§ 1. Сущность процесса. Основные операции. Область использования

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в использовании точной неразъемной разовой модели, по которой из жидких формовочных смесей изготовляется неразъемная керамическая оболочковая форма; перед заливкой расплава модель удаляется из формы вплавлением, выжиганием, растворением, испарением; для удаления остатков модели и упрочнения форма может быть нагрета до высоких температур, что улучшает ее наполняемость расплавом.

Основные операции технологического процесса Модель или звено моделей изготовляют в разъемной пресс-форме, рабочая полость которой имеет конфгурацию отливки с припусками на усадку и обработку резанием. Модель изготовляют из материалов, имеющих невысокую температуру плавления (воск, стеарин, парафин), способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки имеющие модели элементов ситниковой системы из того же материала, что и модель. Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателей и стояка Модели чаши и нижней части стояка изготовляют отдельно и устанавливают в блок при его сборке. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью — суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидного огнеупорного материала, например кварца пылевидного или электрокорунда, и связующего. В результате на поверхности модели образуется тонкий (менее 1 мм) слой суспензии. Для упрочнения этого слоя, увеличения его толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала (мелкий кварцевый песок электрокорунд, зернистый шамот). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели обол очки требуемой толщины (3—10 слоев).

Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака, что зависит от связующего. После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением.

Так получают многослойную оболочковую форму по выплавляемой модели. Для упрочнения перед заливкой оболочковую форму помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным материалом (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм). Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнера с оболочковой формой помещают в печь для прокаливания. Форму прокаливают при температуре 1223—1273 К. Прокаленную форму извлекают из печи и заливают расплавом. После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники. Во многих случаях оболочки прокаливают в печи до засыпки огнеупорным материалом, а затем для упрочнения их засыпают предварительно нагретым огнеупорным материалом. Это позволяет сократить продолжительность прокаливания формы перед заливкой. Малая шероховатость поверхности формы при достаточно высокой огнеупорности и химической инертности материала позволяет получать отливки с поверхностью высокого качества.

Отсутствие операций разъема моделей и формы, использование для изготовления моделей материалов позволяющих не разбирать форму при удалении модели, высокая огнеупорность материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой, что улучшает заполняемостъ, дают возможность получить отливки сложнейшей конфигурации, максимально приближающиеся к конфигурации готовой детали практически из любых сплавов. Коэффициент точности отливок по массе (КТМ) может достигать 0,85— 0,95, что резко сокращает объемы обработки резанием, отходы металла в стружку. Точность отливок соответствует 8—11-му квалитетам СТ СЭВ 145—75, а припуски на обработку резанием для отливок размером до 50 мм составляют около 1,4 мм, а размером до 500 мм — около 3,5 мм. Поэтому литье по выплавляемым моделям относится к прогрессивным материалам и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов.

Однако литье по выплавляемым моделям процесс многооперационный.

Манипуляторные операции при изготовлении и сборке моделей, нанесении суспензии на модель и другие достаточно сложны и трудоемки, что осложняет автоматизацию процесса.

Процесс состоит из ряда длительных операций, определяющих производительность: послойное формирование и сушка слоев оболочковой формы на модели, прокаливание формы.

Вследствие большого числа операций, технологических факторов, влияющих на размеры полости формы и соответственно отливки, снижается ее точность.

Качество отливок, получаемых данным способом, существенно зависит от стабильности качества исходных материалов для изготовления моделей, суспензии, формы, а также от стабильности режимов технологического процесса. Это осложняет автоматизацию управления технологическим процессом.

Указанные выше особенности технологического процесса изготовления отливок в керамических оболочковых формах определяют три важнейшие проблемы его развития: сокращение числа операций технологического процесса и их длительности, упрощение манипуляторных операций с целью их автоматизацию; реализация резервов повышения точности отливок, которыми обладает данный процесс; создание систем автоматизированного управления технологическим процессом.

Особенности формирования и качество отливок. Особенности формирования отливок в оболочковой форме обусловлены тем, что, как правило, перед заливкой форму нагревают до сравнительно высоких температур. Эти особенности заключаются в следующем.

1. Небольшие теплопроводность, теплоемкость и плотность материалов оболочковой формы и повышенная температура формы снижают скорость отвода теплоты от расплава, что способствует улучшению заполняемое!!! формы. Благодаря этому возможно получение сложных отливок из стали с толщиной стенки 0,8—2 мм со значительной площадью поверхности. Улучшению наполняемости формы способствует также и малая шероховатость ее стенок.

2.Невысокая интенсивность охлаждения расплава в нагретой оболочковой форме приводит к снижению скорости затвердевания отливок, укрупнению кристаллического строения, возможности появления в центральной части массивных узлов и тонких (6—8 мм) стенок, усадочных дефектов: раковин и рыхлот. Тонкие же стенки (1,5—3 мм) затвердевают достаточно быстро, и осевая пористость в них не образуется. Для уменьшения усадочных дефектов необходимо создавать условия дня направленного затвердевания и литания отливок. Для улучшения кристаллического строения отливок используют термическую обработку.

3.Повышенная температура формы при заливке способствует развитию на поверхности контакта сшивка-форма физико-химических процессов, которые могут привести к изменению структуры поверхностного слоя отливки, появлению дефектов на ее поверхности. Например, на отливках из углеродистых сталей характерным дефектом является окисленный и обезуглероженный поверхностный слой глубиной до 0,5 мм величина окисления и обезуглероживания отливок заключается во взаимодействии в основном кислорода воздуха с металлом отливки при ее затвердевании и охлаждении.

Основные факторы, влияющие на процесс обезуглероживания,— это состав газовой среды окружающей отливку, температура отливки и формы, содержание углерода в отливке.

С увеличением содержания в среде, окружающей отливку, газов-окислителей и паров, при высоких температурах отливки и формы процессы обезуглероживания интеисифицируются. Поэтому небольшая скорость охлаждения отливки в нагретой оболочковой форме способствует увеличению глубины обезуглероженного слоя отливки. Увеличение содержания углерода в стали повышает интенсивность обезуглероживания поверхностного слоя отливки. Для уменьшения глубины обезуглероженного слоя используют специальные технологические приемы, основанные на предотвращении или уменьшении контакта кислорода воздуха с затвердевающей отливкой; на создании вокруг отливки восстановительной газовой среды на быстром охлаждении, т. е. сокращении времени реакции.

На отливках из легированных сталей следствием физико-химического взаимодействия материалов формы и отливки при высоких температурах являются точечные дефекты (питтинг), приводящие к снижению коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности, отливок и их браку.

Предупреждать появление этого дефекта возможно созданием восстановительной газовой среды в форме, заливкой форм в вакууме, нейтральной или защитной среде; уменьшением или устранением взаимодействия окислов отливки и формы; заменой ее огнеупорного материала, например кремнезема, высокоинертными основами (магнезитовые, хромомагнезитовые).

4. Стремление получить отливки с чистой, гладкой поверхностью вызывает необходимость использования огнеупорных материалов с малыми размерами зерна основной фракции. Это снижает газопроницаемость оболочковой формы до нескольких единиц, создает опасность образования воздушных «мешков» в форме при ее заполнении, приводит к снижению заполняемость формы и образованию дефектов отливки из-за незаполнения формы.

4. Эффективность производства и область применения. На основе производственного опыта можно указать следующие преимущества способа литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям:

1) возможность изготовления практически из любых сплавов

отливок сложной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, высоким коэффициентом точности по массе, минимальными припусками на обработку резанием; резким сокращением отходов металла в стружку; 2) возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей б один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов;

3)возможность экономически выгодного осуществления процесса б единичном (опытном), серийном и массовом производствах, что важно при создании новых машин и приборов; 4) уменьшение расхода формовочных материалов для изготовления 1 т ошибок, снижение материалоемкости производства; 5) улучшение условии труда и уменьшение вредного воздействия литейного процесса на окружающую среду.

Наряду с преимуществами способ обладает и следующими недостатками: 1) процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный; 2) большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, соответственно сложность управления качеством; 3) большая номенклатура материалов, используемых для получения формы (материалы да моделей, суспензии, обсыпки блоков, опорные материалы);

4) сложность маштуляторньтх операций изготовления моделей и форм, автоматизации этих операции; 5) повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного (ТВ Г).

Указанные преимущества и недостатки определяют аффективную область использования литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям.

1) изготовление отливок, максимально приближающихся по конфигурации к готовой детали с целью снижения трудоемкости обработки труднообрабатываемых металлов и сплавов резанием, замены трудоемких операций сварки или пайки для повышения жесткости, герметичности, надежности конструкций детали, узла, обработки давлением труднодеформируемых сплавов;

2) изготовление тонкостенных крупногабаритных отливок повышенной точности с целью снижения массы конструкции при повышении ее прочности, герметичности и других эксплуатационных свойств; 3) изготовление отливок повышенной точности из сплавов с особыми свойствами и структурой.

Производство отливок по выплавляемым моделям находит широкое применение в различных отраслях машиностроения и в приборостроении.

Использование литья в оболочковые формы для получения заготовок деталей машин взамен изготовления их из кованых заготовок или проката позволяет в среднем уменьшить отход металла в стружку, на 34—90 %, снизить трудоемкость обработки резанием на 25—85 %, себестоимость изготовления деталей на 20— 80%. Однако, следует учитывать, что экономическая эффективность существенно зависит от выбора номенклатуры отливок, изготовляемых этим способом. Только при правильном выборе номенклатуры деталей можно достичь высокой экономической эффективности производства.

Общие сведения о литейной форме.

Отливка получается в результате заполнения полости литейной формы жидким металлом. После заливки жидкий металл охлаждается в форме и затвердевает, образуя отливку.

Последовательность технологического процесса изготовления отливки рассмотрим на примере отливки чугунной втулки... По чертежу втулки изготовляют деревянную модель.

Модель это приспособление для получения в форме отпечатка, соответствующего конфигурации и размерам отливки. Модели делают из дерева, металла, гипса, пластмассы и других материалов.

Модель втулки состоит из двух половин, которые взаимно центрируются с помощью шипов и гнезд.

Отверстие втулки выполняется стержнем. Стержень - это часть литейной формы. Его изготовляют из стержневой смеси, уплотняемой в ящике. После извлечения из ящика стержень подвергают сушке в печи. При сборке формы сухой стержень устанавливают стержневыми знаками в соответствующие гнезда формы, полученные с помощью знаков модели. Длина стержня больше длины полости отливки на величину знаков.

Литейную форму для втулки собирают из двух полуформ: верхней и нижней. Полуформы изготовляют из формовочной смеси, уплотняемой в чугунных или стальных рамках, которые называют опоками.

Изготовление литейной формы втулки. На подоночный щиток устанавливают половину модели, по которой необходимо получить отпечаток в нижней полуформе, а также опоку. Поверхность модели и щитка посыпают или опрыскивают разделительной жидкостью, после чего в опоку насыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Излишек формовочной смеси счищают с поверхности уплотненной полуформы, опоку перевертывают на 180 градусов и устанавливают на подопечный щиток. Затем на нижнюю половину модели устанавливают верхнюю половину модели, на нижнюю опоку - верхнюю. Вновь посыпают поверхность модели разделительным песком, ставят модели литниковой системы, засыпают формовочную смесь в верхнюю опоку и уплотняют ее.

Снимают верхнюю полуформу, извлекают половины моделей, устанавливают стержень и собирают форму. Для сборки формы опоки имеют специальные втулки, в которые входят центрирующие штыри. Жидкий металл при заполнении формы давит на стенки формы, в результате чего верхняя опок может подняться, и тогда по плоскости разъема образуется зазор, через который металл может вытекать из формы. Для предупреждения этого верхнюю полуформу крепят к нижней скобами . а иногда ставят на верхнюю опоку груз.

При заливке жидкий металл поступает в полость формы по литниковым каналам. Систему каналов, подводящих металл в форму, называют литниковой. Литниковая система состоит из стояка (вертикального канала), шлакоуловителя и питателя, через который металл поступает в полость формы. К литниковой системе относится также выпор. Выпор служит для выхода из формы воздуха и газов, а также для контроля заполнения формы металлом.

После затвердевания и охлаждения металла форму разрушают и освобождают отливку от формовочной смеси, отрезают литники, и поверхность отливки очищают от формовочной смеси.

Описанную выше литейную форму называют разовой, так как ее используют однократно. Обычно разовые литейные формы изготовляют из формовочных смесей, основной составляющей которых является кварцевый песок. В качестве связующей добавки, придающей прочность смеси, используют глину. Прочность таких смесей относительно невысока, а давление жидкого металла на стенки формы достаточно велико, поэтому формы из песчано-глинистых смесей приходится делать толстостенными. Однако если в качестве связующего использовать специальные материалы, придающие высокую прочность формовочной смеси, то литейную форму можно сделать оболочковой (тонкостенной). Это позволяет резко сократить расход формовочной смеси, а также благодаря ее особым свойствам повысить точность и чистоту поверхности отливок.

В разовых толстостенных формах из песчано-глинистых смесей можно получать отливки весьма сложной конфигурации массой от нескольких граммов до десятков тонн из различных сплавов как в условиях единичного, так и серийного и массового производства. Это объясняется относительной простотой технологического процесса, дешевизной используемых материалов, достаточной точностью отливок, хорошей чистотой поверхности, возможностями механизации и автоматизации процесса их изготовления.

В литейном производстве применяют также формы, изготовляемые из специальных высокоогнеупорных масс, например на основе графита, В таких формах • можно получать до нескольких десятком отливок без существенного износа формы. Эти формы называются полупостоянными. Их применяют при мелкосерийном производстве отливок из чугуна и цветных сплавов (алюминиевых, медных). Для массового и крупносерийного производства стойкость этих форм недостаточна, а для единичного производства высока стоимость их изготовления.

Широкое применение находят металлические формы, называемые также постоянными. В этих формах можно получать от нескольких десятков до нескольких тысяч отливок из стали, чугуна и цветных сплавов. Отливки могут иметь сложную конфигурацию и массу несколько тонн. Наиболее часто в металлических формах изготовляют отливки малой и средней (до нескольких десятков килограммов) массы из легких цветных сплавов.

Отливки, полученные в металлических формах, имеют чистую поверхность и повышенную точность размеров. Применение постоянных форм позволяет исключить формовочную смесь, улучшить условия труда, механизировать и автоматизировать производство. Однако стоимость металлических форм достаточно высокая, поэтому их применяют в условиях крупносерийного и массового производства отливок.

Технологический процесс изготовления отливок в разовых формах широко распространен в литейном производстве. Он складывается из различных процессов, которые осуществляются в специальных цехах или отделениях литейного цеха.

Технологический процесс изготовления отливки начинается с подготовки модельного комплекта: моделей или модельных плит, модельных щитков, стержневых ящиков, сушильных плит, шаблонов для проверки размеров формы и стержней, кондукторов, шаблонов для контроля правильности установки стержней в форме, опок, штырей и т. д.

Модельный комплект изготовляют в модельном цехе или модельном отделении литейного цеха.

Не менее важным звеном технологической цепи являете подготовка материалов для изготовления литейной формы. Формовочными материалами называют материалы, применяемые для изготовления разовых и полупостоянных форм. Это пески, связующие и специальные добавки. Исходные формовочные материалы хранят на складе формовочных материалов в специальных емкостях и бункерах. При поступлении на склад обязательно проверяют соответствие их качества сертификату. Контроль качества формовочных материалов производят в специальных лабораториях.

Процесс изготовления литейных форм называют формовкой. В литейном производстве используют ручную и машинную формовку: в единичном и мелкосерийном производстве ручную формовку (формы изготовляют обычно по деревянным моделям), в поточно-массовом и серийном производстве машинную (формы изготовляют на машинах по металлическим моделям).

Стержни получают с помощью ящиков или шаблонов. Готовые стержни сушат в специальных печах (сушилах) для увеличения их прочности, газопроницаемости, а также уменьшения газотворной способности. Стержни перед установкой в форму окрашивают красками, состоящими из огнеупорных материалов: графита, пылевидного кварца, циркона обезжелезенного и др., что необходимо для повышения чистоты поверхности отливки.

Перед сборкой сырые полуформы припыливают (графитом, тальком, древесным углем и др.) и окрашивают для получения чистой поверхности отливки. Если отливка имеет полость, то в форму перед сборкой устанавливают стержень. Затем форму собирают, скрепляют опоки болтами или скобами и подают на заливку жидким 'металлом.

В качестве исходных материалов для получения жидкого чугуна и стали используют чушковые литейные и передельные чугуны, чугунный и стальной лом. Брикетированную стружку, ферросплавы, топливо и флюсы. Эти исходные материалы называют шихтовыми. Их хранят на складе шихты, где также производят подготовку исходных материалов к плавке: сортировку, дробление до необходимых размеров, шихтовку взвешивание отдельных порций различных материалов в соответствии с расчетом для получения заданного химического состава металла.

Подготовленную шихту специальными транспортными средствами подают в плавильное отделение для приготовления жидкого металла (плавки металла).

Плавильными печами называют агрегаты, предназначенные для расплавления и перегрева черных и цветных металлов и сплавов, Для плавки чугуна применяют специальные печи-вагранки, электропечи и пламенные печи; для плавки стали— мартеновские печи, конверторы, электропечи, для плавки цветных сплавов — электропечи и пламенные печи ^

Расплавленный металл должен быть перегрет в печи до определенной температуры, чтобы он хорошо заполнял литейную форму. После расплавления и перегрева металл сливают из печи в различные ковши и транспортируют на участок заливки форм. Металл, залитый в форму, отдавая теплоту форме, охлаждается и затвердевает.

После охлаждения отливки формы разрушают (выбивают) и отливки извлекают из форм. Выбивку форм производят только после остывания отливки до определенной температуры, так как при высоких температурах сплавы недостаточно прочны и отливка может разрушиться. Выбивку форм осуществляют на специальных установках, расположенных в отделении или на участке выбивки

Отливки имеют литники, выпоры, иногда заусенцы и заливы металла, их поверхность может быть загрязнена пригоревшей к ней формовочной смесью. Отрезку или обрубку литников, выпоров, заусенцев, очистку поверхности отливок производят в отделении очистки и обрубки отливок специальным инструментом, на дробеструйных и дробеметных установках, в гидравлических, пескогидравлических и очистных т барабанах.

' После этого отливки поступают в отдел технического контроля (ОТК), Здесь производят контроль отливок: проверяют их размеры и герметичность, наличие внутренних и внешних дефектов (усадочных раковин, газовых раковин, трещин и т. д.), механические свойства и структуру металла. Отливки, имеющие незначительные дефекты, исправляют различными способами: газовой и электрической заваркой, пропиткой различными смолами, нанесением замазки и др.

Очень часто для получения требуемых структуры и механических свойств, снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке— нагреву и охлаждению по строго заданным режимам (по времени и температуре) в термических печах. Эта операция производится в термическом отделении литейного цеха. Затем отливки вновь подвергают очистке и контролю.

Принятые ОТК или мастером литейного цеха, отливки отправляют на склад готовых изделий, а оттуда на механическую обработку. Некоторые отливки перед отправкой в механический цех окрашивают, чтобы предотвратить коррозию.

При механической обработке отливкам придается окончательная геометрическая форма, требуемые точность и чистота поверхности, предусмотренные чертежами и техническими условиями на готовую деталь. Это наиболее трудоемкий процесс в машиностроении, так как затраты на механическую обработку составляют 40-60% затрат на изготовление машины. Следовательно, необходимо стремиться получать отливки с минимальными припусками на механическую обработку или такими точными и чистыми, чтобы не требовалась механическая обработка.

Изготовление модельных комплектов.