Изготовление отливок в песчаных формах

Литье в песчаные формы в настоящее время является универсальным и са­мым распространенным способом изго­товления отливок. Технологический процесс изготовле­ния отливок состоит из ряда основных и вспомогательных операций, выполня­емых в определенной последователь­ности (рис. 14). Для изготовления ли­тейных форм используются модельный комплект, формовочные и стержневые смеси и другие материалы и обору­дование.

Модельный комплект – это совокуп­ность технологической оснастки и при­способлений, необходимых для образова­ния в форме полости, соответствующей контурам отливки. В модельный комп­лект включают модели, модельные пли­ты, стержневые ящики и другие при­способления.

Рис. 14 Схема технологического процесса получения отливок в песчаных формах

Для получения отливки изготавливают специальную форму. Основными исходными материалами служат: песок, глина, специальные связующие компоненты.

В природе существует два типа песков: кварцевый(температура плавления ≈2000 С; недостаток – при температуре 575 С в нем происходит полиморфное превращение, которое сопровождается растрескиванием отдельных песчинок.) Поэтому такой тип песка применяют для изготовления литейных форм при производстве отливок из цветных металлов и сплавов;циркониевый(обладает высокой огнеупорностью; в нем отсутствует упомянутый недостаток).

Глина является связующим компонентом и от ее сорта и количества изменяется прочность и технологические параметры смеси.

Для дополнительного повышения прочности смеси и литейной формы в целом добавляют различные марки клеев и смол.

Исходные материалы подвергают различным видам контроля, а затем из них приготавливают формовочную смесь. Для получения качественной отливки формовочная смесь должна отвечать следующим свойствам:

1. механическим

- прочность – способность смеси и литейной формы в целом не разрушаться в процессе транспортировки и заливки жидким расплавом;

- пластичность – способность смеси свободно заполнять литейную форму и полностью производить очертания наружной поверхности модели отливки;

- податливость – способность формовочной смеси изменяться в объеме и сопровождать процесс усадки металла после заливки и кристаллизации сплава. При низкой податливости смеси в сплаве возникают высокие напряжения, которые могут вызвать образование трещин в отливке.

2. технологическим

- влажность – влияет на качество отливки по наличию в ней газовых пузырей и пор. В зависимости от содержания влаги смеси бывают сухие (3-4% влаги) и сырые (6-8% влаги);

- газопроницаемость – влияет на способность смеси по удалению воздушной атмосферы из заливаемой полости формы и удалению газов из расплава. Зависит от фракционного состава песка, содержания глины в смеси и влажности смеси. Чем больше размер песчинок и меньшее содержание глинистой составляющей, тем выше газопроницаемость;

- термохимическая активность – способность смеси не вступать в химическую реакцию с материалом расплава в месте контакта. При низком показателе на поверхности отливки образуется литейная корка, состоящая из материала смеси и жидкого металла;

- долговечность – способность смеси сохранять свои свойства на протяжении длительного времени;

- огнеупорность – способность смеси выдерживать высокие температуры;

- негигроскопичность – способность смеси не поглощать влагу из атмосферы в процессе длительной эксплуатации или хранения.

3. теплофизическим: теплоемкость, теплопроводность. Эти показатели влияют на скорость охлаждения расплава, кристаллизации и скорость охлаждения отливки. от этих показателей зависит получаемая структура и механические свойства отливки.

Формовочные и стержневые смеси

Формовочная смесь – это многоком­понентная смесь формовочных матери­алов, соответствующая условиям тех­нологического процесса изготовления литейных форм. Формовочные смеси по характеру использования разделяют на:

Облицовочная смесь – это формовоч­ная смесь, используемая для изготов­ления рабочего слоя формы. Такие смеси содержат повышенное количество исходных формовочных материалов (песка и глины) и имеют высокие физико-механические свойства.

Наполнительная смесь– это формо­вочная смесь для наполнения формы после нанесения на модель облицовоч­ной смеси. Поэтому ее приготовляют путем переработки оборотной смеси с малым количеством исходных формо­вочных материалов (песка и глины). Облицовочные и наполнительные фор­мовочные смеси используют для изго­товления крупных и сложных отливок.

Единая смесь – это формовочная смесь, применяемая одновременно в ка­честве облицовочной и наполнительной смеси. Такие смеси применяют при машинной формовке и на автоматичес­ких линиях в серийном и массовом производствах. Единые смеси приготов­ляют из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей связующей спо­собностью, чтобы обеспечить их долго­вечность.

Стержневая смесь– это многокомпо­нентная смесь формовочных матери­алов, соответствующая условиям тех­нологического процесса изготовления литейных стержней.

Стержни устанавливают в литейной форме для имитации отверстий и углублений в отливке. Стержни при за­ливке расплавленного металла испыты­вают значительные тепловые и механические воздействия по сравнению с формой, поэтому стержневые смеси должны иметь более высокие огнеупор­ность, газопроницаемость, податли­вость, малую газотворную способность, легко выбиваться из отливок и т. д.

Стержневые смеси в зависимости от способа изготовления стержней разде­ляют на смеси с отверждением стерж­ней тепловой сушкой; в нагреваемой оснастке; жидкие самотвердеющие сме­си; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом; холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах.

Литниковые системы

Литниковая система– это система каналов, через которые расплавленный металл подводят в полость формы. Литниковая система должна обеспечи­вать заполнение литейной формы с не­обходимой скоростью, задержание шла­ка и других неметаллических включе­ний, выход паров и газов из полости формы, непрерывную подачу расплав­ленного металла к затвердевающей от­ливке.

Рис. 15 Способы подвода расплавленного металла в полость литейной формы

В зависимости от конфигурации и тол­щины стенок отливок 5 и состава заливаемого сплава расплавленный ме­талл в полость литейной формы под­водят сбоку (рис. 15, а), снизу (рис. 15, б) или сверху (рис. 15, в). Литниковая система обычно состоит из литниковой чаши 4 – предназначенной для резервирования жидкого металла с целью непрерывного процесса заливки в полость формы, вертикального ка­нала-стояка 3 – предназначенного для направленного движения жидкого металла в литейную форму, шлакоуловителя 2, пита­телей 1 – предназначенных для подпитки жидким металлом наиболее массивных участков, выпора 6. При подводе метал­ла снизу или сверху используют мас­сивные коллекторы 7.

Изготовление литейных форм

Основные операции изготовления форм (формовки): уплотнение формо­вочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности; устрой­ство вентиляционных каналов для вы­вода газов из полости формы, образу­ющихся при заливке; извлечение мо­дели из формы; отделка и сборка форм. По степени механизации различают формовку ручную, машинную и автоматическую.

Ручную формовкуприменяют для получения одной или нескольких отли­вок в условиях опытного производства, при изготовлении отливок в ремонтном производстве, а также при изготовле­нии крупных (массой 200-300 т) от­ливок. На практике используют раз­личные приемы ручной формовки.

Формовка в парных опоках по разъем­ной моделинаиболее распространена. Литейную форму (рис. 16, е), состо­ящую из двух полуформ, изготовляют по разъемной модели (рис. 16, а) в та­кой последовательности: на модельную плиту 3 устанавливают нижнюю по­ловину модели 1, модели питателей 4 и опоку 5 (рис. 16, б), в которую засыпают формовочную смесь и уп­лотняют. Опоку поворачивают на 180 градусов (рис. 16, в), устанавливают верхнюю половину модели 2, модели шлакоуло­вителя 9, стояка 8 и выпоров 7. По центрирующим штырям устанавливают верхнюю опоку 6, засыпают формовоч­ную смесь и уплотняют. После извлече­ния модели стояка и выпоров форму раскрывают. Из полуформ извлекают модели (рис. 16, г) и модели питателей и шлакоуловителей, в нижнюю полу­форму устанавливают стержень 10 (рис. 16, д) и накрывают нижнюю по­луформу верхней. На рис. 16, е пока­зана литейная форма для корпуса вен­тиля. После заливки расплавленного металла и его затвердевания литейную форму разрушают и извлекают отливку (рис. 16, ж).

Рис. 16 Последовательность операций изготовлении литейной формы для корпуса вентиля

Машинную формовкуприменяют 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 более высокую геоме­трическую точность полости формы, чем ручная формовка, повышает про­изводительность труда, исключает тру­доемкие ручные операции, сокращает цикл изготовления отливок. При ма­шинной формовке формовочную смесь уплотняют прессованием, встряхива­нием, пескометом, вакуумной фор­мовкой и др.

Автоматическую формовкуиспользу­ют в серийном и массовом производст­вах отливок, при этом литейная форма передается последовательно с одной позиции на другую. Этот переход осу­ществляется автоматически различны­ми конвейерами, кантователями, толкателями и другими устройствами. Для автоматической формовки используют­ся формовочные автоматы, формовоч­ные машины для безопочной формовки и автоматические формовочные линии.

Формовочные автоматы, используе­мые для изготовления литейных форм, выполняют все технологические опера­ции без участия человека. Формовочные автоматы используют, как правило, в составе автоматических линий.

Автоматическую безопочную формо­вкуиспользуют при изготовлении форм для мелких отливок из серого, ковкого и высокопрочного чугунов и стали в серийном и массовом производствах. Изготовление литейных форм осущест­вляется на высокопроизводительных пескодувно-прессовых автоматических линиях (рис. 17).

Рис. 17 Схема процесса изготовле­ния безопочных литейных форм на автоматических машинах

Модельная плита 1 закреплена на прессовой машине, плита 3 - на плите противодавления. Модельные плиты 1, 3, боковые стенки и головка 2 образуют формовочную камеру (рис. 17, а), ко­торая заполняется формовочной сме­сью с помощью сжатого воздуха под давлением 0,5-1 МПа. После этого формовочная смесь прессуется плун­жером 4 под давлением до 2 МПа. Модельная плита 3 отходит влево и поворачивается в горизонтальное по­ложение, а уплотненный ком формовоч­ной смеси плунжером 4 проталкивается до соприкосновения с предыдущим ко­мом, образуя полость 5 (рис. 17, б). В результате получается непрерывный ряд форм, которые заливают расплав­ленным металлом из ковша 6. После затвердевания и охлаждения отливок формы подаются на выбивную решет­ку, где отливки 7 освобождаются от формовочной смеси. Смесь поступает на переработку и повторное исполь­зование, а отливки - в обрубное от­деление.

Технология производства отливок

Этапы:

1. Анализ чертежа детали. На этом этапе устанавливают серийность производства отливки (массовое, серийное или единичное производство) и определяют возможность изготовления литейной формы с учетом геометрических размеров детали. Кроме того, устанавливают сложность отливки и возможность ее получения без брака при данном способе литья.

2. Проектирование отливки: а) назначить припуски на механическую обработку. Под припуском на механическую обработку понимают слой металла, удаляемый в процессе резанья с последующим обеспечением чистоты и размера указанного в чертеже детали; б) припуск на усадку металла. Величина усадки зависит от вида материала (сталь – 1,8-2,2%; чугун – 0,7-1,2%; цветные сплавы – 0,4-0,6%); в) исключить сквозные отверстия небольшого размера (≈ 20 мм); г) предусмотреть уклоны и радиусы перехода между сопрягаемыми размерами отливки

3. Проектирование и изготовление модельного комплекта. Модель изготавливается разъемной из нескольких частей. Материалом служит древесина. В состав комплекта входит модель отливки и модель литниковой системы.

4. Проектирование и изготовление литейной формы: детальотливкамодельизготовление стержняизготовление литейной формы

Рис.18 Форма в сборе: 1-опока, 2-литниковая чаша, 3-стояк, 4-шлакоуловитель, 5-стержень, 6-полость литейной формы, 7-вентиляционный канал, 8-выпор, 9-штырь

После заливки расплава в литейную форму проводят охлаждение формы со строго определенной скоростью. после кристаллизации литейная форма разбирается. Извлекается отливка, от которой удаляют литниковую систему и прибыльную часть.