Современное литейное производство

В дореволюционной России литейное дело было слугой «двух господ» - искусства и промышленности, так как наряду с колоколами и скульптурами производило заготовки деталей машин. В настоящее время оно выросло в самостоятельную отрасль промышленности. Не монументы и скульптуры, а детали космических ракет и сверхзвуковых самолетов, многотонные лопасти и корпуса турбин крупнейших в мире ГЭС, огромные форштевне кораблей-лайнеров, ажурные корпуса точных приборов, детали металлорежущих станков, автомобилей и других машин являются основной продукцией современного литейного производства.

Больших высот в своем развитии достигли сварка, обработка металлов давлением, холодная обработка металлов и др. Однако, как принято говорить на машиностроительных заводах, «все начинается с литья».

Подавляющая часть металла начинает служить людям только предварительно пройдя через изложницы или литейные формы. Конечно, заготовки деталей машин можно производить ковкой, штамповкой, сваркой и другими способами обработки. Однако наиболее простым и дешевым способом их получения считают литье. Почему? Потому, что характерной его особенностью является универсальность, т.е. возможность получения самых разнообразных по конфигурации и техническим свойствам фасонных отливок из серого и ковкого чугуна, углеродистых и легированных сталей, бронз и латуней, алюминиевых, магниевых, титановых и других металлических сплавов. При этом масса отливок колеблется в пределах от 10 г до 300 т, длина – от 1 см до 20 м, а толщина стенок – от 0,3 до 500 мм.

Высокие механические и эксплуатационные свойства, а также экономичность отливок обуславливают их широкое применение в различных отраслях промышленности, и особенно в машиностроении, где литые детали составляют от 25% (в сельскохозяйственных машинах) до 90% (в металлорежущих станках) общей массы машин. С учетом этого литейное производство по праву считают основой машиностроения.

Состояние литейного производства в современной России. Литейное производство и в современной России является основной заготовительной базой машиностроения, его развитие зависит от уровня машиностроительного комплекса в целом. Общее количество предприятий, входящих в машиностроительный комплекс России, составляет около 7500 единиц. Доля машиностроения в общем промышленном выпуске продукции составляет около 20%.

В современных условиях отдельным отраслям промышленности присущи различные темпы развития. Удельная доля отраслей в общем объеме машиностроительного производства составляет: автомобильная - 56%; электротехническая - 14%; тяжелое и энергетическое машиностроение - 8%; химическое и нефтяное машиностроение - 4%; дорожное и коммунальное машиностроение - 3,5%; станкостроение и приборостроение - 2,5%.

В каждой из перечисленных отраслей важное место занимает изготовление комплектующих.

Литейное производство выгодно отличается от других заготовительных производств (поковки, штамповки, сварки) тем, что методом литья, возможно, изготавливать заготовки, максимально приближенные по геометрии к самым сложным деталям машин. При современных литейных технологиях коэффициент использования металла достигает 95-97% в цветном литье и более 80% - в чугунолитейном производстве. Без сомнения, литейное производство и в будущем сохранит лидирующее положение среди заготовительных производств.

Сегодня мониторинг литейного производства России выявил ряд прогрессивных тенденций:

1.Подавляющий объем производства жидкого металла обеспечивается в электрических печах, что является одним из непременных условий обеспечения качества основной продукции.

2.Высокими темпами развивается производство стержней и форм из холоднотвердеющих смесей различного состава, что в полной мере соответствует преобладающему в регионе индивидуальному и мелкосерийному характеру производства. Это позволило расширить применение безопочной формовки отливок для более крупных групп по массе. Важным фактором повышения качества поверхности отливок явилось расширение применения вакуумно-пленочной формовки.

3.Обеспечивается до 15% от общего выпуска продукции в производстве отливок специальными способами (по выплавляемым моделям, по газифицируемым моделям, под высоким давлением, в оболочковые формы, в кокиль и др.). Будущее литейного производства - создание техноло­гических систем с полной автоматизацией всех опера­ций, оптимальными режимами процесса с минимальны­ми выделениями вредных отходов, обеспечивающих получение отливок любой номенклатуры и серийности при высокой эффективности производства. Cпециальные способы литья позволяют решать эту задачу эффективнее, поэтому один из пионеров этих видов литья - Н.Н. Рубцов говорил, что специальным видам литья в данном виде производства принадлежит будущее. За последние годы меняются приоритеты в развитии технологических процессов литейного производства России в сторону их совместимости с окружающей средой. На первый план выходят экологические аспекты производства, которые определяются вредными выбросами в атмосферу, жестко регламентируемыми Киотским протоколом.

Развитие литейного производства в нашей стране осуществляется гармонично. Это значит, что одновременно с непрерывным ростом выпуска отливок огромное внимание уделяется их качеству: совершенствованию механических и эксплуатационных свойств, повышению точности и снижению шероховатости поверхности. Все это, вместе взятое, обеспечивает рост долговечности машин и литых конструкций. Благодаря ужесточению требований, предъявляемых к машинам, в последние годы заметно изменился характер производимых отливок. Вместо простых по конфигурации, тяжелых, с большой толщиной стенок заготовок ныне производятся сложные, тонкостенные и более легкие литые конструкции, повышенная прочность которых обеспечивается коробчатой формой, а также наличием ребер жесткости. Повышение точности и качества поверхности отливок в современных условиях достигается благодаря всемерному развитию специальных способов литья.

В связи с отмеченными выше особенностями современных отливок, разработкой новых литейных сплавов, а также улучшением свойств давно используемых сплавов, область применения фасонных отливок в машиностроении все более расширяется за счет сокращения числа заготовок, получаемых ковкой, штамповкой, сваркой и другими способами. Дизельные и автомобильные коленчатые валы, выхлопные клапаны, распределительные валы, шатуны-вот далеко не полный перечень ответственных деталей машин, которые ранее производились из стальных поковок, а в последние годы стали получать литьем.

Художественное литье. Художественное литье как самостоятельная область литейного производства начинается развиваться в России с конца XVII века. Петр I, помимо инженеров, техников, специалистов военного дела, приглашал в Россию на службу также и представителей науки и искусства в лице художников, скульпторов, литейщиков и т.д. нередко имели место случаи, когда скульпторы были одновременно литейщиками, чеканщиками, механиками и т.д.

Еще в первую свою поездку за границу (1697 г.) Петр I принял на службу пушечного мастера Филиппа Шпекле, который помимо отливки пушек и артиллерийских припасов «лепил орнаменты» и отлил в 1714 г. по царскому указу статую Самсона, раздирающего льва. Статуя эта была изготовления для Петергофского фонтана по модели одного из приглашенных на русскую службу голландских скульпторов (Кнака или Дефриза).

Прекрасным доказательством этого может служить договор, заключенный им с Лефортом при поступлении на русскую службу. По этому договору Растрелли «…обязуется работать в службе три года во всех художественных ремеслах, которые он сам имеет, т.е.: для планов и строений всяких созидати, для садов, фонтанов и бросовых вод (или тех, которые прыскают); в кумироделии всяких фигур и украшений в мраморе, порфире и твердых камнях; для литья и выливания всяких фигур такой величины, как пожелают, в меди, свинце или железе; для литья и деланья многих изрядных вещей из стали; для составления всяких притворных марморов разных цветов; в рези штемпелев для медалей и монет; для делания портретов из воску и в гипсе, которые подобны живым людям; для писания фигур и кумиров в марморе и камне подобно живым людям; для делания декораций (или прикрас) и машин к театрам оперским и комедиантским; обязуется он взять в свою службу тех людей русского народу, которых изволит ему дать ради научения и обучения в тех художествах и ремеслах, которые он сам знает».

Наиболее ярким примером таланта К.Б. Растрелли могут служить отлитые им, или по его моделям, следующие произведения искусства.

Бронзовый бюст Петр I год исполнения – 1723. Эта работа замечательна как по портретному сходству, так и по исключительно тщательной отделке деталей.

Конная статуя Петр I была вылеплена в уменьшенной модели самим Растрелли в 1720 г. и отлита после его смерти итальянским литейщиком Мартелли. При всей своей сухости статуя производит сильное впечатление более жизненным, нежели в монументуре Фальконе, портретным сходством.

В 1732-1741 гг. Растрелли создал свое наиболее удачное произведение – статую императрицы Анны с арапчонком

Бронзовый бюст Петра (1723г.)	Конная статуя Петр I (1720 г.)

Статуя императрицы Анны с арапчонком, 1741 год	Франческо Бартоломео Растрелли (1700-1771)

Большое внимание на развитие русской скульптуры, в частности, на сам процесс изготовления художественного литья оказал скульптор Э.М. Фальконе, работающий в течение двенадцати лет (1766-1778 гг.) над моделью и отливкой статуи Петра I (Медный всадник). Около года потратил Фальконе на изготовление формы, установку литников, постройку печей, сушку формы и другие вспомогательные работы и 24 августа 1775 года приступил к отливке статуи.

Трудно найти человека, который впервые увидев «Медного всадника», не испытал бы трепетного чувства восхищения гениальным творением. Но это чувство во стократ усиливается, когда узнаешь о муках, выпавших на долю скульптора во время создания статуи. Надо было быть истинным художником, беззаветно преданным своему делу, чтобы работать над своим детищем в условиях мелких придирок, помех и нарочитых унижений в течение 12 лет.

Город Санкт-Петербург Памятник Петру I «Медный всадник» Скульптор Э. Фальконе. Приспособление для перевозки «Камня-гром»

Большие трудности возникли с изготовлением литейной формы статуи. Мастера, обладавшего опытом такой тонкой и грандиозной работы, в России не нашли, иностранцы требовали несусветные суммы.

Скульптор решается сам взяться за труд литейщика, используя помощь русских мастеров. Получив разрешение, он начал эту работу в августе 1774 г. и только в августе 1775 г. закончил устройство литников, формовку и подготовку формы к заливке. Заливка формы «Медного всадника» было произведена 24 августа 1775 г. На нее израсходовано 1351 пуд бронзы и 250 пуд железа.

Эта грандиозная работа, выполнявшаяся чуть ли не 10 лет, дважды едва не завершилась полным провалом. Первый раз это случилось во время вытапливания воска. Подмастерье Поммель, дежуривший у формы, уснул. Воск загорелся и, если бы не беспокойный скульптор, проверявший ночью ход работы, форма была бы разрушена. Вторая авария случилась во время заливки. Прорвавшийся из формы металл вызвал большой пожар. Все, кто был у формы, бросили работу и в страхе разбежались. На месте остался лишь русский литейщик Кайлов, который «не теряя ни мало бодрости своей при представляющейся ему опасности жизни» залил форму. Растроганный Фальконе расцеловал его, наградил деньгами и специально доложил императрице о его подвиге. Фальконе говорил: «Его храбрости мы обязаны удачей отливки».

30-футовая (более 9 м) тонкостенная отливка удалась литейщикам. В статуе, имеющей толщину 7,5 мм, не было раковин и недоливов. Лишь в головах всадника и лошади образовались недоливы и намывы – результат пожара во время вытапливания воска. Как это ни прискорбно, но «Медный всадник» родился «всадником без головы» да еще и на безголовом коне. Огорчений, разочарований и кривотолков было немало. Однако тот, кто больше всего должен был огорчаться и печалиться, кто отдал своему творению почти 10 лет неустанного труда и мук созидания, меньше всех огорчился дефектами отливки. Фальконе был доволен результатами литья, считал, что «еще не было лучшей отливки». И это действительно так! Дефект для такой огромной отливки в самом деле невелик. Достаточно сказать, что даже толщина тела, бедер и задних ног коня вокруг стального стержня внутри них не превышала 7,5 мм. Заполнить такую форму без недоливов – явный успех литейщиков!

Фальконе разработал план исправления статуи, нашел нужных специалистов. Меры были простые, но дерзкие: решено было долить статую, сделать на ней новую часть формы. Два с лишним года статуя, с зияющими ранами, напоминала о «провале» творчества скульптора. Но форма была сделана и статуя удачно долита, так удачно, что, ни одному даже взыскательному зрителю не догадаться о следах литья ее с двух заходов. В ноябре 1777 г. работа над статуей была завершена.

Литье колоколов. Техника литья колоколов развивалась тысячелетиями, постоянно совершенствовалась и улучшалась. Но всегда оставалась (да и остается даже для современного уровня литейного производства) чрезвычайно сложной, требующей не просто большого мастерства литейщиков, но и подлинного искусства.

По сравнению с литьем, например, статуй техника литья колоколов внесла в металлургию важный элемент строжайшего соблюдения химического состава сплава (преимущественно 80 % меди и 20 % олова), поскольку. Кроме литейных и прочностных свойств, необходимо было учитывать «звучность».

Обычно крупные колокола формовали в ямах недалеко от печей, чтобы металл из них можно было заливать непосредственно в форму самотеком. Первоначально в яме из обычного кирпича выкладывали цоколь диаметром больше диаметра колокола, в центре которого закапывали доску с отверстием, куда вставляли стойку (схема, позиция а). Вверху стойка центрировалась в железной перекладине, и к ней прикреплялся шаблон. По этому шаблону выкладывался из кирпича-сырца пустотелый болван с каналом, соединенным с каналами цоколя, образующими вместе своего рода топку для сжигания дров или угля при сушке болвана. По временному шаблону выкладывали примерно половину высоты болвана, а далее шаблонную систему заменяли постоянной, металлической: вмуровывали металлический крест (схема, позиция б), в его отверстие вставляли пятку металлического шпинделя, вокруг которого вращались шаблоны, выполнявшие внешние контуры болвана. Болван затем высушивали с помощью костра, горевшего в его канале.

Последние слои обмазки болвана делали из песка и глины, разведенной на квасном сусле. Высушенный болван окрашивали смесью, состоящей из молотой золы, разведенной в мыльной воде или пиве, а затем смазывали салом.

На готовый болван также с помощью шаблона (схема, позиция в), наносили глиняную рубашку – место будущего тела колокола. Рубашку подсушивали и красили краской, приготовленной из мыла, сала и воска. На окрашенную поверхность наносили рельефные изображения (надписи, орнаменты, рисунки и пр.). Детали изображений изготовляли из смеси воска, канифоли, сурика и сажи в специальных формочках и наклеивали на окрашенную поверхность рубашки.

Приготовленный таким образом болван служил в дальнейшем как бы моделью, передающей наружные контуры колокола: по нему с помощью шаблона формовали кожух – верхнюю опоку с каркасами для прочности и другими приспособлениями(схема, позиция г). Готовый кожух обвязывали обручами, делали на нем устройства для подвеса. После подсушки кожух снимали, удаляли глиняную рубашку, доделывали элементы формы (литниковую систему, полости для ушек колокола) и окончательно собирали ее. Готовую под заливку колокола форму (схема, позиция д) заливали бронзой, расплавленной в расположенной рядом печи. После затвердевания металла форму разрушали, извлекали отливку, очищали ее и отделывали – чеканили, шлифовали. Несмотря на тщательную и длительную подготовку, нередко в формах, изготовленных даже видными мастерами, во время заливки происходили разрушения (обвалы, поднятия части формы и т.п.) и огромный труд и денежные затраты гибли. Приобретение опыта литья таких уникальных изделий обходилось дорогой ценой.

а

б

в

г

д

Схема изготовления формы колокола:

а – изготовление основы болвана; б – заточка болвана; в – заточка рубашки; г – формовка кожуха; д – готовая форма

Нехватка бронзы иногда приводила к тому, что уже готовые колокола приходилось переплавлять на пушки (в частности, Петр I таким образом покрывал недостачу материала при оснащении армии артиллерией). В основном по этой причине появились чугунные колокола. Первый чугунный колокол на Руси был отлит при Иване Грозном. В Женеве колокол из чугуна появился в 1610 г. И позже часто вместо бронзы литейщики применяли для колоколов серый чугун, который зазвучал особым, приятным звуком.

Нигде колокола не достигли такого совершенства и разнообразия как в России. Русские колокола – самые лучшие в мире не только по своей форме и искусству исполнения, но и по интересным решениям: их части соразмеримы так, чтобы давать три тона: первый – в месте удара, на середине колокола – полутон верхнего, а вверху – на целую октаву ниже.

Первые колокола на Руси появляются в X в. В XII в. русские мастера самостоятельно изготавливают колокола, и к началу XIV в. техника литья и мастерство русских литейщиков достигли большого совершенства. При Иване Грозном осваивается литье чугунных колоколов. К XVI в. в Москве насчитывалось не меньше 5000 колоколов, причем иностранцы отмечали, что такой красоты колокола не отливали нигде в мире. Из 12 крупнейших колоколов разных стран – половина русские, из них - три уникальные по массе.

1 Московский Царь- колокол 2 Успенский 3 Алексеевскй 4 Бирманский 5 Японский 6 Успенский (1817 г.) 7 Святой Иван 8 Корейский 9 Корейский (силла) 10 Маха Ганда 11 Пекинский 12 Годуновский

Русские колокольных дел мастера своими произведениями прославили родину далеко за ее пределами. Достаточно сказать, что «вифлеемские колокола» Иерусалима, которые слушает в рождество весь христианский мир, отлиты в 1874 г. московскими мастерами.

Иван Моторин, создавший шедевр колокольного литья, принадлежал к одной из знаменитых династий литейщиков, где опыт литья колоколов, пушек и других уникальных изделий передавался из поколения в поколение и где нередко еще безусые юнцы становились выдающимися и всеми почитаемыми мастерами. Род Моториных славен многими колокольных дел умельцами. Так, Дмитрии Моторин создал прорезной колокол, с удивительно красивой отделкой – затейливые прорези переплетаются с выпуклым изящным орнаментом, напоминая старинную вышивку «ришелье», а вместо ушка укреплена стилизованная голова льва, что довольно редко применялось в русских колоколах.

Царь-колокол оказался лебединой песней Ивана Моторина, но не единственным его произведением. Известен его набатный колокол (1714 г.), хранящийся сейчас в Москве и главный колокол звонницы Печерской лавры в Киеве, созданный в 1722 г. и весящий 700 пудов. Конечно, они далеки по весу от царь-колокола, но тщательностью отделки, прекрасной орнаментовкой и длительной службой и они подтвердили незаурядное мастерство своего создателя.

Старинные образцы и памятники литейного производства, сохранившиеся до нашего времени, говорят о том, что древний литейный мастер знал ремесло, изученное им в результате долгого ученичества, во всем его объеме, умел делать все, что можно было сделать при помощи его инструментов. Чем древнее изучаемая эпоха, тем в большей степени сказывается универсализм ремесленного труда. Отсутствие удобных путей сообщения и сколько-нибудь удовлетворительных транспортных и подъемных средств обусловливало бродячий образ жизни первых русских литейщиков, а это, в свою очередь, предопределяло «универсализм» их мастерства. Мастер должен был знать весь комплекс литейных работ, начиная от приискания и приготовления на месте формовочных материалов, составления шихты и кончая постройкой печей, изготовлением огнеупоров, плавкой, формовкой и заливкой металла и пр.

Искусство Каслинских мастеров. «Каслинский чугуноплавильный и железоделательный завод» построен в Екатеринбургском уезде при озере Касли от Екатеринбурга в 130 верстах в XVII веке. Три слагаемых составляли секрет успеха, который сопровождал художественные изделия Каслинского завода: высокое качество чугуна, выплавляемого на древесном угле, особые достоинства каслинских формовочных песков и мастерство художников и рабочих-литейщиков.

Завод приступил к художественному литью позже многих заводов Урала. И уже в 40-х годахXIX века Касли завоевывает широкую известность своими художественными отливками. Замечательные каслинские отливки более двадцати раз удостаивались самых высоких наград на всероссийских и международных выставках, оставаясь непревзойденными в мире. Пути развития каслинского художественного литья отражают различные этапы в истории русской скульптуры. Можно проследить как в изделиях мастеров находят свое выражение стиль высокого классицизма (Э. Фальконе, Ф. Толстой и др.), становление камерной скульптуры, связанной с движением «передвижников» (Ф. Каменский) или стиля «модерн» (Е. Баумгартен и др.).

Кто же они – те талантливые люди, изделия которых на многие десятилетия принесли славу затерянным в Уральских горах Каслям?

Сегодня, вглядываясь в застывшие в металле прямоугольники с именами, мы словно встречаемся с ними заново через многие годы.

А.Чиркин Дон-Кихо и Санчо Панса 1980	Кольчужник с секирой. Формовщик в. Кузнецов 1898 год		Ф.М. Достоевский Формовщик Г. Тепляков 1898 год
Чугунная мебель		П.К. Клодт, Конь с попоной, вставший на дыбы. Отливка 1900 г. Формовщик С. Хорошенин
А. Соловьева граф Л.Н. Толстой пашет. Формовщик Л. Быков 1900 год

Контрольные вопросы.

1. Дайте экспериментальную схему устройства разовой литейной формы, назовите назначение каждой ее части.

2. Определите назначение и устройство модели, стержневого ящика и опоки.

3. Назовите этапы совершенствования литейной формы.

4. Чем отличается ремесленная технология получения отливок от промышленной?

5. Что вам известно о создании памятника Петру I – Медный всадник?

6. Чем известен литейщик Иван Моторин?

7. 7.Перечислите этапы совершенствования чугуна как литейного материала в ходе развития литейного производства.

8. Какую функцию выполняют стержни в литейной форме?

9. Что вам известно из истории Русского художественного литья?

10. 10.Какие материалы используют для изготовления литейной формы?