3.1 Изготовление литых деталей

Литейное производство – отрасль, производящая фасонное и заготовительное литьё.

Фасонным литьём получают отливки, близкие по форме и размерам к готовым деталям.

Литьё является экономически выгодным способом производства. Во многих случаях это единственный способ изготовления деталей, особенно когда требуется изготовить деталь большой массы и сложной формы. Кроме того малопластичный чугун, не поддающийся ковке и штамповке с успехом используется для производства фасонных отливок.

В машиностроении 50% по массе составляют литые детали. В производстве РЭА также используется много литых деталей: каркасы, корпусы, рамы, обрамления и т.д.

Технология производства отливок складывается из следующих процессов:

- изготовление модели;

- изготовление формы;

- приготовление жидкого металла;

- заливка металла в формы;

- выбивка отливок из формы;

- обрубка, очистка, контроль.

Существуют следующие способы фасонного литья:

- в песчаные формы;

- в оболочковые формы;

- по выплавляемым моделям;

- в кокиль, под давлением, центробежное.

Все способы фасонного литья, кроме литья в песчаные формы, называют специальными способами литья.

В литейном производстве применяются очень много различных сплавов на основе железа, алюминия, магния, меди, цинка, кобальта, никеля, титана.

Сплавы, применяемые для литья отличаются по составу, температуре плавления, вязкости, химической активности, прочности и пластичности.

Основным законом конструирования является технологичность отливки – простота формы, плавность переходов от утолщений к тонким местам, необходимой конусности.

Отливки должны иметь равномерную толщину и прямолинейные очертания стенок и наиболее простой разъем модели.

Стенкам придаётся уклон по высоте.

Базовые и обрабатываемые поверхности необходимо располагать в одной и той же половине формы, а когда базами при механической обработке являются бобышки, то их располагают как можно дальше одну от другой.

При конструировании необходимо учитывать деформацию деревянных моделей, неточности изготовления формы, неточности в выборе усадки. Отклонения в размерах отливок установлены ГОСТом: для серого чугуна – 1-2 мм для отливок размером до 100 мм и 5-10 мм для отливок до 2000 мм. Отклонения межосевых расстояний отверстий 1% для деталей до 500 мм. Острые углы сопрягают радиусом R = 1/3 ÷ 1/4 толщины стенки, но не менее 3 мм для алюминиевых сплавов и 5 мм для магниевых.

Сборные конструкции заметно упрощают производство отливок. Внутренние полости должны быть такими, чтобы избежать и упростить стержни. Минимальные отверстия: сталь – 8-10; чугун – 6-8; медь – 5-7; алюминий – 4-5 мм.

Литьё в песчано-глинистые формы

Таким образом, изготовляют ~80% всех отливок. Сущность процесса состоит в том, что в приготовленную песчано-глинистую форму заливается жидкий металл, а после его охлаждения форма разрушается для извлечения отливки. Такие формы называют разовыми.

Формы изготовляют из формовочных смесей в опоках при помощи моделей и другой модельно-опочной оснастки.

Сущность процесса весьма проста, однако производство отливок является сложным и трудоёмким. Разберём этот процесс по порядку.

Прежде всего, нужно изготовить модель будущей отливки и другую оснастку.

В комплект модельно-опочной оснастки входят: модели, плиты, стержневые ящики, опоки и т.д.

Чтобы понять, что и для чего и освоить терминологию рассмотрим последовательность изготовления отливки методом литья в песчаные формы:

(к) РИС 92 – кадр 1

Модели служат для образования внешних контуров отливки в форме. Они могут быть из дерева или металла в зависимости от серийности.

Модели выполняют с учётом припусков на механическую обработку и усадку металла, т.е. они больше по размерам, чем отливка или деталь.

Для хорошего извлечения модели из формы они имеют уклоны ~1º и обычно бывают разъёмные или составные. Для центрирования половин используют типы:

(к) Рис 64 – кадр 2

Линейная усадка в % определяется как:

(22)

где lm и l0 – длина модели и отливки. Колеблется от 1 до 2,5% для разных сплавов.

Кроме основных моделей имеются модели литниковых систем, которые служат для образования каналов для поступления в форму жидкого металла. Такая система состоит из чаши, стояка, шлакоуловителя, питателя.

Литниковые системы имеют несколько типов:

(к) Рис 85 – кадр 3 (площади сечений рассчитываются)

Модели окрашиваются по ГОСТ в красный цвет для чугуна, синий – стали, жёлтый – для цветного. Стержневые знаки – в чёрный.

Стержневые ящики служат для изготовления песчаных стержней и они тоже могут быть деревянными или металлическими. Как и модем их изготовляют с учётом усадки и припусков на механическую обработку.

Вообще изготовление моделей требует высокой квалификации исполнителя, широко используется деревообрабатывающее и металлорежущее оборудование.

Подмодельные плиты служат для установки на них моделей и опок.

Опоки (обычно стальные) служат для удержания формовочной смеси и образования литейной песчаной формы. Для фиксации верхней и нижней части используют штыри:

(к) Рис 68 – кадр 4

В качестве исходных формовочных материалов служат пески и глины.

Кварцевые пески делятся на несколько классов в зависимости от содержания глины: просто кварцевые (к), тощие(Т), полужирные(П), жирные(Ж), очень жирные(ОЖ); последние содержат от 30 до 50% глины.

Их разделяют также по величине зёрен от грубых (0,1 - 0,4 мм) до пылевидных(0,05 мм).

Для связывания зёрен в формовочные смеси добавляют глины, для придания лучших свойств взамен глины вводят другие связующие: сульфитно-спиртовую барду, смолы, битумы, жидкое стекло(водный раствор селиката натрия – Na2О*m*SiO2).

Песок, глину и твёрдые добавки сушат, дробят и просеивают.

Выбор состава формовочной смеси зависит от сплава, например для чугунного литья: 8-10% глины, ~1% каменного угля, ~ 5% воды, остальное -песок.

Примерно такой же состав имеет смесь для изготовления стержней.

Применяются также и специальные смеси, в которых кварцевые пески заменяются высокотеплопроводным материалом с высокой газопроницаемостью (хромит, хромомагнезит).

К вспомогательным материалам относятся различные припылы и краски для устранения пригара.

Наибольшее применение получили сырые формы, однако стержни применяют в сухом виде.

Как известно стержни служат для образования отверстий и полостей, изготовляют их в стержневых ящиках вручную или на машинах пескодувных, пескострельных, встряхивающих и т.д., затем стержни сушат при 150-240 ºС 2-3 часа в сушилках или ТВЧ. Время изготовления стержней можно уменьшить, если применить твердеющие смеси на основе различных смол.

В зависимости от вида производства, размеров и массы отливок применяют следующие способы формовки:

- Ручная формовка в почве;

- Ручная формовка в опоках;

- Машинная формовка в опоках.

Основной является машинная формовка, так как повышается качество, производительность, снижается себестоимость.

Для машинной формовки нужно иметь: универсальные подмодельные плиты, точные металлические модели и взаимозаменяемые опоки. Порядок изготовления формы машинным способом можно проследить по:

(к) Рис 75 – кадр 5

Иногда необходима сушка формы(при изготовлении крупных чугунных и стальных отливок) – это делается при t < 400 ºC от 6 до 40 часов.

Важным моментом является сборка форм – фиксация верхней и нижней половин.

(м) Рис 13 – кадр 6

Теперь, когда всё готово, пора приготовить металл, но прежде следует сказать о литейных свойствах сплавов.

К хорошим литейным свойствам относятся: высокая жидкотекучесть, малая усадка, незначительная ликвация, низкая способность поглощать газы.

Жидкотекучесть – способность заполнять полость; для определения используют спиральную пробу и по длине спирали судят о жидкотекучести. Высокой жидкотекучестью обладают серый чугун, силумин, цинковые и медные сплавы, например для Al-2 (10-12% Si) жидкотекучесть = 60-65 см.

Усадка – уменьшение линейных размеров; с ней связаны рыхлость, коробления, раковины и трещины.

Ликвация – образование неоднородности химического состава в разных частях отливки.

Газопоглощаемость - способность поглощать газы (азот, водород, кислород). С повышением температуры увеличивается Г и это понижает литейные и технические свойства.

Образование усадочной раковины показано на:

(к) Рис 87 ­– кадр 7

Одной из важных операций является заливка форм.

Формы заливают на плацу, рольгангах и конвейерах из ручных или крановых ковшей.

Емкость ручных ковшей не превышает 50 кг, а крановых 200 тонн и более. Ковши футерованы огнеупорным материалом.

Температура заливки: для серого чугуна 1250-1400 °С, стали - 1500-1600 °С, бронзы ~ 1150 °С, алюминий и магний ~ 750 °С.

Время охлаждения зависит от металла, массы, толщины стенок и колеблется от минут до суток.

Выбивка отливок из форм производится при температурах от 300 до 600 °С на выбивных решетках. Для удаления стержней используют пневматические вибрационные машины, а также под действием водяной струи.

Для удаления литников используют кувалды, барабаны, газовую резку, беззубые пилы (диски), а также ленточные и дисковые пилы, пресс-кусачки и обрубные штампы.

Для снятия внутренних напряжений проводят термическую обработку: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Основные дефекты: спаи, ужимы, наросты, пригар, раковины, рыхлоты, трещины, коробления, перекос, разностенность, недолив, отклонения по свойствам и ТУ, отбел.

Дефекты выявляются различными методами контроля.

Разметкой на столах проверяют геометрию, периодически разрезают для проверки внутренних поверхностей, разностенности, смещений.

Внутренние дефекты выявляют рентгеноспанией и ультразвуком.

Наружные дефекты выявляют люминесцентным путем; отливку покрывают слоем жидкости, способной светиться, затем моют, сушат и наносят силикагель, который впитывает фторесцир. раствор и светится в лучах.

При магнитной дефектности отливку намагничивают и покрывают порошком и по искажению силовых линий судят о дефектах.

Если дефект недопустим, то отливки уходят в брак и на переплавку.

Способы исправления: правка, заварка, пропитка.

Правке подвергают отливки имеющие коробление.

Заварку осуществляют дуговой или газовой сваркой и жидким металлом.

Для пропитки используют бакелит, полистирол.

Основное достоинство метода литья в песчаные формы состоит в универсальности, можно получать отливки разнообразной формы, габаритов и массы.

Основные недостатки: невысокое качество, много брака, большой расход металла, других материалов, высокая трудоемкость, плохие условия труда. Песчаная форма служит только один раз.

Разработку технологии изготовления отливки начинают с выбора метода литья с учетом сплава, конструкции, массовости и возможностей цеха.

Процесс разработки по схеме:

1. На чертеж детали наносят контуры модели и литейные указания. По этому чертежу проектируется и изготавливается модельно-опочная оснастка.

2. Оформляется технологическая карта с указанием последовательности операций и методики получения отливки.

3. Разработка чертежа литейной формы с разрезами и сечениями с указанием верха, низа и линии разъема.

Литье чугунное, стальное, цветное.

Основная масса фасонных отливок выполняется из чугуна. Он прочен, дешев и имеет высокие литейные свойства.

Чугун может быть серый, белый, ковкий и другие. Чаще используют серый чугун; он имеет ~ 3,5% С, ~ 2,5% Si, ~ 0,5% Mn и тоже P.

Белые чугуны обладают высокой твердостью и износоустойчивостью, у них меньше C, Si, Mn и P и ~ 0,06% Cr, из них изготавливают ковкий чугун по специальному режиму отжига.

Плавка чугуна осуществляется в вагранках.

(к) Рис 93 – кадр 8.

Вагранка – шахтная печь, состоит из стального футерованного кожуха 8, опирается на плиту 19 и колонны 20.

Загрузка шахты производится бадьёй. Внизу расположены формы для подачи воздуха, вверху труба и искрогаситель. Чугун стекает в горн, затем через 22 в котельник 13. Выпуск через 23, а шлак через 18.

Процесс плавки: сначала разжигают дрова, затем слой кокса выше уровня фурт 14, дают дутьё и далее шихту.

В процессе плавки имеет место угар отдельных компонентов. Заливку форм производят при температуре 1250-1400 ºС. Кроме вагранок используют электропечи, но они не всегда выгодны из-за высокой стоимости электроэнергии.

Литейные свойства сталей, особенно легированных ниже, чем у чугуна.

Сталь заливается в формы при 1520-1600 °С. Отливки из сталей подвергаются отжигу для снятия напряжений, а для легированных закалке и отжигу.

Сталь плавят в электропечах т.к. можно получить сталь с высокой температурой(до 2000 °С), что важно для увеличения жидкотекучести.

Для цветного литья используют в основном бронзы, латуни и алюминий. Бронзы – БрОЦС-5-5-5 и др. Латуни – ЛС 59-1л и др. Алюминиевые сплавы делятся на несколько групп: на основе Аl-Si (Ал-2, Ал-4), на основе Al-Mg (Ал-8), на основе Al-Cu-Si (Ал-3) и т.д.

Для приготовления медных сплавов применяют тигельные, дуговые и индукционные электропечи. Для алюминиевых сплавов используют камерные электрические поворотные печи:

(к) Рис 95 – кадр 9.

Плавка ведётся под слоем флюса(50% NaCl; 35% KCl).

Для измельчения зерна и получения более плотных отливок силумины модифицируют, для чего применяют чистый натрий и его соли. Алюминиевые сплавы заливают при температуре 720-250 °С. Магниевые сплавы используют в самолётостроении, лучшие литейные свойства у марок МЛ-4, МЛ-5. Эти сплавы подвержены загоранию и плавку ведут под слоем флюса в стальных тиглях.

Титановые сплавы лёгкие, но температура 1670° и высокая химическая активность; плавку и заливку ведут в среде аргона.

Специальные виды литья

а) Литьё по выплавляемым моделям

Это такой метод, при котором полость в огнеупорной оболочке образуется за счёт выплавления легкоплавкой смеси.

(к) Рис 96 – кадр 10.

Здесь из состава(50% парафина и 50% стеарина) в пресс-форме 1 получают точную модель отливки 3, модели собирают в блоки, на блок окунанием наносят облицовочное покрытие 6(это силикат и кварцевая пыль), затем обсыпка кварцевым песком 7, просушка 8 и это несколько раз до толщины оболочки 2,5 – 3 мм; далее выплавление модели в термошкафе или горячей воде 9, оболочку помещают в жакет 11, засыпают песком и прокатывают в печи 13, заливается жидкий металл 14 и после разрушения оболочки готовая отливка 15 идёт на отрезку литника и зачистку.

(н) Рис 26 – кадр 11.

На многих заводах эти процессы механизированы.

Достоинства: высокая точность, чистота поверхности, возможность получения сложных и тонкостенных отливок из разных сплавов массой от грамм до 100 кг.

Недостатки: длительность процесса(~2 суток), высокая стоимость, форма служит один раз, однако это часто окупается устранением трудоёмкой механической обработки.

Сам по себе метод был известен 4000 лет назад как метод восковой формовки, в России – памятник Петру Ι, Минину и Пожарскому и др. Затем зубопротезное дело.

С 1940 г. когда применили новый связующий материал этилселикат; этот метод пошёл в промышленность.

б) Литьё в оболочковые формы

Это такой метод, при котором отливки получаются в форме, состоящей из двух песчано-смоляных оболочек. Оболочки выполняют из мелкого кварцевого песка с добавкой термореактивной смолы, например, ПК-104(фенолформальдегидная). При 140-160 °С смолы расплавляются и обволакивают зёрна песка, а при повышении температуры до 250-300 °С необратимо твердеют.

При заливке металла в форму уже при 600 °С смола, не расплавляясь сгорает, образуя в оболочке поры для выхода газов.

В формовочной смеси смолы 6-8%, в стержнях 4-5%. Сборка верхней и нижней оболочек обеспечивается фиксаторами типа выступ-впадина.

Нанесение сухой песчано-смоляной смеси на модельную оснастку производится с помощью поворотного бункера, рамки или пескодувным способом.

(к) Рис 97 – кадр 12.

Здесь в бункер 2 засыпают смесь 3, затем на верхнюю открытую часть бункера крепят нагретую(220-260 °С) и обработанную разделительным составом плиту с моделью 1, далее поворот на 180 °. Модельная оснастка находится под смесью 20-25 секунд и получается толщина оболочки 8-10 мм; далее всё это в печь при 260-900 °С.

Твёрдые оболочки и стержни, полученные аналогично собирают, склеивают быстродействующим клеем, устанавливают в металлические ящики, засыпают чугунной дробью или песком, заливают жидкий металл и получают отливку 12. После затвердения металла форму разрушают.

Достоинства: точность, чистота поверхности, малые припуски, меньше расход материалов.

Недостатки: высокая стоимость смеси и оснастки.

Так делают коленвалы и чугунные ребристые цилиндры для мотоциклов.

в) Литьё в кокиль

Это такой метод, когда жидкий металл заполняет рабочую полость металлической формы под действием собственной силы тяжести.

Кокиль обычно состоит из двух половин с горизонтальным и вертикальным разъёмом. Чаще кокили выполняют из серого чугуна, стойкость определяется числом отливок:

Для алюминия – до 50000;

Для медных сплавов – 3000÷10000;

Для стали и чугуна - 100÷5000.

Стержни тоже металлические: сталь У7, У10, 30ХГСА, иногда песчаные.

Для закрытия и открытия формы используют станки:

(н) Рис 50 – кадр 13

(н) Рис 52 – кадр 14

(н) Рис 53 – кадр 15

(м) Рис 29 – кадр 16

На рабочую поверхность кокиля наносят теплоизоляционный слой краски, она воспринимает тепловой удар, устраняет приваривание, облегчает в нём отливки.

Процесс состоит из следующих операций:

1. Подготовка кокиля(окраска, подогрев, закрытие).

2. Заливка металла мерным ковшом.

3. Охлаждение.

4. Удаление стержней и раскрытие кокиля.

5. Удаление литников и зачистка.

Достоинства: точность, производительность, не надо смесей, лучшие условия труда.

Недостатки: высокая стоимость кокиля, трудоёмкость получения отливок из серого чугуна.

г) Литьё под давлением

Это такой метод литья, когда жидкий металл заполняет полость металлической формы под принудительным большим давлением(~1000 кгс/см²).

Отливка ведётся на специальных машинах, которые бывают трёх типов: с холодной горизонтальной камерой, с холодной вертикальной камерой и с горячей вертикальной камерой прессования.

(к) Рис 99 – кадр 17.

Схема процесса литья в машине с холодной горизонтальной камерой:

(н) Рис 62 – кадр 18;

(н) Рис 74 – кадр 19.

После закрытия формы в цилиндр заливают порцию металла. Плунжер передвигаясь перекрывает заливочное отверстие и запрессовывает металл в полость. После затвердевания включают механизм открытия.

Первые два типа машин используют для литья из алюминия, сплавов меди и магния, третий тип для целиковых сплавов. Камеры располагают по разному:

(н) Рис 67 – кадр 20.

Формы могут быть многогнёздными, совмещение половин – по колонкам, охлаждение водой.

Формы стальные из 5ХНМ, Х12М закалённые, выдерживают до 5000 запрессовок из алюминия, форму смазывают после каждой запрессовки смесью парафина, воска, вазелина и графита.

Преимущества этого литья: производительность, точность, возможность получить стенку до 0,5 мм. и отверстие до 1 мм. Трудоёмкость снижается в 10 раз.

Недостатки: высокая стоимость форм и машин, затруднённая отливка чёрных металлов, ограничены размеры и вес отливок.

д) Центробежное литьё

Здесь жидкий металл заполняет полость формы под давлением центробежноё силы, форма вращается, металл отбрасывается к стенке, твердеет и образует пустотелую отливку. При этом используют машины с горизонтальной и вертикальной осью вращения:

(к) Рис 101 – кадр 21.

Таким образом можно получать трубы, диски, моховики, колдьца, орудийные стволы и т.д.

Формы изготавливают из чугуна или жаропрочных сталей, во время работы охлаждают. Центробежным литьём можно получать отливки с двухслойными(биметаллическими) стенками из разных металлов).

Из других специальных видов литья следует отметить литьё в керамические формы а также жидкую штамповку.

Схему литья в керамические формы можно разобрать по:

(н) Рис 97 – кадр 22.

Смешивается песок и кварцевая пыль, их смешивают с этим силикатом, вводят раствор щёлочи, после затвердевания модель ставят на плиту и поджигают спирт. Через 10-15 минут форму прокаливают. То же со второй полуформой. Затем их собирают и заливают. Высокая стоимость связующих ограничивает применение,

Сущность жидкой штамповки состоит в том, что порцию жидкого металла заливают в матрицу штампа и подвергают давлению пуансона.