технология литейного производства

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Институт цветных металлов и материаловедения

Саначева Г.С. Степанова Т.Н. Баранов В.Н. Губанов И.Ю.

ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Конспект лекций

Красноярск

2008 г.

1

3

МОДУЛЬ 1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ РАЗОВЫХ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ

ЛЕКЦИЯ 1.

ТЕМА: ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК

План лекции

1.Этапы совершенствования технологии литейной формы.

2.Краткий обзор развития литейного производства в России.

3.Понятие литейной формы.

4.Последовательность изготовления разовой литейной формы.

Этапы совершенствования технологии литейной формы. Археологи-

ческие исследования показывают, что первые отливки появились около 6,5 тыс. лет тому назад на территории Анатолии (современная Турция), Месопо- тамии и Ирана. К 4-5 тысячелетию литейная технология распространилась на Кавказ, северную Африку и Европу. Развитие технологии изготовления ли- тейных форм можно разбить на четыре этапа:

1.Примитивная технология – от начала возникновения до XIV в. н.э. (примерно 5800 лет). На этом этапе отливки изготовляли преимущественно из медных сплавов и бронз: в начале периода – из меди, в конце – частично из драгоценных металлов. Существовало четыре способа литья: формы, полу- ченные вдавливанием эталона (модели) во влажную глину; каменные формы; глиняные формы, полученные по восковым моделям; начиная с VII в. н.э. формы, изготовляемые по шаблонам вращения (котлы). Имело место исклю- чительно индивидуальное производство предметов быта, культа, а в конце периода оружия. Письменных документов по технике литья этого времени не сохранилось.

2.Ремесленная технология – от XIV в. до середины XIX в. (около 550 лет). Четырнадцатый век стал переломным в истории литейного произ- водства и металлургии. Возникло производство чугуна, – резко расширились масштабы производства металлических изделий; литье превратилось в само- стоятельное ремесло и приобрело серийный характер. Появился ряд способов литья в песчано-глинистые формы, получаемые в опоках по извлекаемым мо- делям. Первоначально применяли естественные песчано-глинистые пески, заменяемые позднее синтетическими смесями. Для улучшения их свойств в формовочные смеси вводили вино, мочу, солевые растворы, уксус, сусло и др. Получили дальнейшее развитие шаблонная формовка, изготовление форм в почве и в кусках (художественная). Модели делали только из дерева. Основ- ным литейным материалом наряду с бронзой стал чугун. Ручная формовка

4

достигла совершенства.

К концу этапа начали применять кокильное литье. Во все возрастающих масштабах отливали колокола, пушки, детали. Общее число применяемых способов литья составляло 12. Появились первые печатные описания техники изготовления отливок, которые входят как раздел в новую науку – техноло- гию, которую возглавлял в России акад. В. М. Севергин.

3.Промышленная технология – от середины XIX в. до конца XX в. В

это время организуется механизированное массовое производство огромного числа отливок из чугуна, стали, промышленных сплавов на любой основе и неметаллических материалов. Создаются новые способы машинного изготов- ления форм путем прессования, встряхивания, пескометом из формовочных смесей на основе песка и других огнеупорных материалов. Разрабатываются

многочисленные специальные способы литья в металлические и оболочковые формы. Происходит химизация литейного производства, ведущая к примене- нию широкого ассортимента синтетических связующих добавок в формовоч- ные смеси.

4.Автоматизация – конец XX в. Он характеризуется созданием автома- тических линий формовки, применением роботов при выполнении тяжелых операций, автоматизацией технологической подготовки литейного производ- ства на основе ЭВМ.

Краткий обзор развития литейного производства в России. В России литье металлов и сплавов производилось со времен начала Русского государ- ства, т.е. еще в Киевской Руси. Однако значительное развитие литейное дело получило со времени объединения Руси Иваном III под главенством Москвы.

Сэтих пор начинается в больших масштабах отливка пушек сначала из брон- зы, а затем из чугуна. Русская артиллерия того времени становится самой мощной в мире.

С расширением литейного производства совершенствовались и его тех- ника. С тех пор наше литейное производство благодаря талантливости рус- ских мастеров дало много замечательных памятников и непревзойденных об- разцов отливок.

Так, в 1586 г. знаменитым московским литейщиком Андреем Чоховым была отлита находящаяся в Московском Кремле бронзовая Царь-пушка, или Дробовик, весом 2400 пуд. (39400 кг), калибром 730 мм, с весом ядра 120 пуд. (1970 кг) и заряда пороха 30 пуд. (490 кг) (рис. 1).

Другой московский литейщик – Иван Моторин вместе со своим сыном Михаилом отлил в 1735 г. из бронзы величайший в мире Царь-колокол, веся- щий 12000 пуд. (196800 кг), – поразительный образец литейного искусства как по своей величине, так и по изяществу формы и отделке.

Грандиозной и непревзойденной отливкой является бронзовый памят- ник Петру I в Санкт Петербурге – «Медный всадник» (рис. 2). Это огромная пустотелая статуя весом 1350 пуд. (22100 кг) имеет в верхней своей части толщину стенки всего 7,5 мм. Статуя отлита жившим в России французским

5

скульптором и литейщиком Фальконе. Подготовительные работы продолжа- лись 6 лет, а формовка, отливка и чеканка 2 года. Памятник был открыт в

1782 г.

С изобретением чугуна и началом его применения в артиллерии Мос- ковское государство начало строить доменные заводы. Так возникли первые русские чугунолитейные тульско-каширские заводы (30-е годы XVII в.), ко- торые отливали пушки, ядра и гранаты, котлы, гири, печные плиты и пр. Ин- тересно отметить, что производительность доменных печей на этих заводах в 2 раза превышала производительность английских доменных печей того вре- мени.

Во времена Петра I с его многочисленными войнами, основанием Пе-

тербурга и постройкой балтийского флота увеличился спрос на чугунные пушки, ядра и гранаты. В связи с этим возникает и развивается огромная по тому времени уральская металлургия (первая половина XVIII в.). Приблизи- тельно к этому же времени относится постройка ряда самостоятельных ли- тейных заводов, не зависимых от доменных металлургических заводов. Чугун на этих новых заводах получался уже путем переплавки доменного чушково- го чугуна и лома в вагранках и пламенных печах. Этим было положено нача- ло самостоятельному чугунолитейному производству [1].

XIX век знаменуется тем, что в литейное дело, как и в другие области промышленности, впервые проникает наука. Литейное дело с дедовскими приемами и секретами работы постепенно превращается в литейное произ- водство с научным обоснованием технологических процессов.

Среди работ первостепенной важности в области науки о металлах в XIX в. следует назвать работы русского ученого Д.К. Чернова – основопо- ложника современного металловедения, без которого невозможным было бы создание тех высокопрочных и специальных марок сталей и других сплавов, являющихся основой машиностроения нашего времени.

Однако, в старой, дореволюционной России машиностроение было от-

6

сталым участком народного хозяйства. Поэтому и литейное производство не получало большого развития.

Рассматривая исторический процесс совершенствования литейного производства в нашей стране можно отметить следующие основные направ- ления его развития в области литейных сплавов и металлургических процес- сов, в области технологии и в области механизации.

Вобласти литейных сплавов, применяемых для фасонного литья, про- цесс развития литейного производства характеризуется, прежде всего, науч- ным изучением чугуна как литейного материала и повышением его прочно- стных свойств. Нормы прочности отливок из перлитного чугуна были резко повышены по сравнению со старыми нормами на обычный серый чугун.

В30-х годах появляется чугун еще более высокого класса – модифици- рованный, получаемый с помощью малых добавок в ковш. Наконец, совре- менный чугун со сфероидальным графитом, получаемый с помощью моди- фицирования жидкого чугуна в ковше магнием, церием и др., имеет примерно

вдвое более высокую прочность по сравнению с обычным серым чугуном и обладает значительной пластичностью.

Кроме усовершенствования чугуна как литейного материала, в ходе

развития литейного производства исследуются и совершенствуются свойства

иметоды получения ковкого чугуна и сталей для фасонного литья. Особенно большие успехи достигнуты в освоении легированных сталей, обладающих различными особыми физическими, химическими, электрическими и механи- ческими свойствами. Наконец, реактивная техника наших дней потребовала создания и освоения еще более новых, особых жаростойких и сверхтвердых литейных сплавов типа виталиума и др.

Вобласти технологии литейного производства внимание было направ- лено главным образом на разрешение проблемы точности отливок и сниже- ния их трудоемкости. Сюда относятся такие средства, как научное изучение и

улучшение формовочных и стержневых материалов с применением новых их видов. Возможности получения точных и хорошего качества отливок еще бо-

лее расширились благодаря разработанным методам скоростной формовки с применением быстросохнущих смесей и продувки форм углекислотой, при- менению для крупных отливок оболочковых форм на основе химически твер- деющих смесей. Для изготовления мелких отливок разработаны процессы ли- тья в корковые формы на основе смоло-песчаных смесей и литья по выплав- ляемым моделям. Вследствие возросшей точности получаемых отливок стало возможным резкое сокращение объема их механической обработки, что зна- чительно снижает трудоемкость и стоимость деталей машин на заводе. Это направление на дальнейшее сокращение обработки резанием за счет овладе- ния гарантированной точностью геометрии отливок, особенно крупногаба- ритных и сложных, и является, пожалуй, главным в современном производст- ве машиностроительного литья.

Основные понятия и термины. Согласно ГОСТ 18169-86, литейная

7

форма есть «система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка». Элементы, обра- зующие рабочую полость, изготавливают по отдельности, и при сборке они составляют литейную форму. Ниже приведены элементы формы.

1.Основные части формы. Они образуют те поверхности рабочей по- лости, которые оформляют преимущественно внешние поверхности отливки. Внешние боковые поверхности частей формы образуются опокой либо стен- ками кессона. В первом случае с частью формы можно производить сбороч- ные, транспортные или иные манипуляции; во втором случае соответствую- щая часть формы неподвижна. Если формовка производится в двух опоках, то при заливке их называют верхней и нижней полуформами. В тех случаях, ко- гда после изготовления части формы опока снимается, а при заливке для прочности заменяется кожухом, формовку называют безопочной. Поверх- ность соприкосновения двух полуформ называют разъемом (иногда ладом).

2.Литейные стержни образуют те поверхности рабочей полости, кото- рые оформляют преимущественно внутренние поверхности отливки, создавая

вних полости и углубления. Сборочные и транспортные операции со стерж- нями выполняются с помощью знаков. Знаки представляют собой выступы на стержнях, вставляемые при сборке в соответствующие углубления форм.

3.Холодильники, создающие условия для ускоренного охлаждения от- дельных частей отливки.

4.Жеребейки, обеспечивающие правильное положение стержней в формах. Подавляющее большинство неметаллических материалов, из кото- рых изготавливаются литейные формы, являются дисперсными системами, основу которых образуют зерна огнеупорных соединений, чаще всего кварца. Такие системы называют формовочными материалами. Различают исходные формовочные материалы и приготавливаемые из них формовочные смеси, подразделяемые на собственно формовочные смеси и стержневые смеси. В составе формовочных смесей выделяют огнеупорную зерновую основу; свя- зующие добавки, обволакивающие поверхность зерен и обеспечивающие превращение дисперсной смеси в монолит, и технологические добавки, обес- печивающие требуемый уровень технологических свойств смеси. Формовоч- ную и стержневую смеси, использованные в технологическом процессе полу- чения отливки и освобождающиеся после ее охлаждения, называют отрабо- танной смесью.

Для образования поверхностей литейной формы служит модельно- опочная оснастка. Опоки представляют собой ящики без дна и крышки, в ко- торых изготовляется верхняя и нижняя полуформы; опоки оформляют на- ружные боковые поверхности форм. Они имеют приспособления для транс- портировки и сборки полуформ. Модели служат для получения рабочих по- верхностей полостей форм, а стержневые ящики – для получения стержней. Стержневые ящики имеют вид сосудов, в которых стержневая смесь приобре- тает заданную конфигурацию и размеры.

8

Процесс изготовления литейных форм и стержней (с помощью модель- но-опочной оснастки) из формовочных и стержневых смесей называют фор- мовкой. Формовка означает не только уплотнение формовочной смеси, в нее входит также заполнение рабочей полости формы смесью, удаление оснастки и сборка формы, т.е. установка и закрепление стержней, установка частей ли- тейной формы друг на друга, их скрепление между собой и загрузка. Приго- товление формовочных смесей, получение литейных форм, упрочнение сме- сей, взаимодействие форм с отливками при их формировании в совокупности называют формовочными процессами.

При изготовлении литейной формы встречают три вида изготовления модели, формы и отливки. На рис. 3 изображены схемы расположения по- верхностей модельного комплекта и формы. Форма (рис. 3, а) представлена с заформованной половиной модели 3, лежащей на модельной плите 1 в опоке 2. Стержень (рис. 3, б) находится в стержневом ящике 7. Рабочая поверхность литейной формы 4 выделена жирной линией; именно по этой поверхности форма после заливки вступит в контакт с отливкой. Поверхности, по которым элементы литейной формы соприкасаются друг с другом, можно назвать тех- нологическими – это поверхности разъема частей формы 6 и знаковые по- верхности 5.

Рис. 3. Расположение рабочих и технологических поверхностей в модели и форме (а), в стержневом ящике и стержне (б)

После сборки литейной формы производится ее заливка жидким рас- плавом. После затвердевания и охлаждения отливки осуществляются финиш- ные операции, которые состоят из выбивки отливки из формы, очистки, об- рубки, а также из исправления дефектов.

В качестве примера рассмотрим изготовление разовой формы для от- ливки «Тройник» (рис. 4, а). Чтобы получить ту или иную отливку в разовой форме, прежде всего, требуется сделать для нее модельный комплект, кото- рый состоит из модели и стержневых ящиков. Модель имеет конфигурацию аналогичную отливке, но размеры ее больше на величину усадки металла. В

данном случае модельный комплект выполнен из дерева и состоит из модели и одного стержневого ящика. Разъемная модель (рис. 4, б) состоит из двух частей 2, которые соединяются друг с другом по плоскости разъема с помо-

9

щью шипов.

Рис. 4. Последовательность изготовления разовой формы: а – деталь; б – модель; в – стержень; г, д, е, ж – операции изготовления формы; з – отливка

Полость отливки выполняется стержнем, который изготавливают из стержневой смеси, уплотняемой в специальном стержневом ящике (рис. 4, в). После уплотнения смеси ящик разбирают, извлекают стержень, высушивают его и затем устанавливают в форму. Выступающие части стерж- ня 1 называют знаками; знаки служат для установки стержня в форме. Части 2 модели (рис. 4, б), с помощью которых в форме получаются стержневые зна- ки, называют знаковыми.

Для изготовления формы нижнюю половину модели и модели питате- лей 10 (рис. 4, з), предназначенных для подачи металла в полость формы, ус- танавливают на модельную плиту 7, затем ставят опоку 8 (рис. 4, г). Чтобы формовочная смесь не прилипала к поверхностям модели и плиты, их посы- пают сухим разделительным составом (графитом или ликоподием). В опоку сначала насыпают облицовочную формовочную смесь слоем 20-25 мм, затем

10