Конструктивное оформление наружной конфигурации литых деталей

Технологическая конструкция наружной конфигурации литых деталей должна обеспечить свободное извлечение модели из формы без применения. стержней и отъёмных частей на моделях. Для беспрепятственного извлечения модели из формы следует пользоваться правилом световых лучей.

Внешний контур литой детали должен быть выполнен с учетом применения минимального количества стержней в форме. Большое количество стержней увеличивает трудоемкость изготовления и сборки форм способствует возникновению брака по перекосу и искажению размеров из-за неточности установки стержней.

В литых деталях следует предусматривать плавные контуры обеспечивающие лучшее заполнение формы металлом и малую склонность детали к внутренним напряжениям, короблению и трещинам.

Все поверхности литой детали перпендикулярные к плоскости разъема модели, должны иметь уклоны для возможности извлечения модели из формы или стержня из стержневого ящика формовочные уклоны назначаются в соответствии с ГОСТ 3212-81.

Если по каким-либо починам в конструкции литой детали невозможно устранить термические узлы, то можно ускорить охлаждение металла за счет установки в литейную форму холодильников. Это всегда усложняет и удорожает процесс изготовления литейной формы холодильники могут быть внутренними или наружи ними (рис, 3,13а,б,в). Внутренние холодильники (рис, 3.13, а) устанавливаются в полость формы при ее сборке и рассчитываются на их последующее полное расплавление за счет тепла жидкого металла,. Большое применение в практике нашли наружные холодильники (рис.3.13,б,в) , которые могут быть использованы многократно. Они являются частью литейной формы и располагаются против местного термического узла. Благодаря своей высокой теплопроводимости по сравнению с песчаной формой, наружные металлические холодильники ускоряют процесс охлаждения сплавов в соответствующем узле и тем самым выравнивают скорости охлаждения сплава как в термическом узле, так и в соседних с ним элементах.

Рисунок 3.13 - Схема установки холодильников в литейной форме

Но при больших переводах сечения ( больше 1,7,2,3) наружные холодильники не могут предотвратить образование усадочных раковин и поэтому использовать принцип одновременного затвердевания нельзя. В таких случаях для их устранения приходится применять принцип направленного затвердевания» который обеспечивается установкой в литейную форму прибыли.

Прибыль представляет собой дополнительную полость в литейной форме (рис. 3.14).

Металл в ней должен затвердевать позже чем в термическом узле. Кроме того долена быть подача жидкого металла жидкого из прибыли в затвердевающий термический узел. В связи с этим в прибыли располагаются в литейной форме над термическими уздами. Поэтому в процессе проектирования деталей, требующих применения прибылей, очень важно учесть возможность их установки в форме Возможность и простота установки прибылей в литейной форме может оказаться решающим фактором при определении поверхности разъема формы у проектируемой детали и ее расположения в форме.

Благодаря направленному затвердеванию в сечениях отливки не образуется усадочной пористости или рыхлости, металл получается плотным. Необходимость выполнения принципа направленного затвердевания возникает, прежде всего, при проектировании тонкостенных литых деталей с массивными сечениями, особенно из сплавов с повышенной усадкой.

Рисунок 3.13 – Схемы установки прибылей в литейной форме

Удаление элементов литниковой системы

Первым этапом обработки отливок после выбивки является освобождение их от элементов литниковой системы. Эти операции выполняются различными методами в зависимости от вида сплава.

Отбивка или отламывание литников и выпоров у чугунных отливок является сравнительно простой операцией, так как чугун хрупок, а литниковая система обычно держится на отливке питателями, сечение которых мало. Часто эта операция выполняется вручную при помощи кувалды.

В условиях крупносерийного производства применяется устройство "гидроклин", в котором физическое усилие рабочего по обламыванию литников заменено гидравликой.

Для потока разнообразных отливок небольшого веса используются отбивные барабаны, в которых могут быть совмещены во времени три операции: отбивка литников, выбивка стержней и очистка отливок.

При крупносерийном и массовом производстве стальных отливок для ломки прибылей используют механические и гидравлические прессы.

Удаление прибылей и других элементов литниковых систем выполняют резкой абразивными кругами с помощью ручного механизированного инструмента и на специальных абразивных отрезных станках. Резка абразивными кругами получила широкое распространение благодаря следующим преимуществам: большая скорость резания, не зависящая от материала отливки; неизменное положение плоскости резания; хорошее качество поверхности среза; не требуется дополнительной обработки; свойства материала отливки не искажаются; малые потери металла; незначительный нагрев материала.

Для отрезки прибыльных частей небольших стальных и чугунных слитков и болванок используют ножовочные станки. Для отрезки литников и питателей отливок, главным образом из алюминиевых и магниевых сплавов, используются ленточные пилы.

Для отделения элементов литниковых систем, главным образом у крупных отливок, широко применяют ацетиленокислородную (газовую) и воздушно-дуговую резку. Ацетиленокислородную резку используют, в основном, для резки стальных отливок и отливок из высокопрочного чугуна со сфероидальным графитом, воздушно-дуговую резку для высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов.

Очистка заготовок

В настоящее время наиболее распространены универсальные методы очистки - в галтовочных барабанах, струей металлическихабразивов (дробеметная и дробеструйная) и вибрационная. В отдельных случаях применяют химическую, электрохимическую, термическую, ультразвуковую и газопламенную очистку отливок.

Простой и дешевый способ очистки, обеспечивающий хорошее качество поверхности отливок - очистка в галтовочном барабане. Одновременно с очисткой поверхности в галтовочном барабане происходят выбивка стержней и отбивка литников.

Применяются барабаны периодического и непрерывного действия. Загруженные в барабан отливки очищаются путем несильных ударов и взаимного трения. Для усиления эффекта очистки вместе с отливками в барабан загружаются специальные звездочки из белого чугуна. Мелкие звездочки дополнительно очищают внутренние труднодоступные поверхности отливок. Эффективность очистки в значительной мере определяется скоростью вращения барабанов. Оптимальной является скорость, при которой возникающие центробежные силы не превышают половины силы тяжести отливки. Для очистки мелких отливок массой 1... 25 кг эффективны барабаны непрерывного действия.

В настоящее время в литейных цехах наиболее широкое распространение получила очистка струей металлического абразива. Струя абразива может быть направлена на отливку струей воздуха, струей воды (дробеструйный метод) или выбрасываться под действием центробежной силы (дробеметный метод). От вида применяемого очистного материала зависят качество поверхности отливок и показатели работы очистного оборудования. Для струйной очистки применяют различные материалы, в том числе металлические из черных и цветных сплавов (алюминиевых, медных), минеральные (песок, корунд, шлак, стекло), органические (скорлупа орехов, пластмассы). Основным материалом, применяемым для очистки, является металлическая дробь.

По техническим характеристикам дробеметных аппаратов, установленных на очистных машинах, допускается использование металлической дроби размером не более 3,6 мм. Процесс дробеметной очистки состоит в бомбардировке поверхности очищаемой отливки потоком дробинок, вылетающих из дробеметного аппарата со скоростью 70...80 м/с.

Термическая обработка литых заготовок перед обработкой резанием

Для повышения обрабатываемости резанием и стабилизации размеров литые заготовки подвергают термообработке. Характер термообработки зависит от вида литейного сплава, способа литья, размеров отливки и других факторов.

Термическая обработка чугуна применяется для изменения структуры металлической основы чугуна (матрицы), степени графитизации, снижения остаточных напряжений, стабилизации размеров. При этом форма графита в чугуне не изменяется.

Графитизирующий отжиг используют для разложения карбидов (устранения отбела) в отливках из всех видов чугуна и снижения твердости поверхностного слоя. Он производится при температуре 850...980°С. Продолжительность отжига зависит от размеров отливки, толщины стенок, химического состава чугуна и обычно принимается из расчета I ч на каждые 25 мм толщины стенки отливки.

Для снижения твердости по всему сечению отливки и получения ферритной структуры матрицы производят вторую стадию отжига при температуре 700...720°С. Переход с температуры 850...980 °С до 720 °С желательно проводить медленно. Это позволяет получить больше феррита и придает большую пластичность отливке. Окончательное охлаждение отливок в интервале температур 500...300°С стремятся производить быстро во избежание отпускной хрупкости.

Нормализация чугуна производится при температуре 850... 950 °С с целью получения отливок повышенной прочности и износостойкости, т. е. получения отливок со структурой перлита. Одновременно происходит измельчение перлита и частичное снятие остаточных напряжений. После полного прогрева отливки выдерживаются в печи еще 30... 120 мин с целью выравнивания структур по всему объему. Охлаждение производится на воздухе. Используя нормализацию, можно повысить марку чугуна примерно на два класса.

Отпуск как самостоятельный вид термообработки применяют только для снятия остаточных напряжений отливок из серого чугуна. При этом их нагревают до температуры 500...550°С, выдерживают 2...8 ч и охлаждают вместе с печью.

Стальные отливки обычно имеют крупнозернистую неоднородную структуру и низкую пластичность. В зависимости от химического состава стальное литье отжигают при температуре 850... 900 °С с выдержкой в течение 2...4 ч и охлаждают с печью. В этом случае получают наибольшую пластичность и минимальный уровень внутренних напряжений.

При нормализации отливки нагревают до той же температуры, выдерживают 4...5 ч, а затем охлаждают на воздухе. Это приводит к выравниванию и измельчению структуры.

Для средне- и высокоуглеродистых сталей нормализация дает более высокую твердость и меньшую пластичность, чем отжиг. Для низкоуглеродистых сталей нормализация как более дешевый вид термообработки может полностью заменить отжиг.

Термическая обработка отливок из цветных металлов применяется редко, в основном не для улучшения обрабатываемости резанием, а для улучшения механических свойств заготовки. Вид термической обработки указывается в технических условиях на отливку. Для снятия остаточных напряжений, возникающих в крупных отливках с неравномерным сечением стенок, применяют отпуск. Режим отпуска зависит от вида сплава, толщины стенок и конфигурации отливок.

Дефекты отливок, способы их предупреждения и исправления

Основными видами литейных дефектов являются искажения формы и размеров, разрывы сплошности металла, различные раковины и поверхностные дефекты. Искажения формы и размеров проявляются в виде коробления, недоливов, перекосов.

Коробление возникает в отливке в результате значительных остаточных напряжений при охлаждении из-за неравномерности охлаждения, торможения усадки. Недолив возникает при неправильной конструкции литниковой системы, недостаточной жидко-текучести сплава или утечке металла в разъем формы. Перекос может быть вызван неточной сборкой стержней или формы, плохим центрированием половинок стержневого ящика, случайным сдвигом полуформ, вызванным внешним воздействием.

Для предотвращения искажений формы отливок следует проработать более рациональную конструкцию отливки и технологию литья, увеличить податливость формы, повысить технологическую дисциплину и т. д.

Разрывы сплошности металла проявляются в виде горячих и холодных трещин, спаев.

Горячие и холодные трещины вызываются в основном недостатками конструкции отливки: наличием «термических узлов», завышенной температурой заливки, недостаточной податливостью формы и стержней, недостаточной пластичностью металла в интервале температур образования трещин. Спай - сквозная либо поверхностная с закругленными краями щель - получается из-за недостаточной скорости заливки формы, пониженной жидкотекучести, недостаточной эффективности вентиляции формы.

Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создавать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры; обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок; увеличивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава. Для предупреждения образования в отливках холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников; применять сплавы для отливок с высокой пластичностью; проводить отжиг литейных отливок и т. п.

Усадочные раковины и рыхлоты возникают из-за нетехнологичности конструкции отливки, неправильной конструкции литниковой системы, недостаточной эффективности холодильников. Образование газовых раковин связано с повышенной газотворностью и низкой газопроницаемостью формы и стержней, пониженной температурой заливки, с механическим захватом газов в элементах литниковой системы во время заливки.

Шлаковые раковины образуются при пониженной вязкости шлака, недостаточной эффективности литниковой системы, неправильной или небрежной заливке. Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку следует вести под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того, перед заливкой расплавленный металл необходимо подвергать дегазации вакуумированием, продувкой инертными газами и другими способами, а также увеличивать газопроницаемость литейных форм и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т. д.

Пригар - поверхностный дефект возникающий из-за слишком высокой температуры заливки, излишней длительности заливки, слабого уплотнения или низкого качества формовочной смеси.

Обнаруженные дефекты могут быть исправимыми и неисправимыми. Обычно возможность и способ исправления дефектов оговариваются в технических условиях.

Так, коробление стальных отливок может быть исправлено правкой. Наружные дефекты заваривают дуговой или газовой сваркой. При недоливе крупных отливок иногда допускается исправление дефекта заливкой жидкого металла. Раковины и пористость устраняют пропиткой или заделывают различными замазками, шпатлевкой или клеями. Неисправимый брак требует пересмотра конструкции отливки или технологии ее получения.

Контрольные вопросы

1. Что определяет универсальность использования песчано-глинистых форм при литье?

2. От чего зависит выбор материала модельных комплектов?

3. Какие факторы учитывают при назначении поверхности разъема литейной формы?

4. В каких случаях целесообразно разместить всю отливку в одной (нижней) части формы?

5. В какой части отливки наблюдается более высокое качество металла, а в какой - менее высокое?

6. Каковы основные требования технологичности отливок?

7. Объясните назначение и расскажите виды термической обработки отливок из чугуна, стали, цветных сплавов.

8. Перечислите дефекты отливок и причины их возникновения.

9. Как осуществляется контроль качества на различных стадиях производства литых заготовок?

Лекция 4 СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ЛИТЬЯ

Литье в металлический формы

Литье в металлические формы (кокиль) является одним из прогрессивных способов получения отливок из чугуна, стали и цветных сплавов массой от нескольких граммов до десятков тонн.

Сущность процесса заключается в многократном применении металлической формы, имеющей гораздо более высокую стойкость, чем обычная песчано-глинистая, поэтому их иногда называют постоянными. Полости в отливке выполняют при помощи металлических или песчаных стержней, которые извлекают из отливки после ее затвердевания и охлаждения до заданной температуры. Чаще всего металлические формы изготавливают из серого чугуна, реже из различных марок стали. В последнее время для изготовления металлических форм стали применять сплавы алюминия с анодированными рабочими поверхностями (при анодировании создается прочная и огнеупорная пленка оксидов алюминия).

Характерным свойством металлических форм является высокая теплопроводность. Вследствие этого процесс кристаллизации сплавов, залитых в металлические формы, и их дальнейшее охлаждение протекают с большой скоростью. Это приводит к образованию мелкозернистой структуры, что сказывается на повышении механических свойств металла отливок. Исключением является серый чугун, так как большая скорость охлаждения серого чугуна в металлической форме вызывает образование так называемого отбела, когда в поверхностных слоях отливки, а иногда даже во всем ее объеме возникает структура с высокой твердостью и хрупкостью. Поэтому приходится проводить тщательный подбор химического состава чугуна в зависимости от толщины сечений отливки, осуществлять покрытие рабочих поверхностей металлических форм огнеупорными, теплоизоляционными составами или красками и нагревание их перед работой до 300 С.

Большим и основным недостатком металлических форм является отсутствие податливости. Это часто приводит к необходимости применения песчаных стержней, формирующих внутренние полости и отверстия, а также участки внешней поверхности отливки между выступающими элементами. В таких случаях форма становится комбинированной или полуметаллической.

Металлические формы в зависимости от величины, массы, материала и формы отливаемой заготовки изготавливают литьем или механической обработкой. Литые металлические формы могут иметь обработанные и необработанные рабочие поверхности. Формы с необработанными рабочими поверхностями, отлитые из чугуна и стали, имеют более высокую стойкость.

Конструкция металлических форм зависит от конфигурации и массы отливок, вида сплава и способа его заливки в форму, масштабов производства и других факторов. Они могут быть одногнездными и многогнездными, неразъемными (вытряхными) и разъемными (с вертикальной или горизонтальной плоскостью разъема), с одним или несколькими разъемами, с металлическими или песчаными стержнями. Число рабочих полостей в металлической литейной форме зависит от массы и размера литых деталей. Многогнездные металлические формы применяют только для получения небольших деталей. Неразъемные формы обычно отличают простота конструкции, легкость изготовления и обслуживания. Их применяют для получения деталей простой конфигурации, легко извлекаемых из металлической формы. К подобным деталям относятся грузы, вкладыши, крышки, колосники и др. На рис. 4.1, а представлена одногнездная неразъемная металлическая форма, а на рис. 4.1, 6 - полуметаллическая форма, в которой предусмотрено применение песчаного стержня.

Для небольших отливок простой конфигурации применяют также разъемные металлические формы. На рис. 4.1, в показана многогнездная металлическая форма с вертикальной плоскостью разъема. На рис. 4.1, г показана полуметаллическая форма с вертикальным разъемом для получения более сложных деталей - тройников из латуни. Часто применяют металлические формы с горизонтальной плоскостью разъема (рис. 4.1, д).

Рисунок 4.1. Конструкции металлических форм:

а - одногнездная неразъемная форма; 6 - полуметаллическая форма с песчаным стержнем; в - многогнездная форма с вертикальной плоскостью разъема; г - полуметаллическая форма; д - форма с горизонтальной плоскостью разъема; е - форма с двумя разъемами и металлическими стержнями; 1, 5 - вертикальные половины формы; 2, 3, 4 - отдельные части стержня, формирующие внутреннюю полость; 6 - поддон

Для отливок сложной формы приходится применять несколько разъемов. Пример такой металлической формы с двумя разъемами и металлическими стержнями для получения отливки поршня из алюминиевого сплава показан на рис. 4.1, е. Форма состоит из двух частей (1 и 5) с вертикальной плоскостью разъема, которые устанавливаются на поддон 6 с образованием горизонтальной плоскости разъема. Центральный стержень, выполняющий внутреннюю полость поршня, имеет сложную разъемную конструкцию, состоящую из трех отдельных частей 2, 3 и 4. После заливки формы сплавом и его затвердевания неподатливые металлические стержни необходимо своевременно удалять из отливки, чтобы предотвратить образование трещин в отливках из-за развития больших усадочных напряжений.

По сравнению с литьем в песчано-глинистые формы литье в металлические формы обладает рядом технических и технологических преимуществ:

• многократное использование форм;

• повышение точности размеров отливок, уменьшение шероховатости поверхности, что позволяет снизить припуск на механическую обработку в два-три раза, а иногда и полностью ее устранить; увеличение выхода годного до 75-95 %;

• повышение плотности отливок, улучшение структуры отливок и повышение их механических свойств на 15-30 %;

• сокращение, а в некоторых случаях полное исключение формовочных материалов и стержневых смесей;

• исключение трудоемких операций формовки, сборки и выбивки форм;

• наличие возможности комплексной механизации и автоматизации технологического процесса, что приводит к росту производительности труда и снижению трудоемкости почти в три раза;

• увеличение съема с 1 кв. м производственной площади и снижение себестоимости отливок.

Вместе с тем изготовление отливок в металлические формы имеет и свои сложности:

• трудность получения отливок с поднутрениями, для выполнения которых необходимо применять стержни и вставки;

• снижение жидкотекучести сплавов, усложняющее получение тонкостенных, большой протяженности отливок;

• неподатливая, газонепроницаемая форма вызывает появление в отливках литейных дефектов (коробления, трещин, газовой пористости);

• высокая стоимость литейных форм, сложность и длительность их изготовления.

Металлические формы с металлическими стержнями применяют преимущественно для получения небольших по размерам деталей из алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов и значительно реже - при отливке деталей из чугуна и сплавов на основе меди. Детали значительных размеров и сложной конфигурации, как правило, отливают в полуметаллических формах.

Процесс получения отливок в металлических формах легко поддается механизации. Сборку металлических форм перед заливкой металлом и разборку для извлечения отливок осуществляют как с помощью отдельных механизмов, так и с помощью разнообразных машин (однопозиционных и многопозиционных). В зависимости от массы металла, заливаемого в форму, производительность существующих машин колеблется в пределах 4-200 отливок в час.

Технологические особенности проектирования деталей

В общих чертах технологический процесс литья в металлические формы совпадает с процессом литья в разовые песчаные формы, отличаясь только некоторыми специфическими особенностями.

Технологичность конструкции и предъявляемые к ней техническими условиями требования во многом определяют возможность перевода данной детали на литье в металлические формы.

Общие требования к кокильным отливкам:

• габаритные размеры отливок должны быть минимальными, а их конфигурации должны обеспечивать использование кокилей с плоским разъемом и металлическим стержнем.

• число разъемов и количество стержней должно быть минимальным;

• необходимо предусматривать плавную конфигурацию отливок, у которых отсутствуют острые углы, резкие переходы, высокие ребра, глубокие отверстия, выступы и карманы;

• необходимо правильно выбирать толщину и уклоны стенок, условия заполнения всех элементов отливки;

• в отливке должно быть предусмотрено такое сочетание конструктивных элементов, при котором уменьшается торможение усадки и обеспечивается легкая разборка формы;

• конусность стенок металлической формы и металлических стержней должна быть достаточной для быстрого извлечения из формы, в противном случае из-за затрудненной усадки могут возникнуть остаточные напряжения и трещины.

Конусность стенок формы выбирают в пределах 0,5... 1°, металлических стержней - 1,5...3°.

Примеры нетехнологичного и технологичного выполнения элементов отливок при литье в кокиль приведены на рис. 4.2.

Минимальные толщины δ стенок получаемых кокильных отливок рекомендуется принимать по табл. 4.1.

В целях повышения стойкости металлических форм у деталей не допускают острых углов. У деталей из серого чугуна наличие острых углов может вызвать явление отбела. У небольших по размерам и массе деталей радиусы скругления не должны быть менее 3...4 мм.

Минимальная допустимая толщина сечений у элементов литых деталей зависит от вида сплава и размеров детали: для мелких деталей цветных металлов и серого чугуна она составляет 4 мм, для деталей из углеродистой стали - 8... 10 мм; для крупных деталей - соответственно 5...6 мм и 12...20 мм.

Таблица 4.1 - Минимальная толщина отливок, мм

Материал отливки	Параметр стенки отливки
	Площадь поверхности, см2	Минимальная толщина, мм
Чугун	До 25 25-125	4-6 6-7
Сталь	25-125	8-10
Алюминиевые сплавы	100-250 250-900 Свыше 900	2,2-4 2,5-4,5 3,5-5,5
Магниевые сплавы	До 30	3
Бронза		4-6

Рисунок 4.2 - Конструктивные элементы кокильных отливок:а - нетехнологичные; б - технологичные

Отливка не должна иметь резких переходов от стенок одной толщины к стенкам другой толщины. Чтобы устранить возможность образования усадочных раковин и снизить гидравлическое сопротивление формы движению металла при заливке, применяют плавные переходы толщин стенок отливки.

Плавность перехода от одного элемента к другому обеспечивается при условии

где δ₁, δ₂ - толщина сопрягаемых стенок, а переход осуществляется на длине l>(4–5)(δ₁+δ₂).

Радиус закруглений стенок R принимают

Ребра, бобышки и иные выступы должны быть расположены перпендикулярно плоскости разъема формы, что устраняет применение дополнительных стержней или отъемных частей. Не допускают двустороннюю механическую обработку стенок отливки, так как припуск при этом увеличивает разностейность, а при обработке резанием удаляется наиболее качественный слой металла. Литым деталям, изготавливаемым из сплавов с большой линейной усадкой и имеющим значительную плоскую поверхность, придают изогнутую форму или применяют ребра жесткости.

В отливке избегают глубоких отверстий малого диаметра. Применение металлических форм с металлическими стержнями при изготовлении отливок из цинковых, алюминиевых и магниевых сплавов позволяет получать их со сквозными отверстиями диаметром от 8 мм и более, при толщине стенок не более 3 диаметров, а из медных сплавов - 10 мм, при толщине стенок не более 2 диаметров. Глубина глухих отверстий не должна превышать соответственно 2 и 1,5 диаметров.

Предельные размеры отверстий в отливках, получаемых с помощью металлических стержней, приведены в табл. 4.2.

В процессе проектирования литых деталей, намечаемых для изготовления в металлических формах, вначале определяют положение отливки в форме. Положение отливки в форме определяет конструкцию последней, необходимость того или иного разъема у формы, а следовательно, конструктивное оформление наружных поверхностей и внутренних полостей у отливок.

Таблица 4.2 - Предельные размеры отверстий, получаемых в отливках

Материал отливки	Минимальный диаметр d, мм	Максимальная длина отверстии		Уклон стержня, % его длины
		глухих	сквозных
Чугун и медные сплавы	10	1,5d-2d	2d-3d	1,5
Углеродистая сталь	12	1,5d-2d	2d-3d	1,5
Сплавы:
алюминиевые	8	2d	2d-3d	1,5
цинковые	6	2d-3d	3d-6d	2-3

Отливки, основу геометрической формы которых составляют цилиндры, следует располагать в металлической форме, как показано на рис. 4.3, а. Если у таких отливок диаметр в 1,5 раза и более превышает высоту, то металлическую форму целесообразно проектировать без разъема. Если форма должна иметь разъем, то он проходит по вертикали.

Рисунок 4.3 - Схемы расположения отливок в металлических формах; а - отливки с отверстиями цилиндрической формы; б - плоские отливки; в - отливки типа коробок

Отливки больших и средних размеров, основу геометрической формы которых составляют плиты (типа крышек, фланцев, рамок), целесообразно располагать в форме вертикально (рис. 4.3, б). Отливки типа закрытых коробок или корпусов следует располагать при расположении выходными отверстиями вниз (рис. 4.3, в).

В связи с пониженной газопроницаемостью металлических форм в протяженных плоских элементах литых деталей, располагаемых в форме в горизонтальном положении (особенно в верхней части формы), образуются подкорковые газовые раковины (рис. 4.4, а). Если невозможно избежать подобного явления, следует изменить конструкцию соответствующих элементов литой детали, придав им уклоны (рис. 4.4, б). Оптимальный вариант расположения отливки в форме должен обеспечить возможность получения наиболее простой конструкции самой металлической формы, с несложным и легким ее разъемом. Определяя положение отливки, следует по возможности не допускать пересечения разъемом базовых поверхностей.

Любая конструкция металлической формы обязательно должна обеспечить свободное, беспрепятственное удаление из нес готовой отливки. Для этого проектируемые детали должны иметь простую внешнюю конфигурацию. Препятствовать свободному извлечению отливки из формы могут различные элементы, выступающие на наружной поверхности, или местные углубления, если они конструктивно оформлены без учета положения поверхности разъема формы.

Рисунок 4.4 - Изменение формы отливок для исключения газовых раковин: а - форма, при использовании которой образуются раковины; б - измененная

Внутренние полости и отверстия при литье в металлические формы выполняют за счет применения металлических или песчаных стержней. Применение металлических стержней дает ряд преимуществ: обеспечивает более равномерное охлаждение сплава, как с внешних, так и с внутренних сторон отливки, повышает размерную точность и уменьшает шероховатость поверхностей у отливок, приводит к увеличению производительности в работе с металлическими формами. Внутренние полости отливок, получаемые с помощью металлических стержней, не должны иметь элементов, препятствующих свободному извлечению этих стержней. Здесь целесообразно перенесение подобных элементов с внутренних поверхностей на наружные, с соответствующим их конструктивно-технологичным оформлением. Металлические стержни делают обычно подвижными. Удалять стержни нужно своевременно, так как преждевременное удаление стержня может вызвать повреждение отливки, а задержка приводит к возникновению больших усадочных напряжений и затрудняет извлечение стержня, что нередко приводит к возникновению трещин в отливке. Следовательно, применение металлических форм с металлическими стержнями возможно только в условиях механизации процессов их сборки и разборки. Это также приводит к усложнению конструкции металлических форм, значительному повышению стоимости их изготовления, необходимости применения специализированных литейных машин, что в конечном итоге оказывается экономически целесообразно только в условиях крупносерийного и массового производства. В большинстве случаев металлические формы с металлическими стержнями применяют для получения отливок с относительно несложной конфигурацией из легких цветных сплавов.

Если по конструктивным или иным соображениям внутренние полости невозможно выполнить в отливке за счет металлических стержней, то применяют песчаные стержни. Песчаные стержни позволяют получать внутренние полости сложной конфигурации, и при этом возможно перенесение отдельных элементов конструкции детали (мешающих удалению из формы) с наружных поверхностей на внутренние. При этом следует учитывать, что металл в элементах, расположенных на внутренних поверхностях и выполняемых в стержнях, охлаждается значительно медленнее, чем в наружных стенках. Поэтому необходимо уменьшать сечение таких элементов (например, ребер) и принимать их толщину равной 0,6...0,7 толщины наружных стенок. В случае применения песчаных стержней положение проектируемой детали в литейной металлической форме должно обеспечивать удобство и легкость установки стержней в форму при сборке, надежное их крепление и устойчивое положение.

Для обеспечения легкого извлечения металлических стержней из отливок и улаления самой отливки из формы в конструкции деталей должны быть предусмотрены литейные конструктивные уклоны. Уклоны на внутренних поверхностях, выполняемых металлическими стержнями, применяют для отливок из цинковых и магниевых сплавов в пределах 2...3%; алюминиевых и медных сплавов - 1,5%. Уклоны на наружных стенках отливок, располагающихся в форме перпендикулярно поверхности ее разъема, зависят от метода получения форм. Если форма имеет литые необработанные поверхности, то уклоны составляют 2…4%, у форм с обработанными поверхностями 1...2 % при высоте стенок до 100 мм, и меньше 1 % - при большей высоте стенок.

Повышенные скорости охлаждения сплавов требуют особенно строгого выполнения всех рекомендаций, способствующих уменьшению внутренних напряжений. Наиболее благоприятными следует считать конструкции, создаваемые по принципу одновременного затвердевания металла в форме. Детали с массивными сечениями или с узлами местного скопления металла, особенно из сплавов с повышенной объемной усадкой, необходимо проектировать по принципу направленного затвердевания металла. Они должны быть технологичны с точки зрения удобства установки прибылей и питающих выпоров. В металлических формах прибыли чаще всего бывают открытого типа и размещаются по возможности в песчаных стержнях. Для удобства установки прибылей и выпоров массивные узлы отливок располагают в верхних частях металлической формы.

Точность размеров отливок зависит в первую очередь от точности изготовления металлической формы. Металлические формы без механической обработки рабочих поверхностей чаше всего применяют при изготовлении тяжеловесных крупных отливок из чугуна и стали, точность их невысока. Металлические формы, изготовленные механической обработкой, имеют большую точность, и получаемые в них отливки из чугуна и стали имеют отклонения в среднем 0,6... 1,2 мм. Если в подобных формах получаются отливки из цветных сплавов, то допуски на их размеры могут составлять 0,5...0,9 мм.

Область применения литья в металлические формы

Литье в металлические формы используют для получения отливок из большинства литейных марок цветных сплавов, чугуна и стали. Масса отливок может находиться в пределах от нескольких десятков граммов до нескольких тонн, в отдельных случаях из чугуна и стали получают отливки весом более 10 т.

Точность отливок, получаемых в металлических формах, и шероховатость их поверхностей зависят от многих факторов, и в первую очередь от методов изготовления самих металлических форм. Литые металлические формы, применяемые без механической обработки рабочих поверхностей (главным образом для отливок из чугуна и стали), могут обеспечить точность отливок в пределах 15-го квалитета и шероховатость поверхности в пределах Rz80...20 мкм. Формы, изготовленные методом механической обработки и применяемые в основном для получения отливок из цветных сплавов, могут обеспечить точность до 14-го квалитета и шероховатость поверхности в пределах Rz 20... 10 мкм. Таким образом, литье в металлические формы, по сравнению с литьем в песчаные формы, несколько увеличивает точность и уменьшает шероховатость поверхностей отливок, что дает возможность уменьшить припуски на механическую обработку и снизить расход металла.

При оценке возможности изготовления отливок в металлических формах учитывают особенности формирования отливок:

• интенсивность теплообмена между отливкой и кокилем в 3 - 10 раз выше, чем при литье в разовые песчано-глинистые формы; в связи с этим металл отливок имеет более мелкозернистую структуру, что существенно повышает их механические свойства; в то же время высокая скорость охлаждения может привести к неравномерности свойств по сечению стенки отливки, а в чугунных отливках - к отбелу;

• быстрое охлаждение заливаемого металла стенками кокиля снижает жидкотекучесть расплава, поэтому толщина стенок отливок при кокильном литье больше, чем при литье в песчано-глинистые формы. Минимальная толщина стенок отливок из алюминиевых и магниевых сплавов 3 мм, чугуна - 6 мм, стали - 8 мм. Снижение жидкотекучести затрудняет получение сложных тонкостенных крупногабаритных отливок. Это ограничивает применение для кокильного литья сплавов с пониженной жидкотекучестью.

Учитывая указанные особенности, в металлических формах целесообразно изготавливать следующие отливки:

• массивные, необрабатываемые, а также отливки с повышенными требованиями к герметичности;

• чугунные с отбеленной поверхностью, с повышенными герметичностью и плотностью, простой конфигурацией;

• из высокопрочного чугуна с толщиной стенок не менее 8 мм, особенно те, которые могут заменить поковки;

• стальные простой конфигурации со стенками толщиной более 8... 10 мм;

• алюминиевые со стенками толщиной более 2,5 мм;

• из кремнистой латуни со стенками толщиной более 3,5 мм и габаритными размерами 600x700 мм.

Повышенная скорость охлаждения сплавов в металлических формах приводит к снижению в отливках дефектов ликвационно-усадочного характера, улучшению структуры и повышению механических свойств сплавов в отливках в среднем на 10... 15 %. Получение при литье в металлические формы более плотной структуры особенно благоприятно сказывается на деталях, испытывающих в работе повышенные давления жидкостей или газов. В связи с этим большинство литых деталей, проходящих испытания на гидравлических стендах (за исключением лишь очень крупных), получают способом литья в металлические формы, что позволяет снизить брак из-за негерметичности стенок в 5-6 раз. Получаемые в металлических формах отливки из высокомарганцовистой стали за счет улучшения структуры аустенита имеют более высокую износостойкость (например, оправки для производства сварных и бесшовных труб).

Особую группу отливок, всегда получаемых в металлических формах, составляют детали из чугуна с отбеленной поверхностью (всевозможные валки, опорные рамки, катки для размольных бегунов, шары для размольных мельниц и т.п.).

Другой причиной, ограничивающей более широкое применение металлических форм, служит их высокая стоимость. Даже при очень простой и наиболее рациональной конструкции металлических форм, получаемых методом литья без последующей механической обработки, их применение в индивидуальном и мелкосерийном производстве оказывается часто экономически невыгодным. Однако в серийном и массовом производстве даже высокая стоимость металлической формы, разделенная на большое число получаемых из нее отливок, может оказаться ниже стоимости разовой песчаной формы.

Литье под давлением

Сущность литья под давлением

Сущность процесса заключается в том, что на расплавленный металл, залитый в камеру прессования машин, сообщающуюся посредством литниковых каналов с замкнутой рабочей полостью разъемной металлической формы, воздействуют поршнем машины, заставляя металл под давлением заполнить рабочую полость формы и образовать отливку при затвердевании металла.

Литье под давлением, являясь высокопроизводительным процессом, дает возможность получать сложные фасонные отливки любой конфигурации с круглыми и фасонными отверстиями с малой шероховатостью поверхности и точными размерами. Это позволяет резко сократить объем механической обработки и значительно уменьшить расход металла.

Процесс литья под давлением осуществим при наличии литейной машины, металлической формы и установки для расплавления металла.

На рис. 4.5 представлена схема работы машины для литья под давлением с вертикальной камерой прессования, ось которой расположена параллельно плоскости разъема металлической литейной формы, состоящей из двух половинок: неподвижной 3 и подвижной 4. Металл в форму подается под углом 90° к оси прессующего поршня 1.

Металл, залитый в камеру сжатия 2, запрессовывается поршнем 1 в форму. Неподвижная часть формы соединяется с камерой сжатия литниковой системой.

Существуют также машины для литья под давлением с горизонтальной камерой сжатия, которая представляет собой горизонтально расположенный цилиндр.

Рисунок 4.5 - Схема работы машин для литья под давлением: 1 - поршень; 2- камера сжатия; 3 - неподвижная часть формы; 4 - подвижная часть формы

Основные преимущества литья под давлением по сравнению с другими способами литья следующие:

• многократное использование литейных форм;

• полное исключение формовочных и стержневых смесей;

• высокая точность размеров и чистота поверхности, практически не требующих механической обработки;

• возможность получения отливок с малой толщиной стенок (менее 1 мм) большой протяженности;

• полное исключение трудоемких операций формовки, сборки и выбивки форм;

• возможность комплексной автоматизации производственного процесса.

Одним из важных достоинств способа литья под давлением является возможность получения армированных отливок. Использование при заливке вставок позволяет решить множество конструкторских задач:

• получение отливок с местным увеличением прочности детали;

• придание отдельным элементам отливки особых физико-технических свойств (износоустойчивости, электро-, теплопроводности, электромагнитных свойств и т.п.);

• конструирование узлов, состоящих из различных материалов;

• формообразование сложных внутренних полостей, системы разветвленных, изогнутых каналов и т.д.

К недостаткам способа литья под давлением относят:

• высокую стоимость пресс-форм, сложность и длительность их изготовления;

• невысокую стойкость пресс-форм, особенно при литье сплавов с высокой температурой плавления (сталь, чугун, медные сплавы);

• трудность выполнения отливок со сложными полостями и поднутрениями;

• неподатливость металлической формы, что способствует появлению напряжений в отливках при охлаждении; поэтому сплавы для литья под давлением должны иметь узкий интервал кристаллизации, высокую жидкотскучесть и достаточную прочность и пластичность.

Технологические особенности проектирования деталей

При конструировании отливки следует стремиться к одной плоскости разъема. Для этого отливка не должна иметь внешних и внутренних поднутрений, препятствующих свободному удалению ее из литформы. Возможность создания одной плоскости разъема определяют по правилу световых теней, по которому теневые участки при воображаемом освещении отливки параллельными лучами в направлении, перпендикулярном плоскости разъема, должны отсутствовать.

Необходимо создавать прямые углы и достаточно округлые кромки в тех местах, где это практически осуществимо. Выемки и отверстия следует по возможности располагать перпендикулярно плоскости разъема. Если отливка располагается в полуформах, то для уменьшения усадочных внутренних напряжений внутренние стенки выполняют наклонными (рис. 4.6, а).

Отливка, расположенная в неподвижной I и подвижной II полуформах, должна иметь наибольшую поверхность стержня в подвижной полуформе (рис. 4.6, б).

Боковое поднутрение препятствует свободному удалению отливки из литформы и должно формироваться боковым стержнем или подвижной щекой (рис. 4.6, в). Устранение этого поднутрения позволяет удалять отливку в направлении, перпендикулярном плоскости разъема.

Внутренние крепежные фланцы (рис. 4.6, г) с поднутрениями можно вынести наружу в плоскость разъема, обеспечив этим свободный выход центрального стержня из плоскости отливки. Если конфигурация внутренней полости с поднутрениями (рис. 4.6, д) не может быть изменена, то технологичная конструкция отливки предусматривает выемку III под фланец, заменяющий дно. Поднутрение IV, образованное утолщением под крепежное отверстие (рис. 4.6, е), можно заменить равномерным утолщением V или размещение утолщения - утолщением VI на внешней стороне отливки.

В нетехнологичной конструкции отливки колеса турбины стержень VII должен удаляться в сторону (рис. 4.6, ж); технологичная конструкция предусматривает формирование выемок выступами VIII подвижной и неподвижной полуформ. Боковые отверстия или окна в стенках отливки (рис. 4.6, з), требующие удаление стержня перед раскрытием формы, могут быть образованы выступами IX или X.

Отливку водопроводного крана (рис. 4.6, и) можно изготовлять литьем под давлением, если предусмотреть удаление стержня XI вверх вместе с полуформой, стержня XII - в сторону влево и криволинейного стержня XIII — по дуге вниз.

В процессах литья под давлением направленность затвердевания отливки затрудняется высокими скоростями кристаллизации. Поэтому необходимо разрабатывать такие конструкции отливок, в которых металл затвердевал бы во всех сечениях одновременно. Этим условиям удовлетворяют только равностенные конструкции отливок.

Толщина стенки определяется совокупностью конструктивных и технологических факторов, главными из которыхявляются масса отливки, жесткость конструкции, требование по прочности и герметичности, возможность заполнения, подпрессовки и выталкивания отливки. Значения минимально допустимой толщины стенки для различных сплавов в зависимости от площади внешней поверхности отливки приведены в табл. 4.3.

Рисунок 4.6 - Примеры выбора технологичного варианта конструкции отливки: сверху - нетехнологичный; снизу - технологичный

Таблица 4.3 - Минимально допустимая толщина стенки отливок, мм

Площадь сплошной поверхности, см2	Основа сплава
	Олово, свинец	Цинк	Алюминий	Магний	Медь	Железо
До 25	0,6	0,8	1,0	1,3	1,5	1,7
25-100	0,7	1,0	1,5	1,8	2,0	2,2
100-125	1.1	1,5	2,0	2,5	3,0	3,2
250-400	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	-
400-1000	2,0	2,5	4,0	4,0	-	-

Отверстия в отливках, получаемых литьем под давлением, выполняют двумя способами: полностью литьем или частично литьем с последующей механической обработкой. В крупносерийном и массовом производстве выгодно получать литые отверстия. В толстостенных отливках из цинковых сплавов отверстия диаметром до 1 мм, из алюминиевых и магниевых сплавов - диаметром до 1,5 мм, из медных сплавов - до 3 мм следует выполнять сверлением, так как тонкие стержни быстро выходят из строя. Допустимые параметры литья цилиндрических и резьбовых отверстий приведены в табл. 4.4 и 4.5.

Таблица 4.4 - Допустимые параметры цилиндрических отверстий в отливке, мм

Сплавы	Минимальный диаметр, мм		Максимальная глубина, выраженная в диаметрах для отверстий		Конусность отверстий, % от длины
	практически рекомендуемый	технологически возможный	глухих	сквозных
Цинковые	1,5	1,0	6	12	0,2-0,5
Алюминиевые	2,5	1,5	3	6	0,5-1,0
Магниевые	2,0	1,5	5	10	0,3-0,5
Медные	3,0	2,5	3	4	0,8-1,5

Таблица 4.5 - Минимальные размеры резьбовых отверстий в отливке

Сплавы	Шаг резьбы, мм	Диаметр, мм
		наружный	внутренний
Цинковые	0,75	6	10
Магниевые	1,00	6	15
Алюминиевые	1,00	10	20
Медные	1,50	12	—

При конструировании отливок с отверстиями следует учитывать целесообразность применения длинных тонких стержней для оформления отверстий (рис. 4.7, а). Отверстия в боковой стенке (рис. 4.7, б), для оформления которых необходимы подвижные стержни, часто могут быть оформлены неподвижными выступами в полуформе. Отверстия в боковых стенках лучше располагать параллельно друг другу (рис. 4.7, в), чтобы использовать для движения стержней один механизм. Боковая стенка с отверстием должна отстоять от другой стенки минимум на 3–4 мм (рис. 4.7, г).

Следует избегать расположения отверстий в подвижной и неподвижной полуформах (рис. 4.7, д). В этом случае целесообразно использовать последующую механическую обработку. Если литое отверстие трудновыполнимо, то оно может быть обозначено центром под сверление (рис. 4.7, е). Нельзя допускать пересечения отверстий в отливке, требующих пересечения стержней(рис. 4.7, ж). Данная часть отливок должна быть выполнена с закруглениями кромок (рис. 4.7, з).

Толщина дна глухих отверстий должна быть минимальной, чтобы исключить действие чрезмерной усадки металла на стержень (рис. 4.7, и). Иногда с целью устранения локальных утолщений рекомендуется выполнять отверстия или окна (рис. 4.7, к).

Область применения литья под давлением

Литье под давлением по технологическим и экономическим показателям занимает ведущее место среди способов получения отливок, так как при наибольшем приближении формы и размеров отливки к готовой детали, высокой точности и малой шероховатости поверхности обеспечивает и наиболее высокий уровень производительности труда, возможность полной автоматизации технологического процесса.

Литьем под давлением изготавливают сложные тонкостенные отливки из легкоплавких цветных сплавов на основе алюминия, магния, цинка, меди. Это отливки различного назначения: детали приборов, корпусы, платы, панели, шестерни, детали автомобилей, тракторов, самолетов, двигателей внутреннего сгорания, электрических машин, буровых установок и т.п.

Масса полученных отливок находится в пределах от нескольких граммов до десятков килограммов, характер производства, как правило, массовый или крупносерийный. Наибольшей эффективности достигают при получении отливок массой 0,15...0,20 кг, ранее изготавливаемых из проката с применением большого объема фрезерных работ. Применение черных металлов - стали и чугуна - для литья под давлением ограничено, так как при этом наблюдается очень низкая стойкость литейных форм.

Рисунок 4.7 - Конструкционные варианты оформления отверстий в отливках: сверху - нетехнологичные; снизу - технологичные

Сочетание двух особенностей процесса - металлической формы и давления на жидкий металл в период его заливки в форму - позволяет получать плотные отливки с высокими механическими свойствами, с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности. Точность изготовления деталей литьем под давлением соответствует в основном 12-му квалитету, однако тщательной доводкой форм можно добиться увеличения точности размеров до 11-го и даже 10-го квалитетов. Параметр шероховатости поверхности деталей Rz 40...20 мкм.

Прочность отливок при литье под давлением на 15... 20% превышает прочность отливок из того же сплава, изготовленных литьем в песчано-глинистые формы. Пластические свойства отливок несколько снижаются, так как в процессе заполнения формы металлом воздух, находящийся в форме, и газы, образующиеся от сгорания смазки, создают газовоздушную пористость, которая уменьшает плотность и герметичность отливок.

Как правило, детали, полученные литьем под давлением, не подвергают механической обработке, за исключением посадочных мест.

В автомобилестроении литье под давлением применяют для отливки деталей карбюраторов, коробок передач, бензонасосов, ручек, фитингов и блоков цилиндров.

Литьем под давлением получают также небольшие цилиндрические зубчатые колеса диаметром 12... 15 мм, шириной 1,5 ...2,0 мм с модулем 0,5 мм и более, изготавливают также конические зубчатые колеса. Для изготовления зубчатых колес применяют цинковые, алюминиевые, магниевые, а иногда и оловянисто-свинцовые сплавы. Отливки зубчатых колес, как правило, не подвергают механической обработке, мелкозернистый поверхностныйслой и окисная пленка способствуют повышению износостойкости зубьев.

В оптико-механической промышленности литье под давлением широко используют в технологических процессах изготовления корпусов фото- и киноаппаратов, деталей биноклей, микроскопов, а также в производстве различных бытовых приборов и машин - пылесосов, стиральных машин, домашних вентиляторов и др.

В санитарно-технической промышленности из разных марок латунных сплавов литьем под давлением изготавливают смесители для раковин и ванн, трубопроводную арматуру.

Центробежное литье

Сущность центробежного литья

При центробежном способе литья жидкий сплав заливают во вращающуюся форму. Под воздействием центробежных сил жидкий сплав распределяется в полости литейной формы и, кристаллизуясь при охлаждении, образует фасонную отливку. В некоторых случаях вращение придается заранее заполненной металлом форме. При центробежном литье используют как разовые, так и постоянные формы.

Вращение литейных форм при центробежном литье осуществляют с помощью специальных машин. В зависимости от положения оси вращения машины подразделяют на два вила: с горизонтальной осью вращения (рис. 4.8, а) и с вертикальной осью вращения (рис. 4.8, б, в).

На первых получают литые заготовки или детали, имеющие форму простых тел вращения. При этом соотношение высоты (или длины) отливки к ее диаметру может быть в довольно широких пределах - примерно от 0,07...0,08 до 10... 12 и более (например, трубы длиной до 6 м при наружном диаметре 150 мм). Машины с вертикальной осью вращения применяют, как правило, для по лучения отливок, имеющих небольшое отношение высоты к диаметру (0,3...0,4). На машинах с вертикальной осью вращения можно получать не только трубы, но и заготовки в виде тел вращения сложной формы.

Рисунок 4.8 - Литейные формы для центробежного литья: а - с горизонтальной осью вращения; 6, в - с вертикальной осью вращения

Перед заливкой на вращающийся стол устанавливают готовые формы таким образом, чтобы ось вращения стола обязательно совпадала с осью канала, через который заливают жидкий металл. Литейные формы для получения отливок на центробежных машинах чаще всего изготавливают из чугуна или стали. В металлическую форму могут быть установлены стержни для получения отливки необходимой конфигурации (см. рис. 4.8, б). В некоторых случаях формы изготавливаются в цилиндрической опоке из песчано-глинистой смеси (см. рис. 4.8, в).

Поверхности формы покрывают теплоизоляционными красками или сыпучими материалами для уменьшения скорости охлаждения отливки, но чтобы металлические формы не перегревались, их охлаждают.

Фасонная наружная поверхность отливок приводит к торможению усадки, поэтому на поверхность формы перед каждой заливкой наносят слой формовочной смеси. Нанесение на поверхности металлических форм теплоизоляционных покрытий увеличивает их долговечность в работе.

Кристаллизация сплава, заливаемого во вращающуюся металлическую форму, начинается у стенок формы, а затем фронт кристаллизации продвигается по направлению к оси вращения или к свободной поверхности отливки. Скорость кристаллизации зависит от температуры формы, наличия теплоизоляционных покрытий на ее поверхности и физических свойств самого сплава. Благодаря кристаллизации, протекающей в одном направлении от стенки формы, а также действию центробежных сил, происходит не только хорошее питание объемной усадки, но и обеспечивается удаление неметаллических включений: они, как более легкие, выносятся из кристаллизующегося сплава на внутреннюю поверхность отливки. В результате этого структура металла в отливках улучшается и повышаются механические свойства.

Область применения центробежного литья

Способом центробежного литья получают отливки из серого и легированных чугунов, углеродистой и легированной стали, а также из многих марок сплавов на основе меди и алюминия. Значительные трудности возникают при получении отливок из сплавов, имеющих большую склонность к ликвации.

Масса отливок, получаемых в металлических изложницах при центробежном способе литья, колеблется в пределах от нескольких килограммов до нескольких тонн. Точность и шероховатость поверхности получаемых отливок зависят от многих факторов (варианта технологического процесса, размера и конструкции отливок). Так, при получении отливок типа втулок в металлических изложницах можно достичь относительно высокой точности по их длине и наружным диаметрам, но трудно получить эту точность по внутренним диаметрам. При получении отливок типа шкивов, колес и других, похожих по форме отливок, необходимо применение стержней, что приводит к снижению их точности и увеличивает шероховатость поверхности.

Центробежное литье фасонных деталей следует применять только в тех случаях, когда обычным литьем в неподвижные формы эти изделия либо невозможно получить, либо получают с низкими технико-экономическими показателями. Особенно это эффективно при изготовлении отливок:

• тонкостенных деталей с извилистыми очертаниями, тон­ким и острым рельефом, малыми радиусами закруглений;

• требующих улучшенного питания из прибыльной час­ти, больших плотности и чистоты металла;

• из сплавов с пониженной жидкотекучестью.

Для литья из титановых сплавов это пока единственный способ получения качественных отливок.

Центробежное литье наиболее широко применяют для получения из чугуна и стали труб различного назначения (водопроводных, фановых, нефтеперегонных и др.), а также литых заготовок деталей, имеющих форму тел вращения в различных отраслях машиностроения (втулки, вкладыши, муфты, венцы червячных колес, фланцы, крышки и т.д.). Для подобных деталей этот способ литья обеспечивает более высокое качество, чем литье в песчаные формы. Специфика кристаллизации при центробежном литье позволяет избавиться от ряда дефектов в отливках, которые свойственны литью в песчаные формы (усадочные раковины, рыхлость и пористость, шлаковые включения, газовые раковины). Кроме того, по механическим свойствам качество металла в отливках, получаемых центробежным способом литья, бывает лучше. Достигается также экономия металла на отливки за счет устранения необходимости установки прибылей и устройства литниковой системы.

К основным преимуществам этого способа литья можно отнести:

• высокую плотность отливок вследствие малого количества межкристаллических пустот усадочного и газового происхождения; в ряде случаев центробежные отливки по своим свойствам оказываются на уровне поковок, а по экономии металла и снижению трудозатрат превосходят их;

• меньший расход металла из-за отсутствия литниковой системы или снижения массы литников;

• исключение затрат на изготовление стержней для получения полостей в цилиндрических отливках;

• улучшение заполняемости формы металлом;

• получение отливок из сплавов, обладающих низкой жид-котекучестью;

• возможность получения двух- и многослойных, а также армированных изделий.

Центробежное литье способствует также сокращению расхода формовочных и стержневых смесей, резкому повышению производительности труда. Так, на одном из заводов при переводе на центробежное литье значительного числа разнообразных заготовок было достигнуто увеличение производительности труда почти в 3 раза, при снижении себестоимости по каждой из деталей от 15 до 60%.

Центробежным способом литья возможно получать биметаллические втулки и вкладыши вместо цельнолитых из цветных сплавов. Переходе цельнолитых втулок и вкладышей из цветных сплавов на биметаллические с основой из чугуна позволяет достичь экономии в расходовании дорогостоящей бронзы до 40%. Очень перспективно получение центробежным литьем двухслойных труб для химической промышленности.

Наконец, центробежное литье может успешно применяться в отдельных случаях вместо поковок или проката. Отливки, получаемые центробежным способом, могут иметь конфигурацию, более близкую к окончательной форме детали, чем поковки. Это приводит к снижению расхода металла и значительному уменьшению объема механической обработки. Особенно целесообразно получение труб из различных марок сталей способом центробежного литья вместо прокатки при относительно большой толщине их стенок (до 170 мм), когда прокатка становится затруднительной.

Для центробежного способа литья характерны следующие недостатки, которые необходимо иметь в виду при выборе способа литья;

• трудность получения качественных отливок из ликвируюших сплавов, так как химическая неоднородность (ликвация) у центробежных отливок выражена значительно более резко, чем у стационарных отливок;

• неточность диаметра полости отливок со свободной поверхностью;

• загрязнение свободной поверхности отливок неметаллическими включениями, а у толстостенных отливок эта поверхность может иметь пористость, что вынуждает увеличивать припуск на механическую обработку свободных поверхностей на 25 %;

• необходимость применения специальных машин;

• для получения отливок требуются специальные машины; литейные формы дорогостоящие, они должны иметь высокие прочность и герметичность ввиду повышенного давления металла.

Технологические особенности проектирования деталей

Центробежное литье применяют главным образом для получения деталей, основу геометрической формы которых представляют полые цилиндры. Наиболее технологичными являются полые цилиндрические втулки с постоянным сечением, или втулки, усложненные с одного торца фланцем. Бурт фланца не должен превышать толщины двух стенок. Для получения внутренних центральных отверстий без применения стержня детали должны иметь постоянный диаметр по всей длине или высоте.

При наличии у цилиндрических деталей фасонной наружной поверхности применение металлических форм-изложниц становится невозможным, так как металлическая форма будет тормозить усадку. В этом случае изложница должна иметь вид опоки, в которой создается литейная форма, собранная из стержней или выполненная из формовочных смесей.

При проектировании фасонных деталей типа шестерен, червячных колес, крышек и т.п., которые можно получить в металлических формах без стержней, следует особое внимание обращать на устранение острых углов в местах переходов и принимать меры по уменьшению торможения усадки детали при охлаждении отливки в форме. Для этого на внутренних поверхностях, параллельных оси детали, которые охватывают части металлической формы, предусматривают значительные уклоны (до 30°). Для извлечения отливки из изложницы на ее наружных поверхностях также предусматриваются уклоны до 3°. Минимальная толщина стенок у отливок зависит от их размеров, но должна быть не меньше 4 мм.

Вид формы, применяемой при центробежном литье, определяет основные условия технологичности конструкции деталей. Размер припусков на механическую обработку зависит также от вида литейной формы, характера сплава, размеров и сложности отливки. Следует иметь в виду, что на внутренних поверхностях центральных отверстий припуски должны быть повышены. Это объясняется необходимостью полного удаления при механической обработке слоя металла, в котором собираются всевозможные загрязнения.

ЛИТЬЕ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ

Сущность литья в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы является одним из сравнительно новых технологических процессов, обеспечивающих получение отливок с более высокой точностью и меньшей шероховатостью поверхности по сравнению со способом литья в обычные песчаные (песчано-глинистые) формы.

Основные технологические операции при литье в оболочковые

формы:

ˆ ˆ изготовление оболочек;

ˆ ˆ сборка оболочек формы;

ˆ ˆ установка форм под заливку металла;

ˆ ˆ плавка металла и заливка форм;

ˆ ˆ кристаллизация металла;

ˆ ˆ выбивка и финишная обработка

Литейная форма при этом способе имеет вид прочной оболочки толщиной 5... 15 мм. Для получения такой формы необходимы подогреваемые до 400 °С металлические модельные плиты и стержневые ящики, а также специальные формовочные смеси, состоящие из мелкого кварцевого песка и термореактивной смолы. Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают модельные плиты, изготовленные из стати или серого чугуна. Алюминиевые сплавы, характеризующиеся лучшей обрабатываемостью, мало пригодны для модельных плит из-за низкой теплоемкости и значительного коэффициента линейного расширения. Металлические модельные плиты должны иметь толкатели для съема получаемых оболочек. С одной чугунной или стальной полмодельной плиты можно получить 100- 120 тыс. оболочек.

Термореактивные смолы, входящие в состав формовочной смеси, при нагревании плавятся и переходят в жидкое состояние, а при дальнейшем тепловом воздействии - необратимо отвердевают в результате химических превращений (процесс аполимериза-ции). При изготовлении оболочковых форм и стержней в качестве термореактивной смолы в состав смеси чаще всего вводят пульвер-бакедит (фенолформальдегидную смолу). Количество пульверба-келита в смеси составляет 56 % общей массы.

Оболочковые формы изготавливают в последовательности, показанной на рис. 17.1. На поверхность односторонней металлической плиты 3 модели 2, нагретой до 200... 250 °С, наносят тонкий слой термостойкого разделительного состава (силиконовую жидкость или др.), а затем засыпают формовочную смесь 1 (рис. 17.1, а). При нагревании от плиты и модели в прилегающем тонком слое формовочной смеси термореактивная смола начинает размягчаться (60...70С), затем плавиться (105... 120°С) и растекаться между частичками песка. Одновременно с растеканиемсмолы, при дальнейшем тепловом воздействии, начинается процесс отвердевания. Отвердевающая смола связывает между собой зерна песка, из которого приготовлена формовочная смесь. Толщина оболочки при ее образовании зависит в основном от температуры модельной плиты и от времени выдержки на ней смеси. В связи с тем что кварцевый песок плохо проводит теплоту, смесь в направлении от плиты нагревается довольно медленно и главным образом за счет конвекционных потоков. Поэтому толщина образующейся оболочки быстро возрастает в первые 5...6 с, а затем скорость нарастания толщины оболочки уменьшается. Так, для получения оболочки толщиной 6...8 мм требуется 15...25 с, а толщиной 12... 15 мм -до 1,5 мин.

После образования оболочки необходимой толщины излишек непрореагировавшей формовочной смеси удаляют (рис. 4.9, б). Образовавшаяся первоначально на плите полутвердая оболочка 4 из песчано-смоляной смеси не имеет еще достаточной прочности. Поэтому ее вместе с модельной плитой помещают в печь 5, имеющую температуру 300...400°С, где заканчивается процесс полного отвердевания смеси (рис. 17.1, в). Время выдержки оболочки в печи составляет 0,5...5 мин. После полного отвердевания смолы прочность оболочек при растяжении достигает 250...300 МПа и при изгибе 800...900 МПа. Твердую оболочку (полуформу) снимают с модельной плиты при помощи толкателей (рис. 17.1, г), которые закреплены в плите 3.

Рисунок 4.9 - Последовательность изготовления оболочковых форм: а - засыпка формовочной смеси; б - удаление излишков формовочной смеси; в - процесс полного отвердевания смеси; г - съем полуформы с модельной плиты; д ~ сборка литейной формы; 1 - формовочная смесь; 2 - модель; 3 - плита; 4 - оболочка; 5 - печь; 6 - стержень

При наличии двух оболочковых полуформ и стержней, которые также могут быть оболочковыми, необходима сборка литейной формы (рис. 4.9, д). Стержни 6 проставляют, как при изготовлении обычных песчаных форм. При сборке оболочковые полуформы после простановки стержней скрепляют различного рода зажимами или склеивают по поверхности разъема. Собранную оболочковую форму заливают жидким сплавом в горизонтальном или вертикальном положении. Иногда для повышения прочности собранные оболочковые формы помещают в металлические яшики и засыпают опорным материалом (металлической дробью, крупным кварцевым песком и др.).

При нагреве свыше 600 °С у оболочковых форм начинается очень заметное падение прочности, а при 700 °С начинается процесс выгорания термореактивной смолы. Поэтому после заливки сплава в оболочковую форму и его затвердевания форма легко разрушается.

По сравнению с литьем в песчаные формы, расход формовочных смесей при литье в оболочковые формы сокращается в 8 - 10 раз.

Процесс изготовления оболочковых форм легко поддается механизации и автоматизации. Габаритные размеры модельных плит могут достигать 600x850 мм при максимальной высоте моделей до 300 мм.

Область применения литья в оболочковые формы

Оболочковые формы используют для получения отливок из любых литейных марок чугуна и стали, а также цветных сплавов. Литьем в оболочковые формы изготавливают ответственные детали, например ребристые цилиндры для мотоциклов, коленчатые валы для автомобилей, гильзы, звездочки, зубчатые колеса, детали компрессоров, тепловозов, судовых двигателей и т.п. из чугуна, нелегированных сталей, цветных и специальных сплавов. Не рекомендуется изготавливать отливки из сплавов с низким содержанием углерода, так как поверхность отливки при литье в оболочковые формы науглероживается. Масса отливок ограничена. Это объясняется тем, что с повышением массы отливок необходимо увеличивать толщину оболочки (для увеличения ее прочности). Но изготавливать оболочки толщиной более 12 мм экономически нецелесообразно. Изготавливают преимущественно отливки весом до 25 кг, и лишь в отдельных случаях - до 100 кг.

Наиболее рационально применение литья в оболочковые формы при массовом и крупносерийном производстве. Минимальную серийность деталей, переводимых на литье в оболочковые формы, обычно принимают не менее 200 отливок в год. Данный способ литья обеспечивает параметр шероховатости поверхности Rz 160...20 мкм и точность размеров, соответствующих 14- 16-му квалитетам.

При этом способе литья благодаря повышению точности и уменьшению шероховатости поверхностей можно сократить объем механической обработки отливок и сэкономить металл.

Скорость охлаждения сплавов в оболочковых формах несколько меньше, чем в сырых песчано-глинистых. Благодаря этому улучшаются условия заполнения оболочковых форм жидким сплавом и появляется возможность получать детали с меньшим сечением. Оболочковая форма ко времени затвердевания отливки легко разрушается, не препятствует усадке металла, поэтому в отливках возникают незначительные внутренние напряжения и несколько повышаются механические свойства по сравнению с отливками, изготовленными в песчано-глинистых формах. Высокая газопроницаемость оболочковых форм и их значительная прочность позволяют уменьшить количество брака отливок (по газовым раковинам, засору и другим причинам).

При литье в оболочковые формы снижаются затраты труда по ряду технологических операций, повышается использование производственных площадей. Эффективность способа литья в оболочковые формы по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы заключается:

• в значительной экономии металла (50 %) за счет меньших (в 2 раза) припусков на механическую обработку; среднее отклонение размеров отливок в оболочковые формы составляет 0,3...0,7 мм на 100 мм габаритного размера, для мелких отливок - до 0,2 мм;

• уменьшении расхода формовочных материалов в 10 - 20 раз;

• лучших характеристиках оболочковых форм - они не гигроскопичны, имеют высокую прочность, их можно хранить длительное время;

• увеличении выхода годного литья за счет снижения брака в 1,5 - 2 раза;

• уменьшение параметров шероховатости и существенное улучшение товарного вида отливок;

• возможность получения отливок с тонкими ребрами и сложным рельефом

• уменьшении затрат труда на обрубку и очистку отливок в среднем на 50%, так как при выбивке формы оболочка легко разрушается.

Однако способ литья в оболочковые формы имеет и ряд недостатков;

• утрата точности формы в разъеме при изготовлении тяжелых и крупногабаритных отливок;

• работа с горячей модельной оснасткой вызывает необходимость использования только металлической модели;

• повышенная вредность выделяемых веществ при термическом разложении смоляного связующего;

• высокая стоимость оснастки, оборудования и материалов, в частности, стоимость формовочной смеси, необходимой для изготовления оболочковой формы, примерно в 6 раз выше стоимости формовочных и стержневых смесей, необходимых при изготовлении песчано-глинистой формы (для одних и тех же деталей).

Все это приводит к тому, что стоимость отливок, полученных литьем в оболочковые формы, несколько выше, чем отливок, полученных литьем в песчано-глинистые формы.

Однако даже в условиях крупносерийного или массового производства при использовании специализированных цехов и поточных линий (оснащенных высокопроизводительным автоматическим оборудованием) себестоимость отливок, получаемых в оболочковых формах, может оказаться несколько выше по сравнению с аналогичными отливками, полученными в обычных песчаных формах. В таких случаях процесс литья в оболочковые формы может успешно конкурировать с литьем в песчаные формы только при условии достижения значительной экономии за счет уменьшения массы отливок или резкого сокращения объема их последующей механической обработки (особенно при изготовлении отливок из труднообрабатываемых сплавов).

Например, отливка центробежного колеса насоса, получаемая в песчано-глинистой форме, имела массу 13,5 кг. Припуски на механическую обработку составляли 5... 15 мм. Отливка подвергалась механической обработке по всем поверхностям, кроме внутренних полостей. После механической обработки масса детали составляла 7,2 кг. При переводе этой детали на литье в оболочковых формах механической обработке подвергались посадочные поверхности с припусками в пределах 1,0... 1,5 мм. В результате масса отливки уменьшилась на 45 %, а объем механической обработки сократился в 1,5 раза.

Практика показала, что целесообразно использовать литье в оболочковые формы для производства заготовок ряда деталей химического машиностроения (арматура, клапаны, насадки, трубы и др.), которые изготавливают из высоколегированных сплавов, трудно поддающихся механической обработке. В номенклатуру отливок, получаемых в оболочковых формах, также входят конические и цилиндрические шестерни, звездочки цепных передач, коленчатые валы, ребристые цилиндры мотоциклов, вентили, вилки, рукоятки муфты, фланцы, вкладыши подшипников и др.

Технологические особенности проектирования деталей

Литейная технология получения отливок в оболочковых формах принципиально не отличается от процесса их получения е песчаных формах. Однако специфика изготовления оболочковых форм предопределяет ряд требований к конструкции детали с точки зрения ее технологичности. Поэтому проектирование технологического процесса изготовления отливки начинают с оценки возможности изготовления ее литьем в оболочковые формы. Конструктор вместе с технологом-литейщиком должны производить отработку конструкции детали, чтобы учесть особенности технологического процесса этого способа литья. Конструкция детали должна удовлетворять следующим основным требованиям.

1. Конфигурация детали должна обеспечивать возможность извлечения модели из формы с минимальным числом стержней. Лучшие результаты по точности и шероховатости поверхности отливок получают, если всю отливку размещают в одной полуформе.

2. Не рекомендуется переводить на литье в оболочковые формы глубокие коробчатые конструкции, так как при обычных приемах формовки из-за высокой текучести пссчано-смоляных смесей формы получаются разностенными.

3. Гладкая и сухая поверхность оболочковой формы, ее высокая газопроницаемость способствуют лучшему заполнению жидким сплавом по сравнению с сырой песчано-глинистой формой. Поэтому при оболочковом литье возможно выполнение тонких ребер и четких художественных рельефов, острых углов. По сравнению с литьем в обычные песчаные формы для всех литейных сплавов возможно уменьшение минимальной (технологически допустимой) толщины стенок у деталей. Имеющийся опыт позволяет рекомендовать минимально допустимую толщину стенок мелких деталей из серого чугуна в пределах 2,0...2,5 мм, высокопрочного чугуна и стали - 3...4 мм, из цветных сплавов - 1,5...2,0 мм. Для литья заготовок средних размеров рекомендуют выполнять толщину стенок не менее чем 3 мм. Пониженная скорость охлаждения сплавов в оболочковой форме также облегчает задачу получения тонкостенных отливок из серого чугуна без отбела.

4. Отливка должна иметь равномерную толщину стенок. По возможности избегают сочетания массивных и тонких частей, так как применение холодильников и прибылей усложняет процесс изготовления оболочек и снижает производительность труда. В массивных частях литых деталей выполняют отверстия, углубления, применяют для обеспечения необходимой прочности коробчатые, тавровые и ребристые сечения.

5. Во избежание образования трещин, усадочных раковин и рыхлости между отдельными частями литых деталей должны быть плавные переходы, оформляемые радиусом или галтелью. При литье в оболочковых формах возрастает роль галтелей на внешних углах, так как на острых углах моделей в процессе формирования оболочки отвердевает слишком тонкий слой смеси. В зависимости от толщины стенок и вида заливаемого металла радиусы скругле-ния назначают равными I; 2; 3; 5; 8 или 10 мм. Для стальных отливок радиусы скругления должны быть не менее 3 мм. Переходный угол для оформления различных утолщений на отливке принимают равным 30...45°.

6. Так как в процессе изготовления оболочки снятие ее с модельной плиты осуществляют с помощью толкателей, формовочные конструктивные уклоны на вертикальных стенках отливок уменьшают. При высоте моделей до 20 мм они могут составлять 0°45' при высоте 20... 100 мм - 0°30' при высоте более 100 мм - 0°20'. На внутренних поверхностях, получаемых за счет модели, уклоны должны быть несколько большими.

7. При литье в оболочковые формы можно получать в деталях отверстия без применения стержней (по модели) диаметром от 6 мм и более, если толщина стенок не превышает 10 мм, от 8 мм, если толщина стенок не превышает 20 мм. При большей толщине стенок отверстия малого диаметра выполнять нецелесообразно. Минимальный диаметр отверстия, получаемого в отливке с помощью стержня, находится в пределах 8–10 мм при глубине глухого отверстия до 5dи сквозного отверстия до 10d. В отдельных случаях с помощью стержней из циркониевого песка удается получать отверстия диаметром 4 — 6 мм.

При конструировании отливок следует избегать внутренних полостей, для получения которых требуются стержни. Размеры полостей отливки, выполняемых в форме, приведены на рис. 4.7. При необходимости использования стержней их опорные знаки следует располагать в нижней полуформе или по разъему.

Рисунок 4.10 - Размеры полостей отливки, выполняемых в форме по модели; в верхней части h < d/2 ≤ n, в нижней части H < D ≤ N

При изготовлении оболочковых форм избегают отъемных частей на моделях. Это требование объясняют, с одной стороны, высокой температурой моделей при их работе и необходимостью устройства толкателей, а с другой - условиями теплопередачи от модели к формовочной смеси.

По прочностным характеристикам минимальную толщину стенок следует принимать в соответствии с табл. 4.6.

При анализе влияния усадки сплавов на конструкцию литых деталей, получаемых в оболочковых формах, имеют в виду, что технологический процесс получения оболочковых форм практически исключает возможность применения наружных холодильников, а применение прибылей усложняет процесс изготовления оболочек и снижает производительность оборудования. В связи с тем, что размеры и масса отливок, получаемых в оболочковых формах, чаще всего бывают небольшими, объем усадочных раковин и усадочная пористость у них незначительны.

Таблица 4.6 Минимальная толщина стенок отливок при литье в оболочковые формы, мм

Сплавы	Наибольшие габаритные размеры отливок, мм
	До 100	100-200	200-350	350-500
Чугун	2-3,5	2,5-4	3-4,5	4-5
Стали	2,5-4	3-3,5	3,5-6	5-7
Оловянные бронзы	1,5-2	2-3	2,5-3,5	3-4
Медные	2,5-4	3-4	3,5-5	4-6
Алюминиевые	2,5-4	3-5	4-6	4-7
Магниевые	2,5-4	3-4	3,5-5	4-6
Цинковые	2-4,5	2,5-3,5	3-4	3,5-5

Однако замедленная скорость охлаждения сплавов в оболочковых формах приводит к развитию усадочной пористости за счет уменьшения объема концентрированных усадочных раковин. Поэтому наиболее благоприятными считают тонкостенные конструкции, обеспечивающие одновременное затвердевание металла в форме. В случае невозможности создания конструкции на основе принципа одновременного затвердевания металла, используют принцип направленного затвердевания металла, но при этом стремятся к получению качественной отливки с применением минимального количества прибылей.

У отливок, получаемых в оболочковых формах, внутренние напряжения теоретически должны быть меньше по сравнению с аналогичными отливками, получаемыми в песчаных формах. За счет меньшей скорости охлаждения сплава в оболочковой форме уменьшаются внутренние термические напряжения. Кроме того, при нагреве до высокой температуры оболочковая форма теряет свою прочность и в меньшей степени тормозит усадку затвердевшего сплава, что способствует понижению внутренних усадочных напряжений. Все это создает предпосылки для получения отливок с пониженными внутренними напряжениями. Однако значения возникающих внутренних напряжений зависят не только от свойств формы, но и от конструкции самой литой детали. Поэтому при проектировании литых деталей, намеченных к получению в оболочковых формах, используют те же рекомендации, что для деталей, получаемых в обычных песчаных формах.

Точность размеров у отливок, получаемых в оболочковых формах, повышается в сравнении с литьем в песчаные формы. Но так же, как и при литье в песчаные формы, она в значительной мере зависит от расположения элементов детали в литейной форме. Поэтому избегают такого расположения отливки, при котором базовые поверхности будут пересекаться поверхностью разъема литейной формы.

ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Сущность литья по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям известно много столетий. Оно применялось в художественном литье, в котором использовались восковые выплавляемые модели. Современный способ литья по выплавляемым моделям основан на применении моделей, изготовленных из легкоплавких материалов и огнеупорных красок или покрытий, наносимых на поверхности моделей. Литейная форма при этом способе получается без разъема, благодаря чему появляется возможность получения отливок высокой точности. Применение огнеупорных красок при изготовлении форм позволяет получить у литых деталей поверхности с малой шероховатостью.

Этот способ литья можно охарактеризовать как прогрессивный способ получения точных и сложных по форме отливок из любых литейных сплавов, в связи с чем оно получило широкое распространение в машиностроении, приборостроении, в инструментальном производстве, при изготовлении художественного литья, в том числе и ювелирных изделий. Литейная форма для этого способа литья представляет собой неразъемную тонкостенную, прочную, негазотворную, высокоогнеупорную оболочку с очень гладкой внутренней (рабочей) поверхностью. Такую оболочку изготавливают из мелкозернистых формовочных материалов по разовым (выплавляемым, растворимым или выжигаемым) моделям.

Литье по выплавляемым моделям заключается в следующем. Вначале по чертежу отливки (рис. 4.11, а) изготавливают пресс-форму (рис. 4.11, б), которая в дальнейшем служит для получения моделей из легкоплавких материалов.

Пресс-форма может быть изготовлена различными методами и из различных материалов (стали, алюминиевых сплавов, легкоплавких металлов, гипса, цемента, эпоксидной смолы и др.). По своей конструкции пресс-формы могут быть одногнездными и многогнездными. Полость пресс-формы, в которой формируют модель, должна быть выполнена с учетом усадки материала моделей и литейного сплава. Она должна иметь минимальное число разъемов, обеспечивать требуемую точность размеров и чистоту поверхности модели. Для получения моделей в пресс-формах применяют различные легкоплавкие материалы или составы (парафин, стеарин, церезин, канифоль и др.). Наибольшее распространение в отечественной промышленности нашли двухкомпонентные легкоплавкие материалы, состоящие из парафина и стеарина, температура плавления которых 50...60°С.

После подготовки пресс-формы (очистки, нанесения смазки и сборки) ее полость заполняют легкоплавким модельным составом, который подают или свободной заливкой (при температуре 70...90°С), или запрессовкой в пастообразном состоянии (при температуре 42...45°С).

Рисунок 4.11 - Последовательность получения заготовки при литье по выплавляемым моделям: а - отливка; б - пресс-форма; в - литейная форма; г - блок литейных форм; 1 - до покрытия оболочкой; 2 - после покрытия оболочкой

В полости модельный состав охлаждается и затвердевает. Полученную модель извлекают из пресс-формы и охлаждают до нормальной температуры. Следует иметь в виду, что с помощью пресс-формы образуют как наружные, так и внутренние поверхности модели. Стержни для получения внутренних полостей или отверстий при литье по выплавляемым моделям, как правило, не применяют. Если получить отливку без стержней невозможно, то последние изготавливают с высокой точностью чаше всего из специальных керамических материалов и вставляют в пресс-форму при сборке, перед подачей в нес модельного состава. Это очень усложняет процесс, что учитывают при проектировании деталей.

Полученные из легкоплавкого материала модели (рис. 4.11, в) позволяют перейти к изготовлению литейных форм. Однако при небольших габаритных размерах и массе отливок, получаемых при литье по выплавляемым моделям, изготовление форм для получения только одной отливки бывает нецелесообразно. Поэтому полученные модели чаще всего предварительно собирают в блок (рис. 4.11, г) с единой литниковой системой. Модель литниковой системы изготавливают отдельно в специальной пресс-форме. Блок объединяет от нескольких единиц до нескольких десятков моделей.

Основным материалом для получения формы при литье по выплавляемым моделям служит огнеупорная краска или покрытие. Огнеупорная краска представляет собой жидкую сметанообразную суспензию, состоящую из 55...60% тонкозернистого пылевидного кварца и 40...45% связующего раствора. В качестве связующего раствора применяют гидролизованный этилсиликат или жидкое стекло. Литейную форму получают нанесением огнеупорной краски на поверхность моделей, собранных в блок. Эту операцию чаще всего осуществляют погружением блока в бак с огнеупорной краской. Тонкую пленку, прилипающую к поверхности моделей и точно воспроизводящую форму, обсыпают мелким кварцевым песком. Песок внедряется в слой краски, задерживает ее на поверхности модели, формирует скелет оболочки-формы и увеличивает ее толщину. Создаваемая песком шероховатая наружная поверхность оболочки способствует хорошему сцеплению последующего слоя краски с предыдущим. Полученная таким образом оболочка из краски практически не обладает прочностью. Оболочка приобретает прочность в процессе сушки (2...4 ч) без повышения температуры. Толщина одного слоя оболочки составляет всего 1,0... 1,5 мм. В результате нанесения нескольких (3 - 5) слоев огнеупорной краски на блоке моделей образуется неразъемная оболочка - форма с достаточной прочностью (рис. 4.11, д).Далее выполняют технологическую операцию освобождения оболочки от моделей. Чаще всего модель в течение 10... 15 мин расплавляют в горячей воде (температура примерно 90 °С). Модельный состав, вытекающий через каналы литниковой системы, собирают и вновь используют для изготовления моделей, а пустую оболочку-форму просушивают.

Оболочку после удаления из нее моделей (рис. 4.12, а) прокаливают, помещая ее в неразъемную опоку (рис. 4.12, б). В зависимости от выбранного варианта технологического процесса пространство между стенками опоки и оболочки-формы заполняют наполнителем (крупнозернистый песок, чугунная дробь или другой материал) до обжига или сразу после него. Температура обжига форм составляет 900... I 000°С.

Прокаленную и заформованную оболочку заливают жидким литейным сплавом. При производстве сложных и тонкостенных отливок из стали полученную после обжига форму, не охлаждая, заливают металлом при температуре 900...950 °С, отливок из сплавов на основе меди - при температуре 600... 800 °С, отливок из сплавов на основе алюминия - при температуре 200...300 °С.

Толстостенные отливки из любых сплавов получают в охлажденных формах.

После заливки металла формы охлаждают и разрушают. При этом керамическая оболочка формы отслаивается от внешних поверхностей отливок, однако прочно удерживается во внутренних полостях, углублениях и отверстиях. Поэтому отливки, отделенные от литниковой системы, подвергают механической очистке (дробеструйной и гидроструйной, в галтовочных барабанах) или химико-термической очистке (в растворах или расплавах щелочей). Затем производят зачистку остатков от литников, прибылей и выпоров, термическую обработку (в случае необходимости) и контроль отливок.

Таким образом, но сравнению с другими способами литья процесс получения отливок по выплавляемым моделям имеет характерные особенности.

Первая особенность касается модели: модель отливки не имеет разъема и знаковых частей, ее контуры полностью и точно повторяют форму детали; модель всегда является одноразовой, т.е. служит для изготовления только одной литейной формы и в процессе изготовления формы уничтожается.

Вторая особенность связана с литейной формой: керамическая оболочка толщиной 2...8 мм не имеет поверхности разъема, формирующая отливку поверхность формы обеспечивает получение отливки с малой шероховатостью и требуемой точностью.

Наконец, третья особенность состоит в том, что металл заливают в горячие формы, что создает благоприятные условия для заполнения формы и питания отливки и позволяет получать тонкостенные отливки массой в несколько граммов.

Область применения литья по выплавляемым моделям

Для правильной оценки возможности применения литья по выплавляемым моделям необходимо сопоставить его преимущества и недостатки.

Этот способ литья позволяет максимально приблизить отливку по форме и размерам к готовой детали, а в ряде случаев получить литую деталь в окончательном виде, не требующую какой-либо дополнительной обработки перед сборкой. При этом достигается резкое снижение трудоемкости механической обработки, уменьшается расход металла и металлорежущего инструмента, сокращается потребность в металлорежущих станках. Создается также возможность для совершенствования конструкции деталей и объе-динения отдельных мелких деталей в цельнолитые узлы при уменьшении их габаритных размеров и массы.

Рисунок 4.12 - Заключительные операции изготовления оболочковой формы: а - удаление моделей выплавлением; б – прокаливание

Литье по выплавляемым моделям обладает следующими недостатками:

• процесс изготовлении формы многооперационный, трудоемкий и длительный;

• большое число технологических факторов, влияющих на качество формы отливки и соответственно сложность управлении качеством;

• большая номенклатура технологических материалов;

• повышенная температура заливки и применение предварительно нагретых форм приводят к снижению механических свойств;

• повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного.

Масса отливок при литье по выплавляемым моделям ограничена. Отливки изготавливают массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов, но преимущественно в пределах 50...500 г. Наибольшие размеры отливок достигают 1000 мм.

Данный способ оказывается наиболее рентабельным:

• при крупносерийном и массовом производстве мелких, но сложных и ответственных деталей, с высокими требованиями к точности размеров и шероховатости поверхности; особенно эффективно применение литья по выплавляемым моделям, если эти требования могут быть обеспечены влитом состоянии без последующей механической обработки;

• для деталей сложной конфигурации, которые нельзя изготовить как одно целое никакими иными способами;

• при изготовлении отливок со сложными внутренними очертаниями, когда достигается снижение себестоимости отливки за счет экономии металла;

• для деталей, изготавливаемых из металлов и сплавов, которые не поддаются обработке давлением, а также сплавов с низкими литейными свойствами.

Способ литья по выплавляемым моделям используют для получения отливок из литейных сплавов на основе железа, никеля, титана, меди и алюминия. Однако чаще всего этот способ литья применяют при производстве отливок из сталей, особенно из специальных, и сплавов, плохо поддающихся механической обработке.

Заливка форм, имеющих высокую температуру, позволяет получать отливки с малой толщиной стенок (0,5... 1,0 мм) при протяженности стенки до 50 мм. Тонкие стенки могут быть выполнены только при площади их поверхности не более 100×100 мм. Отдельные кромки отливок могут иметь толщину 0,7...0,8 мм и протяженность не более 10 мм. Оптимальная толщина стенок отливки составляет 6 мм, так как при большей толщине и недостаточном питании отливки жидким металлом могут появиться усадочные и газовые раковины и пористость.

Минимальная толщина стенок приведена в табл. 4.7.

Таблица 4.7 - Минимальная толщина стенок, мм

Сплавы	Наибольшие габаритные размеры отливок
	До 50	50-100	100-200	200-350	350-500
Сталь:
углеродистая	2,5-4	4-5	5-6	6-7	7-10
легированная	3-4,8	4,8-6	6-7,2	7-8	8-12
Алюминиевые	2,5-4	4-5	5-6	6-7	8-9
Магниевые	2,5-4	4-5	4-6	5-7	7-8
Медные	2-3	4-5	4-6	5-7	6-8
Цинковые	1,5-2	3-4	3,5-5	4-6	5-7
Оловянно-свинцовые	1,5-2	2-3	3-4	3,5-5	4-6
Чугун	2-3	3,5-4	4-5	4,5-6	5-8

При конструировании деталей, ориентируемых на изготовление их способом литья по выплавляемым моделям, избегают местных утолщений и резких переходов от толстого сечения к тонкому. Отношение толщин сопряженных стенок не должно превышать 1 :4. Для исключения коробления литых деталей с тонкими стенками протяженностью более 150 мм либо со стенками неравномерной толщины предусматривают технологические окна (отверстия) или ребра жесткости. Отверстия в отливках можно получить любой формы - как сквозные, гак и глухие, однако диаметром не менее 3 мм. Отверстия диаметром 3...5 мм рекомендуют выполнять только в отливках из сплавов, не поддающихся механической обработке. Сквозные отверстия рекомендуют выполнять в отливках при отношении их глубины к диаметру не более 2: 1, а глухие - при отношении 1:1; отверстия малого диаметра в стенках большой толщины выполняют при помощи трубок, залитых в отливке.

При необходимости выполнить отверстие в стенках отливок делают специальные выступы и бобышки (рис. 4.13). Высоту выступа устанавливают в зависимости от диаметра отверстия или толщины ступени Н =(4–6)D или Н ≥2,5t (рис. 4.13, а, б). Толщину стенки выступа назначают в зависимости от толщины стенки отливок t₁ =(1–1,5)t. Если отверстия расположены на торцах стенки (рис. 4.13, в, г), то соотношения размеров следующие: Н=2,25D, С=4,5В, А =1,5В.

Рисунок 4.13 - Формы выступов в отливках: а - на плоской стенке; б - в углу стенки; в, г - на торцах стенки

Прямые стенки большой протяженности рекомендуют заменять искривленными или предусматривать в них технологические окна для увеличения жесткости конструкции отливки; сопряжение стенок оформляют по радиусам или галтелью.

Следует избегать глубоких пазов и узких полостей, для оформления которых могут потребоваться стержни. Ширина паза или расстояние между выступами (рис. 4.14) могут быть выполнены при h <2b, если для сплавов цветных металлов b >1 мм, для стали b ≥2,5 мм.

Рисунок 4.14 - Размеры паза отливки

При данном способе литья наиболее качественными получаются сложные корпусные, компактные детали, поэтому желательно объединять несколько деталей в одну с последующим разделением их тем или иным способом. Крупные плоскостные детали, наоборот, целесообразно расчленять на более мелкие с последующей сборкой отдельных частей.

Экономическую целесообразность изготовления деталей литьем по выплавляемым моделям необходимо рассчитывать в каждом конкретном случае сравнением себестоимости детали, полученной этим способом, с себестоимостью деталей, полученных механической обработкой, штамповкой или литьем иным способом. Использование деталей, полученных литьем по выплавляемым моделям, вместо штампованных позволяет снизить расход металла на 55...75%, трудоемкость механической обработки - на 50...60% и себестоимость деталей - на 20 %.

Себестоимость 1 т литья, получаемого по выплавляемым моделям, при всех условиях значительно выше, чем при литье в песчаные или оболочковые формы. Например, в условиях массового производства на автомобильных заводах себестоимость 1 т отливок по выплавляемым моделям в 6 - 7 раз выше по сравнению с отливками, получаемыми в сырых песчано-глинистых формах, и в 5 -6 раз - по сравнению с отливками, получаемыми в оболочковых формах.

Поэтому способ литья по выплавляемым моделям применяют, прежде всего, в тех случаях, когда необходимо осуществить получение точных по конструкции и размерам отливок из сплавов со специальными свойствами, которые с очень большим трудом обрабатываются режущим инструментом, а также не могут подвергаться обработке давлением (штамповке). К таким отливкам относят лопатки газовых турбин, работающие при высоких температурах газа (900...950 °С), изготавливаемые из специальных жаростой-ких сверхтвердых сплавов. Другим примером может служить турбинное колесо турбокомпрессора, имеющее 18 лопаток сложного профиля, минимальная толщина которых равна (0,8 ±0,2) мм, а отклонение по шагу допускается не более ±0,3 мм. Изготовить подобную деталь методом механической обработки сложно. Похожими на рассмотренную деталь являются насосные крыльчатки или роторы. Для получения подобных деталей способ литья по выплавляемым моделям может оказаться единственно возможным или наиболее оптимальным.

Отливки, выполняемые литьем по выплавляемым моделям, применяют для изготовления разнообразных деталей авиационной и автотракторной промышленности, тяжелого, транспортного и нефтяного машиностроения, приборостроения, а также для деталей подшипников, весов, пресс-форм и штампов, бурового, режущего и измерительного инструмента.

Применение литья по выплавляемым моделям может оказаться рентабельным в условиях мелкосерийного производства, а также для получения опытных образцов деталей, которые при крупносерийном производстве должны изготавливаться другими способами точного литья, требующими дорогостоящей оснастки (литье под давлением, литье в оболочковые формы). В таких случаях рекомендуют снижать затраты на специальную оснастку путем применения гипсовых пресс-форм и разовых полистироловых моделей.

Контрольные вопросы

1. Металлическая форма является одноразовой или многоразовой?

2. В чем заключается основной недостаток металлических форм?

3. Из каких материалов изготавливают стержни для литья в металлические формы?

4. В каких случаях целесообразно применение металлических форм без разъема?

5. Почему при литье в металлические формы толщина стенок отливок должна быть больше, чем при литье в песчано-глинистые формы?

6. При каком типе производства экономически целесообразно применять литье в металлические формы?

7. Из какого материала изготавливают литейные формы для литья под давлением?

8. Каким образом при литье под давлением извлекают из формы готовую отливку?

9. Приведите примеры решения конструкторских задач применением литья под давлением.

10. Заготовки какой массы целесообразно получать литьем под давлением?

11. За счет чего происходит заполнение жидким сплавом литейной формы при центробежном литье?

12. Как распределяется прочность отливки, полученной центробежным литьем, по направлению от центра заготовки к периферии?

13. В каких местах отливок, полученных центробежным литьем, будет повышенная точность, а в каких - пониженная?

14. Какие заготовки, полученные центробежным литьем, не могут быть получены никаким иным способом литья?

15. Какую толщину имеет оболочка при литье в оболочковые формы?

16. Из какого материала изготавливают модели при литье в оболочковые формы?

17. Какова максимальная масса отливки, получаемой литьем в оболочковые формы?

18. Какие факторы определяют эффективность способа литья в оболочковые формы?

19. При каком типе производства экономически целесообразно применение литья в оболочковые формы?

20. За счет чего отливки при литье по выплавляемым моделям имеют высокую точность?

21. Из каких материалов изготавливают выплавляемые модели?

22. Применяют ли стержни для получения отверстий в отливках, полу­чаемых литьем по выплавляемым моделям?

23. За счет чего обеспечивается прочность оболочки формы для литья по выплавляемым моделям?

24. Для каких изделий экономически целесообразно применять литье по выплавляемым моделям

Лекция 5 ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК ОБЪЕМНОЙ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКОЙ