3. Изготовление отливок в разовых формах

3.1. Понятие о способах изготовления форм и стержней

Литые заготовки, получаемые в разовых, однократно заполняе­мых металлом литейных формах, отличаются обширной номенклату­рой и размерами. Точность отливок оценивается 8-м классом, а до­пуски на размеры находятся в пределах от ±0,5 до ±0,7 мм.

Изготовление литейной формы – составное звено технологиче­ского процесса получения литой заготовки. Упрощенная схема техно­логического процесса получения литой заготовки в разовой песчано-глинистой форме приведена на рис. 3.1.

Процесс изготовления литейной формы называют формовкой. Этот процесс складывается из ряда операций, выполняемых при помощи литейной оснастки и приспособлений. Литейная оснастка состоит из моделей, стержневых ящиков, сушильных плит, опок, щитков.

Модель – это формообразующее приспособление, при помощи которого в форме получают отпечаток, соответствующий внешней конфигурации отливки. Внутренние отверстия и полости в отливках, а также отдельные наружные очертания сложной конфигурации по­лучают при помощи стержней.

Модель имеет знаковые части, которые дают углубления в литейной форме для установки и точной фиксации в ней стержней. Модели изготовляют чаще разъемными для удобства формовки и извлечения их из формы. Для предотвращения смещения частей модели на них делают выступы (шипы) и впадины. Модели изготовляют из дерева, пластмасс или металла. При машинной фор­мовке модели монтируют на плитах с одной или двух сторон.

Стержневой ящик – это приспособление, в котором изготовляют стержни из стержневой смеси. Внутренняя полость стержневого ящика соответствует конфигурации стержня со знаками, при помощи которых он устанавливается и фиксируется в форме.

Стержневые ящики бывают одноместные и многоместные с разъ­емом для удобства извлечения стержней. Для предотвращения .смеще­ния частей ящика на них имеются выступы и впадины. Стержневые ящики изготовляют из дерева, пластмасс и металла.

Сушильные плиты для стержней (драйеры) могут быть плоскими и фасонными – с углублениями, соответствующими конфигурации стержня. Сушильные плиты применяют для сохранения геометриче­ских размеров стержней после извлечения их из стержневого ящика и транспортировки в сушила.

Рис. 3.1. Упрощенная схема технологического процесса получения литой заго­товки в разовой песчано-глинистой форме

Опоки представляют собой жесткие рамки различной формы, изго­товляемые методами литья или сварки из стальных штампованных пластин. Они служат для сохранения формы и размеров отпечатка от модели в формовочной смеси, уплотненной внутри опоки.

Опоку с уплотненной смесью и отпечатком от модели называют полуформой. В большинстве случаев формовку выполняют в двух опоках, поэтому для предотвращения смещения полуформ опоки имеют проушины с втулками, в которые вставлены штыри. При изготовлении форм на машинах эти же втулки служат для точной установки опоки на мо­дельной плите.

3.2. Разработка технологии получения литой заготовки

Разработка технологии состоит из выбора и обоснования способа изготовления литейной формы; конструирования модели, стержневых ящиков, сушильных плит, литниковой системы для заполнения формы металлом; разработки последовательности технологических операций формовки, сборки форм, заливки их металлом, очистки и обрубки от­ливок; методов и способов контроля качества литой заготовки.

При конструировании модели сначала разрабатывают технологи­ческий чертеж отливки. На чертеж детали (рис. 3.2, а), которая путем механической обработки будет получена из литой заготовки, наносят все технологические указания, необходимые при изготовлении мо­дели. Все размеры детали увеличивают пропорционально величине усадки сплава, из которого будет изготовлена отливка. На поверх­ности, с которых будет сниматься слой металла при изготовлении детали, наносят припуски / на механическую обработку (рис. 3.2, б). Отверстия 2 диаметром менее 12 мм в заготовках обычно получают сверлением, поэтому их тоже заштриховывают, как припуск на меха­ническую обработку.

Припуски для чугунных отливок выбирают по ГОСТ 1855–55, а для стальных – по ГОСТ 2009–55. Для чугунных отливок с габа­ритными размерами 120–150 мм припуски находятся в пределах 2–6 мм, а для стальных –3–8 мм.

Для удобства формовки и извлечения модели из уплотненной фор­мовочной смеси модели делают разъемными. Плоскость разъема, как правило, проходит через ось симметрии будущей модели, но обязательно так, чтобы ее части (верхняя и нижняя) беспрепятственно удалялись из полуформ. При этом учитывается необходимость рас­положения ответственных поверхностей отливки в нижней части формы или вертикально, так как вверху всегда при заливке формы металлом скапливаются шлак и газы.

Рис. 3.2. Пример технологической разработки отливки

Разъем модели условно обозначают буквами РМ, а разъем литейной формы обозначают РФ. Верх и низ модели в фор­ме обозначают соответст­венно В и Н. Если разъем модели и формы совпадает, то на чертеже должно быть обозначение МФ. Для точ­ного совмещения полумо­делей 7 и 8 на одной из них имеются шипы, а на другой–впадины 9. Круп­ные отверстия и полости в отливках получают с по­мощью стержней 3. Для точной фиксации стержня в форме используют стерж­невые знаки 4, выполняемые заодно с самим стержнем. Стержень на чертеже обычно обозначают пе­рекрестной штриховкой по контуру. При горизонтальном положении стержня, имеющего форму тела вращения, знаки делают цилиндриче­скими, а при вертикальном –в виде усеченного конуса для удобства сборки полуформ. Модель и стержень имеют одинаковые по конструк­ции стержневые знаки. Форму и размеры знаковых частей назначают по ГОСТ 3606–57 с учетом размеров стержня, способа формовки и его положения в форме.

Для облегчения выема модели из уплотненной смеси на всех ее вертикальных поверхностях по отношению к плоскости разъема РМ наносят формовочные или литейные уклоны 5. Величина уклонов зави­сит от размеров и места расположения поверхности. Металлические модели имеют наружные уклоны от 1°30' до 0°30' н внутренние от 3° до 0°45', деревянные модели –соответственно уклоны 3°–0°30' и 3°–1°. С увеличением размера поверхности уклоны уменьшаются. В местах сопряжении поверхностей моделей вводят радиусы скруглений (галтели) 6. При наличии галтелей литейная форма в таких скру­гленных углах после извлечения модели не осыпается, а отливка не приобретает склонности к появлению трещин, так как устраняются концентраторы напряжений.

После нанесения на чертеж (рис. 3.2, б) всех указаний приступают к изготовлению модели в и стержневого ящика. Размеры модели и ее очертания соответствуют чертежу б, а размеры и очертания рабочей полости стержневого ящика соответствуют размерам и очертаниям стержня 3, со знаками 4. По ящику изготовляют стержень путем уплотнения стержневой смеси в рабочей полости ящика. Затем стержень сушат для придания ему прочности. Поверхности деревянных моделей и ящиков окрашивают для предохранения от влаги и уменьшения шероховатости. Цвет окраски моделей и отдельных ее частей регла­ментирует ГОСТ 2413–67. Знаковые части моделей и стержней всегда имеют черный цвет, корпус моделей может быть красным, зеленым, серым и желтым в зависимости от применяемого сплава.

В разработку литейной технологии входит конструирование и расчет литниковой системы, которая служит для заполнения литейной формы металлом. По конструкции и расположению в литейной форме литниковые системы очень разнообразны. Схематично способы под­вода металла в литейную форму показаны на рис. 3.3.

Для различных сплавов и видов форм применяют разные по кон­струкции литниковые системы, но независимо от конструкции литниковая система должна обеспечивать питание отливки в процессе кри­сталлизации жидким металлом и предотвращение усадочных рако­вин; равномерное без завихрения заполнение металлом формы без размывания и подсоса воздуха; задержание шлаковых, неметалличе­ских и засорных включений и предотвращение попадания их в полость формы с металлом; кратчайший путь металлу в полости формы, чтобы он не терял температуру; минимально возможную площадь, занимае­мую на модельной плите и в форме для большего размещения моделей на плите и отливок в форме; однородность структуры отливки после ее кристаллизации; отсутствие препятствия при усадке отливок; легкое отделение от отливки в процессе выбивки ее из формы; минималь­ное количество точек подвода металла к отливке с целью сокращения объема работ при зачистке отливок.

Рис. 3.3. Схема подвода металла в литейные формы: а – свободное падение: б – сверху через разъем формы; в – по разъему опок; г– снизу сифоном; д – по разъему опок от одного стояка – стопочная заливка.

Конструкция литниковой системы должна состоять из стандартных элементов, легко изготовляемых и заменяемых при износе.

Последовательность изготовления сырой песчано-глинистой формы в опоках ручным способом показана на рис. 3.4. Вначале изготов­ляют нижнюю полуформу (позиция а). На подмодельный щиток / укладывают полумодель 2 (без выступающих шипов), затем на этот же щиток устанавливают опоку 3. Полумодель располагают в опоке таким образом, чтобы оставалось место для размещения литниковой системы. К полумодели подводят модель элемента литниковой си­стемы – питатель 4.

На предварительно протертую мазутом с керосином или графитом поверхность полумодели насыпают тонкий слой разрыхленной и про­сеянной облицовочной формовочной смеси, которую уплотняют на поверхности полумодели. Затем последовательно насыпают и уплот­няют слои наполнительной смеси, пока уровень ее несколько не пре­высит край опоки 3.

Излишки уплотненной смеси линейкой срезают вровень с краем опоки. Нижнюю полуформу поворачивают на 180° (вверх пло­скостью разъема модели) и на нижнюю полумодель 2 устанавливают верхнюю полумодель 7, совмещая шипы и впадины 13 (позиция б). На опоку 3 нижней полуформы устанавливают верхнюю опоку 8 и взаимно их фиксируют при помощи штырей 6, которые входят во втулки боковых проушин опок 5. Поверхность нижней полуформы посыпают тонким слоем разделительного песка для предотвращения соединения двух полуформ в процессе уплотнения смеси.

На самую высокую поверхность модели устанавливают выпор 9, который обес­печит отвод газов из формы. Над моделью питателя 4 устанавливают модель шлакоуловителя 12 и стояка 11 с литниковой чашей 10. После этого формуют верхнюю полуформу, уплотняя формовочную смесь в опоке 8. Затем из уплотненной смеси извлекают модель выпора 9 и стояка 11.

Рис. 16.4. Последовательность изготовления сырой песчано-глинистой формы руч­ным способом

Для образования дополнительных газоотводящих каналов 14 полуформы многократно прокалывают иглообразной спицей. Верхнюю полуформу снимают с нижней и помещают рядом на щитке (позиция в). Из нижней и верхней полуформ с предварительной раскачкой удаляют полумодели и элементы литниковой системы при помощи крючков или шпилек 15. После извлечения моделей в знаковые части нижней полуформы помещают стержень 17, изготовленный ранее, и нижнюю полуформу накрывают верхней (позиция г). Таким образом, полу­чается литейная форма, внутри которой имеется полость 16, по кон­фигурации соответствующая конфигурации модели, а внутри полости расположен стержень 17, образующий отверстие в отливке.

При ручных способах изготовления форм стержни, как правило, также изготовляют вручную путем уплотнения смеси внутри стержне­вого ящика. Для удобства извлечения стержня ящик делают разъем­ным. После извлечения из ящика стержни сушат в сушилах, предва­рительно поместив их на сушильные металлические плиты - драйеры. В процессе сушки стержень упрочняется, но сложные стержни до­полнительно армируют металлическим каркасом, заформованным внутрь стержня в процессе его изготовления. Мелкие стержни арми­руют каркасом из отожженной стальной проволоки, а крупные – сварными и литыми каркасами, которые служат не только для упрочнения, но и для транспортировки стержня при помощи мостовых кранов от места изготовления к месту сборки.

Для отвода газов при заполнении литейной формы металлом моно­литные стержни снабжают газоотводящими каналами, которые обра­зуются в крупных стержнях при помощи шлаковых засыпок, соломен­ных жгутов, перфорированных металлических труб, а в стержнях средней и малой величины при помощи плетеных капроновых шлан­гов, хлопчатобумажных шнуров или сквозных проколов, выходящих в знаковые части. Пустотелые (оболочковые) стержни не требуют дополнительных газоотводящих каналов. Для предотвращения при­гара и получения чистой поверхности во внутренних полостях отли­вок стержни красят противопригарными красками. На позиции д представлены нижняя и верхняя полуформы со сто­роны плоскости разъема. В нижней полуформе видны отпечаток от модели 16, стержень 17 и питатели 4. В верхней полуформе видны отпечаток от модели 16, следы выпоров 9, шлакоуловителя 12 и стояка 11.

Перед заполнением формы металлом верхнюю полуформу прижи­мают к нижней при помощи грузов, болтов, скоб, струбцин, клино­вых устройств для предотвращения всплытия верхней полуформы от статического напора металла и утечки его из формы по плоскости разъема. Затем следуют операции заполнения формы металлом, вы­бивки отливки из формы после кристаллизации и достаточного охла­ждения металла, выбивки стержней из отливки, очистки и обрубки отливки, проверки ее качества и механической обработки. Аналогично изготовляют и сухие литейные песчано-глинистые формы, но при этом добавляются операции сушки и, как правило, покраски поверхности формы. Сухие формы применяют для крупных стальных отливок.