2. Литье в разовые песчано-глинистые формы
Литье в разовые песчано-глинистые формы является наиболее распространенным и относительно простым способом получения отливок. Разовые песчано-глинистые формы могут быть приготовлены либо непосредственно в почве (в полу литейного цеха) по шаблонам, либо в специальных ящиках-опоках по моделям. В почве получают отливки крупногабаритных деталей (станин, колонн и т.д.), более мелкие отливки обычно получают в опочных формах.
Внешнее очертание отливок соответствует углублениям формы, отверстия получают за счет стержней, вставляемых в полость формы.
Технологический процесс производства отливок в опочных формах (рис.1) состоит из трех стадий: подготовительной, основной и заключительной.
Модельная оснастка, изготовленная в модельных цехах, представляет собой приспособления, с помощью которых изготовляют формы и стержни. К оснастке относятся модели деталей, подмодельные щитки, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и опоки.
Модели (рис.2, а) служат для получения полости в земляной форме, которая по размерам и внешним очертаниям соответствует будущей отливке. Так как металл после затвердевания усаживается (уменьшается в объеме), размеры модели делают несколько большими.
Изготовляют модели из дерева, пластмассы или металла. Выбор материала зависит от условий производства и требований, которые предъявляют к отливке в отношении точности размеров и чистоты поверхности. Для того чтобы модели легко извлекались из формы, их делают с формовочными уклонами и часто разъемными, из двух и более частей, легко скрепляемых при помощи шипов.
Для получения отливок с отверстиями или углублениями на моделях в соответствующих местах предусматривают выступы — стержневые знаки, которые оставляют в форме отпечатки для установки стержней. Место, занимаемое в форме стержнем, не заполняется металлом и в отливке после удаления стержня образуется отверстие или углубление. Стержни изготовляют из особой стержневой смеси, набивая ее вручную или машинным способом в стержневые ящики (рис.2, б). При этом учитывают изменение размеров отливки при затвердевании металла. Размеры стержней должны быть меньше отверстий на величину усадки металла. В зависимости от сложности изготовления стержневые ящики делают цельными и разъемными. При небольших партиях стержней ящики делают из дерева, в массовом производстве, особенно при повышенных требованиях к точности литья, применяют металлические ящики (чугунные или из алюминиевых сплавов).
Модели литниковой системы предназначены для образования в форме каналов и полостей, служащих для подачи металла, задержки шлака и выхода воздуха из полости формы (рис.2, в). Устройство литниковой системы обеспечивает спокойное, безударное поступление металла в форму, предохраняя ее от повреждения.
Подмодельные щитки-плиты служат для размещения на них моделей и установки опоки при изготовлении литейной формы вручную.
В массовом производстве при машинной формовке эффективно применение тщательно обработанных деревянных или металлических модельных плит с прочно укрепленными на них или выполненными за одно целое, моделями деталей и элементами литниковой системы (рис.2, г).
Опоки — деревянные или металлические рамки, каркасы, основное назначение которых состоит в удерживании песчано-глинистой смеси, обеспечении достаточной прочности и жесткости формы при ее изготовлении, транспортировке и заливке металла.
Формовочные и стержневые смеси в основном состоят из кварцевого песка определенной зернистости и жароупорности.
Рис.1 Технологический процесс производства отливок в опочных формах
Формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью и газопроницаемостью, а формы и стержни, изготовленные из них,— достаточной прочностью. Эти свойства достигаются добавкой к основному материалу глины, льняного масла, декстрина, жидкого стекла, а также деревянных опилок или торфяной крошки. Увлажненная глина добавляется как связующее вещество.
Опилки, торфяная крошка, выгорая после заливки металла в формы, образуют дополнительные поры, увеличивающие газопроницаемость смеси.
Рис.2 Модельная оснастка:
а – модель детали; б – стержневой ящик; в – модель литниковой системы; г – подмодельная плита; д – опока.
Масляные крепители (олифа, льняное масло) обычно добавляют в стержневые смеси, которые должны обладать более высокой, по сравнению с формовочными, прочностью. Приготовление формовочных и стержневых смесей производится в землеприготовительных отделениях литейного цеха и включает операции предварительной подготовки (подсушивания, помола), дозирования исходных материалов и тщательного перемешивания их до получения однородного состава. В современных литейных цехах эти операции механизированы. Приготовленные смеси подвергают вылеживанию в бункере для более равномерного распределения влаги, а затем после разрыхления и контроля полученных свойств, транспортируют к рабочим местам формовщиков.
По назначению формовочные смеси подразделяют на облицовочные, наполнительные и единые. Облицовочные смеси, непосредственно соприкасающиеся с жидким металлом, приготавливают из более качественных свежих материалов. Наполнительной служит бывшая в употреблении (горелая) смесь. В массовом производстве формы изготовляют из единой смеси, материалом для которой является бывшая в употреблении смесь со свежими добавками песка, глины, крепителей и пр.
Изготовление стержней может производиться набивкой стержневой смеси в ящик и трамбовкой вручную или машинным способом. Машинное приготовление стержней осуществляется на прессовых, встряхивающих, пескометных и других стержневых машинах. В массовом производстве стержни изготовляют на поточных линиях, состоящих из стержневых машин, сушильных печей и различных транспортирующих устройств. Отформованные сырые стержни сушат при температуре 160 .300 °С в сушильных печах или камерах для придания им высокой прочности.
В последнее время на большинстве заводов применяется метод изготовления стержней из быстросохнущих смесей на жидком стекле. Сушка или химическое твердение стержней в этом случае достигается продувкой их углекислым газом в течение двух-трех минут. На некоторых заводах внедрена скоростная сушка стержней с помощью токов высокой частоты.
Применение указанных методов сушки способствует сокращению производственного цикла изготовления отливок в 2 -5 раз, увеличению съема отливок с 1 м2 производственной площади цеха, снижению расходов на транспорт и энергию.
Рис.3 Технологический процесс формовки втулки
Формовка — наиболее сложная и трудоемкая операция производства отливок в разовых песчано-глинистых формах. Трудоемкость изготовления литейных форм составляет 40 -60 % от общей трудоемкости получения отливок.
В условиях массового и крупносерийного производства мелких и средних по массе отливок применяется машинная формовка. Ручная формовка находит применение в индивидуальном и мелкосерийном производстве, а также при производстве крупных отливок. Понятие «ручная формовка» несколько устарело, так как многие работы (подача формовочной смеси, трамбовка, извлечение моделей, поворот и перемещение опок) в настоящее время механизированы.
Рассмотрим последовательность ручной формовки для отливок детали типа втулки.
На подмодельный щит 3 (рис.3, а) укладывается половина модели 2 и устанавливается нижняя опока, затем сквозь сито 4 на поверхность модели наносится противопригарный припыл — древесно-угольная пыль, графитовый порошок (рис.3, б). Лопатой 5 наносят на модель облицовочную формовочную смесь, а затем засыпают всю опоку наполнительной формовочной смесью (рис.3, в). Ручной или пневматической трамбовкой 6 уплотняют смесь (рис.3, г), сгребают ее остатки и накалывают душником (шилом) 7 отверстия для лучшего выхода газов (рис.3, д). Затем нижнюю опоку с заформованной моделью переворачивают на 180° устанавливают вторую половину модели 8 и верхнюю опоку 9 (рис.3, е). После установки моделей литниковой системы 10 в той же последовательности заформовывают верхнюю опоку (рис.3, ж). По окончании формовки опоки разнимают, осторожно удаляют модели, поправляют обрушившиеся места формы припыливают ее изнутри и, уложив в нижнюю полуформу на место знаков 11 стержень 12 (рис.3, з), вновь устанавливают верхнюю полуформу на нижнюю и скрепляют их при помощи болтов, струбцин или просто придавливают грузом, чтобы предотвратить прорыв металла по плоскости разъема формы. В таком виде литейная форма готова для заливки металла.
Для получения крупных отливок полуформы перед сборкой сушат при температуре 350 °С в течение 6 .20 ч в зависимости от габаритов формы.
Машинная формовка экономически целесообразна в условиях серийного и массового производства, когда формовочные машины загружены в течение не менее 40 .60 % рабочего времени. Однако опыт передовых заводов нашей страны показывает, что машинная формовка экономически оправдывает себя и в индивидуальном производстве, если применяются быстросменные модельные плиты. В этом случае смена моделей производится за 1,5 .2 мин, т.е. за короткое время можно перестраиваться на получение новых отливок.
Сущность машинной формовки заключается в механизации основных операций: установки модельных плит и опок, наполнения опок формовочной смесью, уплотнения смеси и удаления моделей из форм. Отдельные конструкции формовочных машин позволяют также механизировать некоторые вспомогательные операции: поворот опок, снятие готовых полуформ со стола машины, передачу их на сборку и т. п.
Машинная формовка не только облегчает труд рабочих-формовщиков, но и дает возможность повышать производительность труда, получать более точные отливки с меньшими припусками на механическую обработку, снижать брак.
На участок заливки форм расплавленный металл подается в разливочных ковшах различной вместимости.
Качество отливок во многом зависит от соблюдения правил заливки. Металл в форму заливают плавно, непрерывной струей до тех пор, пока он не покажется в выпорах и прибылях. Температура заливки всегда выше температуры плавления сплава, однако, перегрев его должен быть минимальным для обеспечения хорошего заполнения формы. При слишком высокой температуре заливки происходит обильное газовыделение, формовочная смесь пригорает к поверхности отливки, увеличивается ее усадка. Контроль температуры заливаемого металла осуществляется оптическими пирометрами или термопарами.
После затвердевания и охлаждения до определенной температуры, при которой отливки приобретают достаточную механическую прочность, производится выбивка их из форм; стержни выбиваются позднее, после дополнительного охлаждения отливок.
Выбивка отливок — одна из самых тяжелых операций литейного производства, сопровождающаяся большими выделениями теплоты и пыли. По трудоемкости операции выбивки, обрубки и очистки составляют 30 .40 % от общей трудоемкости изготовления отливок.
Сущность процесса выбивки заключается в разрушении формы, освобождении отливок от окружающей их формовочной земли. В современных литейных цехах процесс выбивки механизирован и осуществляется на различных вибрационных машинах, чаще всего, на встряхивающих решетках. Формовочная смесь проваливается через решетку, попадает на ленточный конвейер и транспортируется в формовочное отделение для повторного использования.
После выбивки производится обрубка и очистка отливок. Обрубка заключается в отделении от отливок прибылей, выпоров и заливов.
Обрубка — тяжелая операция, трудно поддающаяся механизации. Ее производят с помощью пневматических зубил, ленточных и дисковых пил, прессов, газовой резки.
Очистка отливок, осуществляемая после обрубки, заключается в удалении пригара формовочной земли (корки), окалины, мелких заусениц. Основная цель очистки — уменьшение трудоемкости последующей механической обработки и снижение интенсивности изнашивания режущего инструмента. Очистку отливок от пригоревшей земли и окалины производят во вращающихся (галтовочных) барабанах, на пескогидравлических и дробеметных аппаратах, а также химической и электрохимической обработкой внутренних поверхностей отливок, труднодоступных при других способах очистки.
Зачистка мелких заусениц, неровностей, оставшихся после обрубки, производится на переносных и стационарных шлифовальных станках крупнозернистыми абразивными кругами.
Перед отправкой в механические цехи стальные отливки обязательно подвергаются термической обработке — отжигу или нормализации—для снятия внутренних напряжений и измельчения зерна металла. В отдельных случаях термической обработке подвергаются отливки и из других сплавов.
Брак может возникать по различным причинам на всех стадиях литейного производства, при этом бывает брак исправимый и неисправимый. Основными видами дефектов в отливках являются: коробление; газовые, усадочные, земельные и шлаковые раковины; трещины; недолив металла и спай; отбел поверхности (У чугунных отливок). Поверхностные неглубокие дефекты устраняются заваркой, запрессовкой (эпоксидными смолами), металлизацией. Коробление иногда можно исправить правкой. Отбел ликвидируют дополнительным отжигом отливок.
При внутренних и глубоких наружных дефектах отливки отправляют на переплавку. Годные отливки направляют в механические цехи для дальнейшей обработки или на склад готовой продукции.