3.2 Литейное производство

Литейным производством называется процесс получения фасонных отливок путем заполнения жидким металлом изготовленных для этой цели форм, где залитый металл затвердевает.

Методом литья в зависимости от применяемой технологи можно получить законченные изделия или заготовки, которые затем подвергают механической обработке.

Отливки можно изготавливать из чугуна и стали, меди и алюминия, медных, алюминиевых и других сплавов цветных и мерных металлов. Литьем можно получить детали массой от нескольких граммов (например, детали приборов) до сотен тонн (например, станины крупных станков) с толщиной стенки от 0,5 до 100 мм и более самой сложной конфигурации.

В настоящее время мировое производство литья составляет более 8-107 т в год и охватывает более 1/3 всех операций изготовительного производства. В общем машиностроении оно (по массе) занимает более 60% производства всех деталей машин. Литьем получают как многие металлоемкие, сложные по форме, но малоответственные изделия вроде батарей отопления, так и весьма ответственные детали, какими являются автомобильные блоки цилиндров, поршни, турбинные лопатки, колеса, всевозможные станины, лопасти гидротурбин и другие изделия. Питейное производство широко используется в авиастроении, судостроении, приборостроении, радиоэлектронике, ракетостроении и атомной энергетике - при изготовлении отливок из тугоплавких сплавов. Большой спрос на литье наблюдается в химическом машиностроении, где широко используются трудно обрабатываемые жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы.

Наибольшее количество литья - около 70 % от массы in ох отливок - производят из серого чугуна, далее идет стальное ии1ье (около 20 %), литье из ковкого чугуна (около 8 %), из медных, алюминиевых, титановых и цинковых сплавов.

Современное литейное производство использует около 50 Различных технологий, при этом наиболее часто применяемыми являются следующие виды литья: в песчано-глинистые формы, в металлические формы (кокиль), под давлением, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, центробежное литье, электрошлаковое литье, а также литье под низким давлением, вакуумным всасыванием, выжиманием, жидкой штамповкой.

Формы для заливки металлом применяются разовые (для одной заливки с последующим разрушением) и многоразовые. Рассмотрим основные виды литья.

Литье в песчано-глинистые формы находит широкое применение при производстве крупногабаритных заготовок преимущественно из чугуна и стали. Для его технологического обеспечения изготавливается модельный комплект - набор приспособлений и инструментов, необходимых для изготовления формы. В этот набор входят:

• модель отливки - деревянное изделие, полностью соответствующее по форме и размерам будущей отливке и предназначенное для получения в песчано-глинистой смеси соответствующей полости;

• стержневые ящики - для изготовления стержней, которые устанавливаются в форму с целью создания внутренних полостей или отверстий в отливке;

• модель литниковой системы - деревянное приспособление, предназначенное для образования в песчано-глинистой смеси системы каналов, подводящих расплав в полость формы и отводящих газы;

• опока - приспособление в виде жесткой рамы (открытого ящика), служащее для удержания в нем формовочной смеси при изготовлении форм, транспортирования и заливки металлом;

• подмодельная плита - приспособление, на котором монтируются рассмотренные выше элементы.

Операции могут выполняться вручную, механизированными и автоматизированными способами.

Модельная оснастка изготавливается из дерева, металл.), пластмасс, гипса и др. материалов. Выбор материала оснастки зависит от применяемой технологии литья и серийности производства отливок.

Приготовление формовочных и стержневых смесей состоит в подготовке и смешивании формовочных материалов, к которым относятся огнеупоры (кварцевый песок, шамот - огне упорный кирпич); связующие для придания смеси прочности (глина, смолы, жидкое стекло).

Технологический процесс литья состоит из следующих операций. На подмодельную плиту устанавливается опока, в нее - нижняя часть модели, затем все засыпается глинисто-песчаной смесью, утрамбовывается, и накалываются отверстия для выхода газов. Затем опока переворачивается, на нее устанавливается верхняя часть модели и вторая опока. Снова засыпается смесью, устанавливаются литниковые модели и делаются отверстия для выхода газов. Затем верхняя опока снимается, модель вынимается, вставляются стержни под будущие отверстия, форма собирается, сушится и поступает под заливку. Процессы формовки, как правило, механизированы.

После застывания металла форма разбивается, выбиваются стержни, отливка поступает на обрубку литника и выпора и на зачистку.

Литье в оболочковые формы применяют при массовом производстве отливок небольших размеров (до 1 м и массой до 200 кг), преимущественно тонкостенных. Формовочная смесь падает на нагретую модель, плавится, обволакивает тонким слоем модель и образует на ее поверхности пленку толщиной 6-8 мм. При обратном повороте бункера в нем остается избыток смеси, а на форме образуется оболочка. Для завершения реакции образования пленки оболочку вместе с плитой помещают на 30-40 сек. в печь, нагретую до 250-300°С. Затвердевшую оболочку снимают с плиты толкателем, спаривают с другой оболочкой (полуформой) зажимами или склеивают и получают форму.

Собранную форму помещают в металлический ящик, засыпают песком и заливают металлом. После затвердевания отливки легко освобождаются от оболочки. В оболочковые формы заливают чугун, сталь, а также сплавы цветных металлов.

Литье в оболочковые формы имеет ряд преимуществ: формовка легко автоматизируется с выдачей до 500 оболочек в час; точность отливок в оболочковые формы - 0,3-0,7 мм на 100 мм размера при высоком качестве поверхности, поэтому сокращается или отпадает необходимость механической обработки; расход формовочных материалов в сравнении с формовкой в опоках сокращается в 8-18 раз, отпадает необходимость в опоках.

Литье по выплавляемым (выжигаемым) моделям состоит в том, что модель изготавливается из легкоплавкого или сгораемого материала, выплавляющегося (или сгорающего) при заливке формы металлом.

Технологический процесс состоит из этапов:

1) изготовление пресс-формы для производства моделей деталей и литниковых систем;

2) изготовление выплавляемых моделей путем заполнения пресс-формы легкоплавким жидким или пастоообразным составом (чаще из смеси стеарина с парафином);

3) изготовление моделей литниковой системы того же состава;

4) сборка моделей и литниковой системы и покрытие их огнеупорным составом из порошкообразного кварцевого песка с

добавкой раствора этилсиликата или жидкого стекла в качестве связующего; этот облицовочный состав при прокаливании форм образует прочную оболочку и обеспечивает точность отливки;

5) сборка модели в опоке;

6) заливка металлом с выплавкой (или выжиганием) модели. Получаемые отливки отличаются точностью изготовления

и чистотой обработки. Изготавливают режущий инструмент, лопатки турбин и т.д.

Изготовление отливок центробежным литьем состоит в том, что жидкий металл заливают во вращающуюся литейную форму. Она вращается до застывания металла отливки. При этом металл центробежной силой прижимается к стенкам формы, что обеспечивает получение плотных, с повышенной прочностью отливок, так как газы и неметаллические включения, обладающие меньшей плотностью, вытесняются во внутренние полости отливки и затем их удаляют механической обработкой.

Ось вращения формы может быть горизонтальной, вертикальной и наклонной. Если диаметр отливки значительно меньше ее длины (трубы, гильзы, втулки), то ось вращения формы размещают горизонтально. Если же диаметр отливки больше, чем ее высота (колеса, шкивы, шестерни), то ось вращения располагают вертикально

Использование высокопроизводительных центробежных установок, отсутствие стержней и работ, связанных с их производством, намного повышают производительность труда, а отсутствие литниковой системы значительно экономит металл.

Центробежное литье применяют в массовом, серийном и индивидуальном производстве отливок из различных сплавов в металлических и песчаных формах. Этим способом отливают фановые трубы (рис.4.8, в), цилиндровые втулки, шестерни, шкивы, орудийные стволы и т.д.

Изготовление отливок в металлических формах (кокилях) заключается в том, что вместо разовой песчано-глинистой формы используют металлическую форму, называемую кокилем. Обладая по сравнению с песчано-глинистыми формами приблизительно в 60 раз более высокой теплопроводностью, кокили обеспечивают мелкозернистую структуру отливок, что повышает их прочность. При кокильном литье отпадает необходимость в модельно-опочной оснастке, в формовочных и стержневых смесях, что дает большую экономию, повышает точность изготовления и чистоту поверхности. Обслуживание кокилей не требует высокой квалификации. Недостаток кокилей - их высокая стоимость, что позволяет применять их только в серийном и массовом производстве. Кроме того, при этом способе могут появляться трещины на отливке при ее остывании из-за неподатливости металлических пресс-форм. Литье в кокиль применяется при массовом производстве отливок из черных и цветных металлов.

Сущность литья под давлением состоит в том, что пресс-форма заливается жидким металлом под принудительным давлением. Литье под давлением применяют главным образом для алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов. Давление обеспечивает быстрое и хорошее наполнение пресс-формы, высокую точность и малую шероховатость поверхности. Так как стоимость пресс-формы высокая, то литье под давлением применяют только в массовом производстве, когда в одной и той же форме можно получить до тысячи и более отливок. Производительность машин очень высокая - до 1000 отливок в час при работе в автоматическом режиме.