще, так как в их состав не входит оборотная смесь. Для их приготовления используют свежий сухой песок и крепи­ тели, которые перемешивают в смесителях. Для холоднотвердеющих смесей катализаторы (ортофосфорную кислоту) вводят в смесь непо­ средственно перед заполнением стержневогоящика, для чего еедопол­ нительно перемешивают с катализатором в лопастных или шнековых смесителях.

В мелкосерийном производстве крупных отливок широко при­ меняются жидкие самотвердеющие смеси различных составов. В со­ став наиболее ходовой смеси входит 5 % белого феррохромового шлака, 5 % жидкого стекла, 0,5 % пенообразователя (ДС-РАС, кон­ такт Петрова), 0,1 % стабилизатора пены (асидол, мылонафт), 1,5 % воды и сухой песок. Отвердение смеси происходит благодаря взаи­ модействию (Ca0)2Si02, входящего в белый шлак, с жидким стек­ лом (раствор Na20 ■mSi02). Поверхностно-активный пенообразователь

вводят для образования пузырьков пены, которые снижают коэффи­ циент трения между зернами песка и способствуют его легкому пе­ ремещению, т. е. обеспечивают жидкоподвижность смеси, вследст­ вие чего она легко заполняет стержневые ящики и не требует уплот­ нения.

12.4.Изготовление формвручную

Влитейном производстве свыше 20 % отливок получают в формах, изготовленных вручную. Этот метод предусматривает уплотнение формовочной смеси пневматическими трамбовками в опоках, почве (в полу литейного цеха), кессонах — ямах, выложенных кирпичом. При этом могут быть использованы разъемные и неразъемные моде­ ли, шаблоны, скелетные модели и образцы деталей.

Последовательность операций изготовления формы по двухсто­ ронней разъемной модели методом ручной формовки показана на рис. 12.4. Модельную плиту 2 с моделями низа 3 и верха 4 устанавли­ вают на одну из опок 1, после чего накрывают второй опокой 5. Мо­ дель низа припыливают разделительным слоем 6, в качестве которого может использоваться каменноугольная пыль, молотый кварцевый песок, тальк. Иногда ее опрыскивают через пульверизатор керосином или разведенным мазутом. Затем в верхнюю опоку слоями засыпает­ ся и утрамбовывается пневматическими или ручными трамбовками S формовочная смесь 7. Верхний слой смеси срезают до верхнего уров­ ня опоки и с помощью средств механизации поворачивают всю сис­ тему в сборе на 180°. На штырь шлакоуловителя устанавливают стояк с литниковой чашей 9, припыливают модель и заполняют опоку вер­ ха, уплотняя формовочную смесь слоями. Затем поднимают полуфор­ му верха, удаляют из опоки низа модель с модельной плитой, а из опоки верха — элементы моделилитниковой системы. При необходи­ мости отделывают полуформы, исправляя в них дефекты, и присту­ пают к сборке формы. В процессе сборки в полуформу низа устанав­ ливают отдельно изготовленный и высушенный стержень 10, после чего ее закрывают полуформой верха, скрепляют опоки (или форму нагружают грузом) и заливают расплавленным металлом. После за­ твердевания металла и охлаждения отливки до определенной для ка­ ждого сплава температуры форма разрушается, отливка подается на обрубку и очистку, а опоки — на повторный цикл формовки.

Машины позволяют механизировать операции уплотнения формо­ вочной смеси, удаления модели из формы, а для опок низа — поворот полуформы. Механизация процесса формовки улучшает качество и равномерность уплотнения смеси, точность размеров отливки, повы­ шает производительность и облегчает условия труда. Машинная фор­ мовка предполагает раздельное изготовление полуформ на разных машинах и их сборкуна промежуточном конвейере или плацу. Иногда в массовом производстве мелких и средних отливок применяют безопочную формовку. Вернее, формовка осуществляется в опоках, ко­ торые удаляются после сборки форм.

По методу уплотнения формовочной смеси различают следующие типы формовочных машин: прессовые, встряхивающие, пескометы, пескодувные, пескострельные, импульсные, вакуумные, специальные и комбинированные (пескодувно-прессовые, гравитационно-прессо­ вые и др.). Выбор типа машины определяется размерами и конфигу­ рацией отливки, серийностью производства и традиционными осо­ бенностями сложившегося на заводе технологического процесса. В це­ лом же считается, что прессовый, пескодувный и пескострельный типы машин применяются для мелких отливок, хотя прессование под высоким давлением может быть использовано для средних и даже крупных форм. Встряхивающие машины и импульсная формовка обычно применяются для средних по размеру форм. Крупные формы набивают пескометом.

Прессовыемашины бывают нескольких разновидностей. Наиболее часто применяют машины с верхним и нижним прессованием, а так­ же прессование эластичной диафрагмой и многоплунжерной голов­ кой (рис. 12.5). Кроме того, на этом рисунке для верхнего и нижнего прессования приведено распределение плотности смеси (р) по высоте опоки Я после уплотнения.

При верхнем прессовании модель 2 с модельной плитой 1монтиру­ ют на рабочем столе и припыливают или обрызгивают, после чего ус­ танавливают опоку 4 и наполнительную рамку 6. В опоку засыпают дозированную порцию формовочной смеси 3 и накатывают прессую­ щую колодку 5, затем в цилиндр 7подается сжатый воздух. Поршень S перемещается вверх, в результате чего прессовая колодка входит в на­ полнительную рамку и уплотняет смесь.