Лекция 2. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Лекция 2. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Литейное производство - отрасль машиностроения, изготавливающая заготовки или детали (отливки) заливкой расплавленного металла (расплава) заданного химического состава в полость литейной формы, имеющей конфигурацию отливки. При охлаждении, расплав затвердевает и сохраняет конфигурацию полости формы. Литьем можно изготавливать изделия очень сложной конфигурации, которые другими видами обработки - ковкой, штамповкой, сваркой - получить трудно или невозможно.

Литьем изготавливают: заготовки деталей общего назначения, к которым не предъявляются особые требования по механическим и эксплуатационным свойствам; заготовки ответственных деталей, таких как детали двигателей внутреннего сгорания (блоки цилиндров, поршни), рабочие колеса и лопасти газовых турбин, и т.д. Масса отливок может быть от нескольких граммов (детали приборов) до десятков тонн (станины станков, роторы турбогенераторов).

Жидкий металл заливают в разовые формы (после изготовления отливки их разрушают) и многократные (в одной форме можно получить от десятка до нескольких десятков тысяч отливок). Разовые формы изготавливают из неметаллических материалов (формовочных смесей). Многократные формы изготавливают из сплавов на металлической основе.

ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Принципиальная схема литья (на примере разовой разъемной литейной формы) показана на рис. 2.1, а.

Рис. 2.1 Схема процесса литья в разовые разъемные формы: а – принципиальная схема; б – отливка после выбивки; 1, 2 – нижняя и верхняя опоки; 3 – форма; 4 – полость формы; 5 – выпор; 6 – литейный стержень; 7 – вентиляционный канал; 8 – вертикальный канал (стояк); 9 - литниковая чаша (воронка); 10 - расплавленный металл; 11 - ковш; 12 – шлакоуловитель; 13 - горизонтальные каналы (питатели).

Жидкий металл 10 из ковша 11 заливается в литейную форму и через систему каналов поступает в полость 4 формы 3, заполняет ее и затвердевает. После затвердевания, извлечения из формы и обработки получается отливка (рис. 2.1, б). Для получения отверстий, полостей и других усложнений конфигурации отливок применяют стержни 6, которые устанавливаются при сборке формы.

Для получения отливки необходимо наличие трех технологических элементов: литейный материал, технологическое литейное оборудование и технологическая литейная оснастка.

Литейные материалы.

Литейные материалы (металлические сплавы, пластмассы, резина, керамика) должны обладать высокими литейными (технологическими), механическими и эксплуатационными свойствами.

Литейные свойства сплавов

При проектировании любой детали в первую очередь учитываются механические свойства сплава, но и дополнительно необходимо учитывать литейные свойства сплава, которые определяют возможность получения качественной отливки, т.е. отливки, отвечающей заданным требованиям. Наиболее важные литейные свойства сплавов:

а) жидкотекучесть;

б)усадка;

в)склонность к ликвации и поглощению газов.

Жидкотекучесть - это способность жидких металлов и сплавов заполнять ее полости и четко воспроизводить рельеф отливки. Жидкотекучесть сплава зависит от его физико-химических свойств (прежде всего - температуры ликвидус) и технологических факторов, прежде всего - температуры заливки. Для сплавов затвердевающих при постоянной температуре (чистые металлы и эвтектические сплавы) или в узком интервале температур (до 30оС) характерно последовательное затвердевание с образованием сплошной твердой корки на поверхности канала формы. Внутри этой корки остается жидкая фаза, способная затекать в канал. Сплавы с широким интервалом температур кристаллизации затвердевают с образованием разветвленных дендритов по всему сечению потока. Эти расплавы теряют способность течь в канале формы при наличии твердой фазы 20…30% от объема. С повышением температуры перегрева сплава жидкотекучесть увеличивается.

Усадка - это свойство литейных сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. На величину усадки влияют, прежде всего, химический состав сплава, температура заливки и свойства литейной формы. С повышением температуры заливаемого сплава усадка отливки увеличивается. Различают линейную и объемную усадку.

Линейная усадка - это уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры заливки до температуры окружающей средыб Величина линейной усадки может варьироваться от 1% у серого чугуна до 1, 5…2 % у сталей и цветных сплавов

Объемная усадка - это уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме. Объемная усадка приводит к образованию в отливках усадочных раковин, усадочной пористости, трещин и короблений.

С усадкой сплава связаны многие затруднения в производстве отливок. При торможении усадки (выступами формы, стержнями) в отливке возникают напряжения, которые могут вызвать ее коробление или образование трещин.

Для снятия усадочных напряжений применяют отжиг. Для этого отливки нагревают до высоких температур (но ниже температуры солидус) и медленно охлаждают вместе с печью. При медленном охлаждении (20 градусов в час) перепада температур в разных точках отливки не будет, и, следовательно, все ее части будут усаживаться равномерно. Часто отливки после предварительной (черновой) механической обработки просто вылеживаются длительное время перед окончательной обработкой.

Ликвация - это неоднородность химического состава по сечению отливки. Ликвация возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его жидкой и в твердой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяются компоненты.

Различают два основных вида ликвации: внутрикристаллическую (или дендритную ), характеризующуюся неоднородностью зерна металла, и зональную , когда различные зоны отливки имеют различный химический состав. Простейший случай ликвации связан с большой разницей плотностей компонентов сплава. Так, при литье свинцовой бронзы в нижних частях отливки содержание свинца будет выше, чем в верхних частях. Концентрация меди (более легкого компонента), наоборот, увеличится в верхних частях отливки.

В период затвердевания отливки из металла выделяются газы, которые растворены в расплаве. В результате этого в отливке образуются газовая пористость или газовые раковины, значительно понижающие комплекс механических свойств отливки. Источником газовых раковин может быть и форма при недостаточной ее газопроницаемости и при выделении ею большого количества газов. Газовые раковины чаще всего образуются около поверхности горизонтально расположенных стенок отливки, а также в местах, где затруднен газоотвод.

Литейное оборудование.

Литейное оборудование – это совокупность машин, автоматов, установок, плавильных печей, заливочных устройств, манипуляторов, предназначенных для выполнения процессов и операций изготовления отливок.. Каждый литейный процесс (формовка, плавка, заливка и др.) использует свои виды оборудования (формовочное, плавильное и др.) в соответствии с ГОСТ 18111-93*.

Литейная оснастка.

Технологическая оснастка литейного производства - средства технологического оснащения, дополняющие литейное технологическое оборудование для выполнения определенной части процесса получения отливок. К литейной оснастке по ГОСТ 17819-84* относятся литейные формы, стержни, модели и другие средства технологического оснащения.

Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой жидким металлом формируется отливка. Основные требования, предъявляемые к литейным формам, следующие:

Прочность - чтобы под действием напора расплава форма не только не разрушилась, но и не изменила размеры.

Газопроницаемость - чтобы газы, находящиеся как в полости формы, так и в расплаве, могли удаляться (во избежание газовой пористости и газовых раковин в отливках).

Стойкость к химическому взаимодействию с расплавом - чтобы обеспечить простоту извлечения и очистки отливок.

Литейная форма изготавливается с использованием следующей литейной оснастки:

1.Литейная модель. Для изготовления разовых форм применяются литейные модели, обеспечивающие образование в форме отпечатка, соответствующего конфигурации и размерам отливки.

Модели изготавливаются из дерева, пластмасс или металлических сплавов и могут быть разъемными и неразъемными, разовыми и многократными.

2.Литейный стержень – элемент литейной формы, предназначенный для образования отверстия, полости или иного сложного контура в отливке. Во многом благодаря применению стержней при литье возможно получение заготовок самой сложной конфигурации. Стержни, как и формы, могут быть разовыми и многократными, целиковыми и сборными.

Общая технология литья

Технология литья представляет собой совокупность большого количества отдельных процессов литейного производства, которые можно объединить в четыре этапа:

1. Технологическая подготовка процесса изготовления отливки. На основании конструкторской (чертеж детали, технические требования, условия работы детали в узле …) и технологической документации (величина партии, технологический маршрут обработки…) осуществляется: выбор способа литья, разработка чертежа отливки, проектирование технологической оснастки (модель, стержни, литейная форма …) разработка технологии, включая определение последовательности и технологических параметров отдельных процессов, операций и переходов.

2. Изготовление формы. На основании разработанных чертежей изготавливаются модель, стержни, необходимая технологическая оснастка. При литье в неметаллические формы наиболее ответственным и трудоемким процессом является формовка - изготовление литейных форм и стержней из формовочных и стержневых смесей. Чаще всего, литейная форма – разъемная (состоит из двух частей), что позволяет получать большинство отливок. Разовые формы, как и стержни, изготавливают уплотнением формовочной (стержневой) смеси в опоках (стержневых ящиках). Готовые части формы (полуформы) и стержни поступают на операцию сборки форм, которая включает установку, соединение и закрепление литейных стержней в литейной форме и частей формы между собой. Параллельно с формовкой и сборкой в плавильном отделении литейного цеха производится плавка – получение расплава нужного химического состава и температуры.

3. Заливка форм и охлаждение металла отливок. Собранные формы при помощи ковша или литейной машины заливают расплавом. Температура расплава равна: t заливки = t ликвидус + (100…150)º С. Заполнение формы расплавом требует определенного времени, что ограничивает производительность литья в целом. Для повышения качества отливок используется воздействие центробежных сил, электромагнитных полей, ультразвука и т.д.

4. Извлечение из форм и обработка отливок. Охлажденная до заданной температуры отливка удаляется из формы, и из нее извлекаются стержни.

Выбивка – извлечение отливки из формы. При литье в разовые формы эта операция осуществляется на вибрационных решетках.

Обрубка - отделение от отливок элементов литниковой системы, заливов по разъёму формы и неровностей поверхности. Осуществляется с помощью пневмомолотков (отливки из чугуна) и пневмозубил, резкой газом или плазмой (стальные отливки), абразивным и другим инструментом.

Очистка поверхности отливок от пригара, остатков формовочной и стержневой смеси. Для очистки применяют такие способы, как галтовка, дробеметный, электрохимический и др. Во вращающихся галтовочных барабанах пригар удаляется за счет трения поверхностей отливок друг о друга и о дополнительно загружаемые звездочки из белого чугуна. При дробеметном способе поверхность отливки очищается под воздействием потока чугунной или стальной дроби диаметром 1-3 мм. Скоростной поток дроби создается с помощью сжатого воздуха (в дробеструйных установках) или вращающихся лопаток (в дробеметных установках).

Зачистка - механическая обработка поверхности отливок с целью приведения ее в соответствие с требованиями по качеству поверхности. При этом удаляются остатки питателей, заливы по плоскости разъема формы и у знаковых частей стержней. Зачистку чаще всего осуществляют с помощью шлифовальных кругов и на обрезных прессах.

Термообработка отливок производится при необходимости повышения прочности (закалка), пластичности, обрабатываемости резанием, снятия внутренних напряжений (отжиг). В последнем случае, часто ограничиваются длительным вылеживанием отливок на складе

Контроль качества отливок предусматривает проверку соответствия продукции техническим условиям, включая отсутствие дефектов строения. Внешний осмотр позволяет выявить наружные дефекты (раковины на поверхности, сквозные трещины, перекос и т.д.). Точность размеров и шероховатость поверхности определяют с помощью мерительного инструмента (штангенциркулей, шаблонов, калибров) и специального оборудования (профилометров, координатно-измерительных машин). Для контроля структуры отливок применяют металлографию. С помощью неразрушающих методов контроля, таких как ультразвуковой, вихретоковый, рентгеновский, контролируют внутреннее строение металла.

СПОСОБЫ ЛИТЬЯ

В промышленности применяют множество способов литья, которые можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто все виды литья делят на литье в разовые формы (литье в песчано-глинистыеформы, в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям...) и литье в многократные формы (литьё в кокиль, под давлением, центробежное литье...).

Выбор способа литья определяется типом литейного сплава (легкоплавкий, тугоплавкий), объемом производства, заданными параметрами точности размеров и шероховатости поверхности получаемых отливок, и другими факторами.

Технология ручной формовки.

В зависимости от конфигурации отливки и условий производства применяют различные методы ручной формовки:

по моделям в почве (кессоне),

в опоках, с подрезкой, с отъемными частями, с перекидным или подъемным болваном, с фальшивой опокой, по шаблону, в стержнях, по скелетным моделям. Рассмотрим некоторые способы формовки.

Формовка по разъемной модели - наиболее распространенный способ формовки. При ручной формовке сначала изготавливают нижнюю полуформу (рис. 2.5, а). Затем изготавливают верхнюю полуформу (рис. 2.5, б). Для этого нижнюю полуформу переворачивают на 180°, на нижнюю половину модели шипам устанавливают верхнюю половину, монтируют модели шлакоуловителя, стояка и выпоров. Плоскость разъема (лад формы) посыпают разделительной смесью - графитом, мелкотертым кварцевымпеском. Верхнюю опоку устанавливают на нижнюю по направляющим штырям. В неё засыпают и уплотняют формовочную смесь, и получают верхнюю полуформу. После уплотнения смеси удаляют модели стояка и выпоров. Верхнюю полуформу снимают, переворачивают на 180°, удаляют из обеих полуформ модели (рис. 2.5, в), и приступают к сборке формы. Собранная и готовая к заливке форма показана на рис. 2.5, г.

Рис. 2.5. Формовка по разъемной модели:

а -г – последовательность формовки; МФ – разъем модели и формы

Отливку, показанную на рис. 2.6, при формовке невозможно извлечь без разрушения части формы (объем «К») (рис. 2.6, а). В таких случаях применяют формовку с подрезкой. Нижнюю полуформу уплотняют обычным способом и переворачивают. Срезают объем «К» (рис. 2.6, б). Образовавшуюся поверхность тщательно заглаживают. При формовке верхней полуформы (рис. 2.6, в), на месте этого объема образуется болван. Разъем формы получается не плоским, а фасонным. Далее устанавливают модель верхнего знака 2, поверхность разрезки посыпают разделительной смесью. Дальнейшие операции формовки не отличаются от операций обычной формовки.

Рис. 2.6. Формовка с подрезкой: а - – уплотненная нижняя полуформа; б - нижняя полуформа после удаления излишков смеси; в – форма в сборе; г – формовка по фасонной модельной плите; 1 – модель; 2 – модель верхнего знака; 3 – груз; 4 - модельная плита; 5 – гнездо знаков; 6 – модель подрезки; К – объем смеси, препятствующей извлечению модели; Ф - плоскость разъема полуформ; н – направление «верх» и «низ» по отношению к плоскости разъема полуформ.

Формовка по модели с отъемными частями применяется при изготовлении сложных по конфигурации отливок с выступающими элементами, когда применение модели с одним разъемом не позволяет извлекать ее половины из полуформ после уплотнения смеси. Отъемные части вида 1 (рис. 2.7, а, б) применяют при наличии в модели полости достаточной для удаления штифта 8. При формовке модели с отъемными частями вида 2 (рис. 2.7, а, в), смесь уплотняют до верхней плоскости отъемной части, затем извлекают шпильку 9 и заканчивают уплотнение. Крепление отъемной части 3 (рис. 2.7, а, г) называют «ласточкин хвост».

Рис. 2.7. Формовка по модели с отъёмными частями:

а – модель; б, в, г, - последовательность выполнения операций 4, 5, 6, 7 формовки; 1, 2, 3 – виды отъемных частей; 8 – штифт, 9 – шпилька; стрелками показаны перемещения отъемных частей, штифтов и шпилек.

Если невозможно расположить модель на плоской плите, применяют формовку с фальшивой опокой. В фальшивую опоку металл не заливают. Она служит только для формовки в качестве фигурной модельной плиты.

Лекция 2. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

12 3 4 5 Следующая ⇒