Литье

I.ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

СУЩНОСТЬ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Литейное производство — отрасль машиностроения, за­нимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость ко­торой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет кон­фигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продук­цию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок.

Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких граммов до 300 т, длиной от нескольких сантиметров до 20 м, со стенками толщиной 0,5—500 мм (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые колеса, станины станков, станины прокатных станов, турбинные лопатки и т. д.).

Для изготовления отливок применяют множество способов литья:

в песчаные формы , в оболочковые формы, по выплавля­емым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и др. Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообраз­ностью и другими факторами.

ТИПЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

Всякое производство, в том числе и литейное, характеризуется трудоемкостью и номенклатурой выпускаемой продукции.

Различают следующие основные типы литейного производства:

единичное, серийное и массовое.

Единичное производство характеризуется выпуском в небольших количествах самого разнообразного литья. Производство отдельных отливок может периодически повторяться.

Серийное производство характеризуется периодичным выпуском литья ограниченной или широкой номенклатуры значительными или небольшими партиями.

Массовое производство характеризуется непрерывным выпуском в больших количествах определенной номенклатуры литья. Примером массового производства может служить выпуск в огромных количествах однообразных отливок литейными цехами автомобильных и тракторных заводов.

Серийность производства оказывает большое влияние на выбор методов изготовления форм, на характер применяемого оборудования и работу литейного цеха. Если единичное производство характеризуется применением ручных методов труда, малой механизацией производственных процессов, незначительным количеством применяемой оснастки, то в массовом и серийном рационально применять наиболее технически совершенное и высокопроизводительное оборудование, большое количество специальных приспособлений.

ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛОВ.

Наиболее широкое применение в машиностроительном производстве имеют сплавы Fe с C, т.е. конструкционная и инструментальная стали, серый и ковкий чугун, а также цветные сплавы.

Металлы отличаются характерным металлическим блеском, ковкостью, высокой теплопроводностью и электропроводностью, непрозрачностью.

При нормальной комнатной температуре все металлы(кроме ртути) являются твердыми веществами. Примерно 2/3 всех элементов представляют металлы.

В технике химически чистые металлы не используются. Это объясняется двумя причинами: во-первых, трудностью получения их в промышленном производстве и во-вторых, отсутствием в них технически полезных свойств.

Значительно большее распространение получили так называемые металлические материалы.

Металлические материалы можно разделить на 2 группы:

1. Технически чистые металлы.

2. Сплавы.

Технически чистые металлы – металлы, в состав которых, помимо химически чистого элемента, в небольших количествах входят другие элементы.

Важнейшим промышленным металлом является железо, которое в сплавах с углеродом и другими элементами относят к группе черных металлов: сталь, чугун и ферросплавы. Из общего количества выплавляемых во всем мире металлов около 94% приходится на черные. Все остальные металлы и сплавы относятся к группе цветных металлов. Их принято делить на легкие(плотность до 3г/см³ и тяжелые. Различают также благородные и редкие металлы.

Сплавы – сложные материалы, получаемые путем сплавления одного металла с другими металлами.

Сплавам можно придать самые разнообразные свойства. Поэтому в технике они находят большее применение, чем технически чистые металлы.

В состав металлических сплавов могут входит также и неметаллические вещества, например, углерод, сера, фосфор, бор. Вещества, входящие в состав сплава, принято называть компонентами.

Помимо основных компонентов, в каждом сплаве всегда имеются в небольших количествахпосторонние химические вещества – металлические или неметаллические. Эти вещества в большинстве случаев нежелательные и называются примесями.

ЭЛЕМЕНТЫ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

Литейная форма — это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. На рис. 2, а показана литейная форма для тройника (рис. 2, б). Форма обычно состоит из нижней 2 и верхней б полуформ, которые изготовляют по литейным моделям 7 (рис. 2, г) в литейных опоках 5, 5. Литейная опока — приспособление для удержания формовочной смеси при изготовлении формы. Верхнюю и нижнюю полуформы взаимно ориентируют с помощью цилиндри­ческих металлических штырей 4, вставляемых в отверстия приливов у опок. Для образования полостей, отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 7, которые фиксируют с помощью выступов (стержневых знаков), входящих в соответствующие впадины в форме. Литейные стержни изготовляют по стержневым ящикам (рис. 2, д). Для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему 8 —11 . После заливки расплавленного металла, его затвердевания и охлаждения форму разрушают, извлекая отливку (рис. 2, е).

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

Для производства отливок используются сплавы черных металлов: серые, высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов;

углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов;

медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые

сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые, вольфрамовые и др.

Рис.2 Литейная форма и ее элементы:

а – литейная форма; б – тройник; в – литейный стержень; г – литейная модель; д – стержневой ящик; е –отливка с литниковой системой.

Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свой­ствами (высокой жидкотекучестью, малыми усадкой и склонностью к образованию трещин и др.); требуемыми физическими и эксплуатационными свойствами. Выбор сплава для тех или иных литых деталей сложной задачей, поскольку все требования в реальном учесть не представляется возможным.

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК

Возможность получения тонкостенных, сложных до форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склон­ность к образованию трещин, склонность к поглощению и об­разованию газовых раковин и пористости в отливках и др.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.

Различают физические, механические, технологические и химические свойства металлов.

Физические свойства . К ним относят плотность, теплопроводность, электропроводность и температуру плавления. Перечисленные свойства называются физическими потому, что они обнаруживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением химического состава вещества. Чистые металлы плавятся при t=const, а сплавы в интервале t-p.

Механические свойства . Характеризуют способность детали, изготовленной из определенного материала, выдерживать различные нагрузки или хорошо сопротивляться истиранию при работе машины. К механическим свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность и др.

Прочность сплава определяется величиной усилия, необходимого для разрушения стандартного образца. При этом стальные, алюминиевые и другие образцы испытывают на растяжение (разрыв) и относительное удлинение, а чугунные на изгиб. Кроме того, все литейные сплавы испытывают на твердость.

Твердость сплавов определяют на приборе Бринелля непосредственно на деталях или не отливках (НВ).

Твердость закаленных сталей определяют на приборе Роквелла путем вдавливания в изделие алмазной пирамиды(HRC).

Упругость – способность металла принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

Пластичность(вязкость ) – способность металла изменять первоначальную форму и размеры под действием нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения ее действия. Это свойство особенно важно при выборе сплавов для ковки, штамповки и прокатки.

Обрабатываемость резанием – способность металла изменять свою форму под действием режущего инструмента.

Ковкость – способность металла принимать новую форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без нарушения его целости (малоуглеродистая сталь).

Свариваемость – способность металлов образовывать прочные соединения при нагреве свариваемых частей до расплавленного или до пластического состояния. Хорошей свариваемостью обладают стали с низким содержанием углерода. Плохо свариваются чугун, медные и алюминиевеы сплавы.

Жидкотекучесть – способность металла заполнять тонкие очертания полости формы. При недостаточной жидкотекучести расплавленный металл заполняет форму и отливка становится браком. Жидкотекучесть прежде всего зависит о химического состава, от температуры перегрева: чем она выше, тем больше жидкотекучесть.

Величину жидкотекучести определяют по технологической пробе – длин заполненной сплавом части полости контрольной литейной формы.

Усадка — свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных еди­ницах.

Линейная усадка - линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку опре­деляют соотношением, % :

Eлин=(lф - lот)100/lот,

где lф и lот - размеры полости формы и отливки при температуре 20°С.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, темпера­тура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют соотношением, %,

Eоб=(Vф – Vот)100/Vот,

где Vф и Vот – объем полости формы и объем отливки при температуре 20⁰ С.

Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними.

Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания.

Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристалли­зации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кисло­рода), серы и других примесей.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаж­даются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность.

Коробление — изменение формы и размеров отливки под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении.

III. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В ПЕСЧАНЫХ ФОРМАХ

МОДЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКТ

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,. модели элементов литниковой системы и другие приспособления.

Литейная модель (рис. 3, а) - приспособление, при помощи которого в литейной форме получают полость с формой и размерами близкими к конфигурации получаемой отливки. Литейные модели бывают неразъемными, разъемными, с отъемными частями

и др.

Модельная плита (рис. 3, б) — металлическая плита с закрепленными на ней моделями и элементами литниковой системы. Ее применяют, как правило, при машинной формовке.

Стержневой ящик (рис. 3, в) — приспособление, слу­жащее для изготовления стержней. Стержневые ящики бывают цель­ными, разъемными, вытряхными и др.

а) б)

Рис. 3. Литейная модель (а), модельная плита (б) и стержневой ящик (в) для корпуса вентиля:

/ — центрирующие шипы; 2 — стержневые знаки; 3 — центрирующие штыри; 4 —.метал­лическая плита; 5 — модели отливок; 6 — модели элементов литниковой системы

Рис. 4. Чертежи детали (а) и литейно-модельных указаний (б) для корпуса вентиля.

Припуск на механическую обработку 1 — слой металла, удаляемый в процессе механической обработки от­ливки с ее обрабатываемых поверхностей для обеспечения заданной

геометрической точности и качества поверхности детали.

Формовочные уклоны 4 служат для удобства извлечения модели из формы без ее разрушения и для свободного удале­ния стержня из стержневого ящика. Уклоны выполняют в направлении извлечения модели из формы.

Галтели 5 — скругления внутренних углов поверхностей модели. Галтели облегчают извлечение модели из формы, предотвращают появление трещин и усадочных раковин в отливке.

Конфигурация стержневых знаков и их размеры должны обеспечивать легкую установку стержней в форму и их устойчивость. С этой целью предусматривают специальные замки. Припуски на механическую обработку, формовочные уклоны, галтели, размеры стержневых знаков регламентированы ГОСТами.

Модели и стержневые ящики для единичного и серийного производства изготовляют деревянными, а для массового производства— из чугуна, алюминиевых сплавов, пластмассы.

ФОРМОВОЧНЫЕ И СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ

Формовочные материалы — это совокупность природных и искусственных материалов, используемых для приготовления фор­мовочных и стержневых смесей. В качестве исходных материалов используют формовочные кварцевые пески и литейные формовочные глины. Глины обладают связующей способностью и термохимической устойчивостью, что позволяет получать отливки без пригара.

Формовочная смесь — это многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных форм. Формовочные смеси по характеру ис­пользования разделяют на облицовочные, наполнительные и единые.

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 в глины). Облицовочные и наполнительные формовочные смеси ис­пользуют при изготовлении 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.

Формовочные смеси должны иметь высокую огнеупорность, доста­точную прочность и газопроницаемость, пластичность, податли­вость и т. д.

Огнеупорность — способность смеси и формы сопротивляться размягчению или расплавлению под воздействием температуры рас­плавленного металла. Чем крупнее песок, тем меньше в нем примесей и пыли и чем больше кремнезема, тем более огнеупорна смесь. При низкой огнеупорности на поверхности отливки образуется пригар - прочное соединение формовочной или стержневой смеси с поверхностью отливки.

Прочность — способность материала формы не разрушаться при извлечении модели из формы, транспортировании и заливке форм. Прочность формовочной смеси увеличивается с увеличением содер­жания глины, с уменьшением размеров зерен песка, плотности.

Газопроницаемость — способность смеси пропускать через себя газы. Газопроницаемость тем выше, чем больше песка в формовочной смеси и чем он крупнее, а также чем меньше содержание глины в фор­мовочной смеси.

Пластичность — способность деформироваться без разрушения и точно воспроизводить отпечаток модели.

Податливость — способность формы или стержня сжиматься при усадке отливки.

Стержневая смесь — это многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных стержней. Стержни при заливке расплав­ленного металла испытывают значительные тепловые и механиче­ские воздействия по сравнению с формой, поэтому стержневые смеси должны иметь более высокую огнеупорность, газопроницаемость, по­датливость, малую газотворную способность, легко выбиваться из отливок и т. д.

Жидкостекольные смеси, используемые для изготов­ления литейных стержней и литейных форм, приготовляют из кварцевых песков с содержанием не более 3,5 % глины, связующего мате­риала — жидкого стекла с добавкой 10 %-ного раствора едкого

натра. Отверждение смеси осуществляется продувкой углекислым газом.

Холоднотвердеющие смеси (ХТС), используемые для стержней, приготовляют из кварцевого песка, связующих ма­териалов — карбамидофурановых, фенолоформальдегидных смол и др. В качестве катализаторов применяют ортофосфорную или азот­ную кислоту и ее соли. Продолжительность отверждения смесей составляет 1—20 мин.

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.

СБОРКА И ЗАЛИВКА ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ. ОХЛАЖДЕНИЕ, ВЫБИВКА И ОЧИСТКА ОТЛИВОК.

Сборка литейных форм начинается с установки нижней полуформы 1 на заливочную площадку или тележку конвейера (рис.5, а). Затем в последовательности, указанной в технологи­ческой карте или на сборочном чертеже, устанавливают стержень / (рис. 5, б) и стержень //, после этого нижнюю полуформу по цен­трирующим штырям 3 накрывают верхней полуформой 2 (рис. 5, в}. Устойчивое положение стержней обеспечивается стержневыми знаками, Верхнюю полуформу с нижней скрепляют болтами, скобами или накладывают груз.

Заливка литейных форм —процесс заполнения полости литейной формы расплавленным металлом из чайниковых (рис. 6, а), барабанных (рис. 6, б) и других ковшей. Ковш с расплавленным Металлом от плавильных печей к месту разливки перевозят мостовым краном или по монорельсовому пути.

Важное значение при заливке форм имеет выбор температуры заливки расплавленного металла. При повышенной температуре за­ливки возрастает жидкотекучесть металла, улучшается питание от­ливок, но горячий металл более газонасыщен, сильнее окисляется, вызывает пригар на поверхности отливки. В то время как низкая температура заливки увеличивает опасность незаполнения полости формы, захвата воздуха, ухудшается питание отливки. Температуру заливки сплавов целесообразно назначать на 100—150 °С выше тем­пературы ликвидуса.

Автоматизация заливки литейных форм обеспечивает высокую точность дозировки металла, облегчает труд заливщика, повышает производительность труда.

На рис. 7 приведена схема автоматической заливочной уста­новки для заливки серого чугуна в формы, в которой раздаточное устройство 7, имеет кольцевой индуктор 6 для подогрева и переме­шивания


29-04-2015, 04:04