Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


14.3 Специальные способы литья

Выше было отмечено, что литьё в песчано-глинистые формы связано с большим грузооборотом формовочных материалов, очень трудоёмко и не всегда позволяет получать качественные отливки. В последние годы в литейном производстве всё более широкое применение получают специальные способы литья, имеющие ряд преимуществ по сравнению с традиционным литьём в разовые песчано-глинистые формы. Удельный вес отливок, получаемых этими способами, постоянно увеличивается.

К специальным способам литья относятся литьё в постоянные металлические формы, литьё по выплавляемым моделям, литьё в оболочковые формы, центробежное литьё, литьё под давлением и др.

Основным преимуществом этих способов литья является возможность получать более точные и с лучшей поверхностью отливки, уменьшить потери от брака, сократить расход металла и трудоёмкость механической обработки, а также улучшить санитарно-гигиенические условия и повысить производительность труда.

Рассмотрим некоторые из этих способов.

Литьё в металлические формы. Сущность способа состоит в получении отливок путём заливки расплавленного металла в металлическую форму, называемую кокилем. По конструкции эти формы могут быть неразъёмными и разъёмными. Неразъёмные кокили применяют для получения отливок сравнительно простой конфигурации, которые можно удалять без разъёма формы. Чаще всего используются разъёмные кокили, состоящие из двух и более частей. В таких кокилях можно получать более сложные и крупные отливки.

Металлические формы изготовляют из серых чугунов или легированных сталей. Стойкость кокилей зависит от материала и размеров отливки и самого кокиля.

Для увеличения срока службы кокиля и улучшения качества отливок внутреннюю поверхность форм покрывают облицовками и красками, которые образуют тонкое огнеупорное покрытие. Облицовки и краски наносят пульверизатором или кистью. Для чугунных отливок облицовку наносят два-три раза в смену до 1мм, окраску — перед заливкой на слой облицовки.

Внутренние полости в отливках получают путём применения металлических стержней, изготовляемых чаще всего из сталей марок У7, У8, У10. Для образования полости сложной конфигурации наряду с металлическими могут применяться и песчаные стержни.

Кокиль с вертикальной плоскостью разъёма показан на рис.43.

Рабочая температура кокиля зависит от вида заливаемого сплава и находится в пределах 200…300°С. Эта температура поддерживается в течение всего процесса работы. Заливка металла в холодный кокиль может привести к выбросу металла. Кроме того, подогрев формы смягчает тепловой удар, который испытывают её рабочие поверхности в момент заливки металла, и тем самым удлиняет срок службы формы.

Литьё в кокили применяется в основном при изготовлении деталей из цветных сплавов, обладающих меньшей температурой плавления и меньшей склонностью к образованию трещин. Стойкость металлических форм при заливке алюминиевых сплавов доходит до 300 тыс. заливок, а при отливке чугунных деталей обычно не превышает 150…300 заливок.

Технологический процесс кокильного литья состоит из следующих основных операций: подготовка кокиля к заливке (окраска, сборка, подогрев), его заливка жидким металлом, охлаждение отливки до её затвердевания, раскрытие кокиля и удаления из него отливки, удаления литников и зачистка отливки.

В массовом и серийном производстве применяют специальные машины для литья в металлические формы. При этом механизируются операции по закрыванию и открыванию форм, выемке отливок, установке и выемке стержней, выбивке отливок из формы.

Литьё в кокиль, особенно с использованием специальных литейных машин, позволяет в 3…4 раза повысить производительность по сравнению с литьём в песчано-глинистые формы.

Кроме того, при литье в металлические формы улучшаются механические свойства отливок, что обусловлено высокой скоростью охлаждения залитого металла; примерно на 30…40% уменьшается брак отливок; снижается трудоёмкость заливки, выбивки и очистки литья; резко сокращаются грузопотоки и необходимые площади производственных и складских помещений; примерно на 25…30% становится меньшей себестоимость отливок; значительно улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Однако этому способу присущ ряд существенных недостатков. Главными из них являются высокая трудоёмкость изготовления металлических форм, особенно для производства фасонных отливок со сложными внутренними и внешними очертаниями; трудность получения тонкостенных отливок, что обусловлено высокой теплопроводностью стенок формы и возможностью преждевременного затвердевания металла в тонких сечениях отливки.

Область применения кокильного литья достаточно обширна, особенно для изготовления отливок из алюминиевых, магниевых и медных сплавов сравнительно несложной формы.

Литьё по выплавляемым моделям. Получение отливок этим способом производится в разовые оболочковые формы, получаемые выплавлением легкоплавких моделей, на которые предварительно нанесено огнеупорное покрытие. Этот способ литья особенно эффективен для получения сравнительно мелких деталей сложной конфигурации. Причём качественные отливки можно получить практически из любых сплавов.

Для приготовления модельных составов используют парафин, стеарин, церезин, торфяной воск или их смеси. Наиболее часто легкоплавкие модели изготовляют из смеси парафина со стеарином в соотношении 1:1. Такой состав имеет невысокую температуру плавления – около 55°С, хорошую жидкотекучесть. Модели получают путём запрессовки расплавленного модельного состава в металлические пресс-формы. В мелкосерийном производстве для этой цели используют ручные шприцы.

Изготовление каждой отдельной отливки, особенно небольших размеров, нецелесообразно. Поэтому мелкие модели группируют в блоки, собирая их на общем стояке (рис.44,а). Присоединение моделей производится посредством литниковых ходов (питателей) с помощью обычного электропаяльника или нагретого ножа. Собранный таким образом блок моделей называют иногда “елкой”. Применение блоков значительно увеличивает производительность труда на последующих операциях приготовления литейной формы. Использование общей литниковой системы, кроме того, даёт значительную экономию металла.

Формирование огнеупорной оболочки заключается в окунании модельного блока в ванну со специальной керамической обмазкой. Чаще всего это смесь молотого маршалита с гидролизованным раствором этилсиликата. После окунания мокрые блоки обсыпаются сухим кварцевым песком и сушатся в течение 4…5 часов на воздухе. Покрытие обычно состоит из 3…5 слоёв. Образующаяся при этом оболочка литейной формы имеет толщину 4…6 мм. Выплавление модельного состава производиться обычно в ваннах с горячей водой, нагретой до 70…85°С. Этот способ технически прост и обеспечивает возврат модельного состава до 90…95%. Выплавленный состав возвращается на повторное использование.

После этого елки обжигаются в специальных печах при температуре 900…950°С. При этом из форм удаляются остатки парафина и завершается процесс их твердения. Перед обжигом елки устанавливают в специальные ящики и для устойчивости засыпают песком.

Заливку жидким металлом проводят в горячие формы сразу же после их прокаливания, часто центробежным способом (рис.44,б). После охлаждения отливок песок легко удаляют при опрокидывании ящиков. Оболочка формы обычно частично растрескивается в процессе затвердевания залитого металла и затем легко удаляется на вибрационных стендах. Под действием вибрации отливки могут отваливаться от стояка. Они легко отбиваются также обычным молотком. После этого отливки зачищают на наждаках и направляют в механический цех для последующей обработки на металлорежущих станках.

Литьё по выплавляемым моделям часто называют способом точного литья. При его применении значительно уменьшается, а в ряде случаев исключается механическая обработка, а, следовательно, и расход металла в стружку. Кроме того, облегчается изготовление деталей из труднообрабатываемых сплавов. Однако весь технологический процесс получения отливок этим методом является достаточно продолжительным и технически сложным, что сказывается на стоимости отливок.

Литьё в оболочковые формы. Оболочковые формы представляют собой сухие тонкостенные оболочки толщиной 8…15 мм. Получают их из специальных составов, твердеющих от тепла металлических моделей и стержневых ящиков. В качестве формовочного материала используют смесь мелкозернистого кварцевого песка (наполнитель) и термореактивной смолы (связующее) в количестве 6…7 % от массы смеси.

Приготовленная смесь наносится на разогретую до 200…250°С модельную плиту с металлической моделью, которая предварительно покрывается тонким разделительным слоем силиконовой эмульсии или раствора каучука в уайт-спирите. Смесь вначале плавится, а затем затвердевает в результате реакции отверждения термореактивного полимерного связующего. Механизм отверждения был рассмотрен в разделе 13. Излишек формовочной смеси удаляют. С целью повышения механических свойств полученной оболочки, зависящих от степени отверждения нанесённого на модель состава, модельную плиту с оболочкой помещают на 2…3 мин в печь с температурой 300…350°С. После извлечения из печи оболочку с модели снимают и направляют на сборку формы.

Сборка и заливка собранной оболочковой формы показана на рис.45. Крупные формы для предохранения от коробления и преждевременного разрушения устанавливают в контейнеры и засыпают чугунной дробью.

Литьё в оболочковые формы применяется главным образом для изготовления мелких и средних по массе заготовок (2…15 кг) повышенной точности преимущественно тонкостенных. Одним из достоинств этого способа литья является большая геометрическая точность и высокое качество поверхности отливок, сравнительно невысокая трудоёмкость изготовления форм, а также выбивки и очистки литья. К недостаткам литья в оболочковые формы можно отнести применение в качестве связующего дорогостоящих термореактивных смол и технологической оснастки. Кроме того, при отливке достаточно массивных заготовок из чугуна и стали смола в оболочковых формах в процессе заливки быстро выгорает, что сказывается на качестве поверхности получаемых отливок.

Центробежное литьё. Сущность получения отливок этим способом заключается в том, что залитый во вращающуюся форму жидкий металл распределяется по стенкам формы за счёт центробежных сил инерции.

Центробежное литьё осуществляется на специальных машинах с вертикальной или горизонтальной осью вращения (рис.46).

В машинах с вертикальной осью вращения (рис.46,а) металл из ковша 1 заливают во вращающуюся форму 2. Под действием центробежных сил металл отбрасывается к стенкам формы (изложницы), растекается вдоль них и затвердевает. В таких машинах стенки отливки получаются несколько неравномерными по высоте. Более толстые сечения получаются в нижней части отливки. Этот способ применяется для получения отливок сравнительно небольшой толщины — коротких втулок, колец, венцов и т.п.

Машины с горизонтальной осью вращения (рис.46,б) применяют для отливки чугунных и стальных труб, гильз, втулок и других отливок типа тела вращения большой длины. В таких машинах можно получать, например, трубы диаметром до 300 мм и длиной до 5 м.

Центробежным литьём обеспечивается хорошее заполнение формы, в том числе и для сплавов с пониженной жидкотекучестью. Кроме того, возможность получения более тонкостенных отливок. При центробежном получении труб, втулок и других деталей типа тела вращения нет необходимости использовать стержни, литники, выпоры. Однако в сплавах, склонных к ликвациям, она усиливается от действия центробежных сил. Химический состав таких отливок оказывается неоднородным по объёму.

Литьё под давлением. При этом способе литья расплавленный металл подаётся поршнем машины под принудительным давлением в разъёмную стальную форму, называемую пресс-формой. Литьё под давлением применяют главным образом для алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов. Подача металла в форму под значительным давлением позволяет получать отливки сложных очертаний с толщиной стенок 1,0…3,0мм, а в отдельных случаях до 0,6мм. Получаемые отливки имеют высокую точность размеров и качество поверхности. Масса получаемых отливок может быть от нескольких граммов до нескольких килограммов. Стоимость пресс-форм достаточно высокая, поэтому применяют этот способ литья в массовом производстве, когда имеется необходимость в сотнях и тысячах отливок. Механическая обработка отливок незначительна, а в отдельных случаях вообще не нужна.

Для литья под давлением используются специальные машины поршневого действия с холодной или горячей камерой прессования. Производительность таких машин очень высокая — до 3000 отливок в час при работе в автоматическом режиме. Давление поршня при прессовании до 200 МПа.

Машины с холодной камерой прессования (рис.47) применяют для литья алюминиевых, магниевых и медных сплавов. При этом в камеру 2 заливается дозированное количество металла из отдельной печи, после чего производится прессование. При движении вниз плунжер 1 давит на металл, перемещает вниз пяту 4, в результате чего открывается питательных канал 3 и металл заполняет полость пресс-формы 5. Затвердевание отливки длится несколько секунд, после чего подвижная часть пресс-формы 8 отходит, форма разнимается и отливка 7 легко извлекается. При подъёме плунжера и пяты литник 3 перекрывается, а плита выталкивает пресс-остаток 6.

Машины с горячей камерой прессования (рис.48) применяют для изготовления отливок из сплавов с температурой плавления до 450°С (цинковых, свинцовых, оловянных). При поднятом плунжере 3 (как на схеме) сплав через отверстие 2 заполняет камеру 1. При движении вниз плунжер перекрывает отверстие и сплав заполняет пресс-форму 4, где и затвердевает. Затем плунжер поднимается и металл из канала сливается в камеру, а пресс-форма раскрывается и отливка выталкивается из неё.

Пресс-формы изготавливают из легированных инструментальных сталей и подвергают закалке с высоким отпуском. Стоимость пресс-формы примерно в 3…5 раз превышает стоимость кокиля. Рабочую поверхность пресс-формы перед заливкой покрывают смазкой на основе минеральных масел с графитом, что уменьшает износ формы и облегчает извлечение отливки. Перед началом работы пресс-форму подогревают и поддерживают температуру в пределах 200…300°С.

При изготовлении тонкостенных отливок сложной конфигурации из цветных металлов и сплавов литьё под давлением является наиболее приемлемым и производительным методом.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите сплавы, используемые в литейном производстве.
2. Что такое литейные свойства сплавов и как они влияют на качество отливок?
3. Расскажите о составе формовочных смесей и способах их приготовления.
4. Расскажите о назначении модельного комплекта и его элементов.
5. Опишите технологию получения отливок в песчано-глинистые формы. В чём особенности этого способа литья
6. В чем состоит сущность и возможности изготовления отливок в металлических формах?
7. В чем состоит сущность изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям? Каковы возможности этого способа литья?
8. Опишите технологию получения отливок в оболочковые формы. Каковы возможности этого способа литья?
9. Поясните технологию центробежного литья и возможные области его использования.
10. Каковы особенности литья под давлением?

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008

Экспертиза

на главную