Общие тенденции развития технологии литья

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

На историческом пути развития литейного производства от примитивной технологии древности и Средневековья до современного уровня изменялось металлургическое оборудование:

• росла вместимость ванны, причем не за счет углубления ямы, а, наоборот, путем подъема дна и сооружения ограничивающих вертикальных стенок;

• совершенствовались способы отделения шлака от металла — появилось специальное отверстие в стенке верхней части ванны для удаления шлака (подобные отверстия в нижних частях ванны служили для выпуска металла);

• изменялись методы подачи воздуха (дутья) — от естественной тяги до искусственных, в простейших случаях использовали ручные и ножные мехи;

• осваивалась плавка металла в тиглях из обожженной глины или камня, часто имевших носик для разливки металла. Так, например, в нурагах Сардинии — древних каменных укрепленных жилищах, относящихся к бронзовому веку, были найдены каменные ложки, служившие для разливки полученной в печи бронзы (рис. 7).

Рис. 7. Металлургическая оснастка из обожженной глины, используемая в бронзовом веке. Плавильные тигли, найденные: 1, 2 — в Трое, Греция; 3 — в Монзесе, Австрия; 4 — в Велем Сцен Виде, Венгрия; 5 — наконечник воздуходувных мехов (Баядал, Австрия)

Конструкция и методы изготовления литейной формы также претерпевали изменения в связи с необходимостью повышения качества отливок, их сложности, потребительских свойств. Видимо, самой древней, открытой, разовой формой был оттиск по образцу (эталону) сначала просто во влажной почве, а затем в специально подготовленной «постели» из увлажненного мелкого песка с глиной (сейчас это называется песчаной формой). Образцом являлось изделие, которое можно было воспроизвести (способ используется до сих пор в ремонтных целях для изготовления аналогичной, вышедшей из строя несложной детали). Сначала в качестве образцов чаще служили каменные, более грубые и простые по конфигурации изделия, что отражалось на форме их металлических копий. При этом форма отливки могла быть улучшена ковкой, чеканкой, особенно если отливки были из пластичного металла. Постепенно, по мере совершенствования оригинала (модели), который мог быть и металлическим, улучшались и его литые копии. В ряде случаев модель для изготовления литейной формы могла быть и деревянной.

Замена эталонного изделия его моделью сыграла важную роль в развитии приемов изготовления формы. Кроме того, отливка, полученная по оригиналу изделия, как правило, меньше оригинала из-за усадки металла при охлаждении. Причем чем крупнее отливка, тем более заметно было это различие.

Это обстоятельство, мало существенное для малых отливок, приобретает решающее значение для точных и больших машиностроительных деталей. Указанное несоответствие можно исключить при использовании модели несколько больших, чем оригинал, размеров с учетом будущей усадки материала отливки.

Таким образом, в отливках, изготовленных методом литья в песчаные формы, получали возможность воспроизводить все мелкие подробности конфигурации оригинала. Важно было лишь обеспечить четкий отпечаток в процессе равномерного осаживания модели в «постель» (рис. 8, а) и не повредить его при извлечении модели из не очень прочной формы (рис. 8, в).

Процесс литья в песчаную форму, изготовленную по модели, совершенствовался, усложнялся, детализировался, прежде чем стал пригодным для современного, в том числе автоматического, производства отливок. Однако спустя тысячелетия он не потерял своего значения.

Позднее была создана многократно используемая литейная форма, по отпечатку которой можно последовательно получать несколько отливок с одинаковыми геометрическими размерами. Материалом для таких форм могли служить обожженная глина или мягкие камни. На рис. 9 показан пример такой открытой каменной формы для отливки бронзового ножа.

Рис. 8. Схема изготовления открытой формы в почве:

а — осаживание модели;

б — отделка верхней поверхности формы; в — извлечение модели

Рис. 9. Каменные литейные формы и отливки:

а — открытая каменная форма для ножа; б — бронзовый литой нож;

в — закрытая двухгнездовая форма для пальстабов (топор)

Идея литья в постоянные формы и ее реализация зародились в глубокой древности. Однако широкое использование такого способа получения литых изделий началось через тысячелетия, когда материалами для форм стали сплавы на основе железа. Это позволило увеличить стойкость форм, существенно улучшить конструкцию и способы их изготовления. Сейчас металлические формы являются основным инструментом для получения отливок из низкотемпературных цветных сплавов (на основе цинка, алюминия и других металлов).

Следующим важнейшим элементом конструкции литейных форм, позволившим расширить ассортимент отливок и приблизить их конфигурацию к готовому изделию, стал литейный стержень, формирующий внутреннюю часть отливки. Вот некоторые требования к свойствам литейного стержня:

• он должен иметь определенную прочность, чтобы его можно было переносить и устанавливать в форму;

• он не должен быть слишком прочным, чтобы его можно было вынимать из отливки без ее разрушения (лучше разрушить стержень).

Простые стержни можно было изготовлять из глины. В России литейные стержни долго называли «шишками».

Возможно, мастера в древности использовали в качестве круглых литейных стержней сосновые или кедровые шишки.

Следующим этапом развития технологического процесса литья явилось получение сложных пустотелых отливок со стержнями, формирующими внутренние полости.

По древнему способу сначала изготавливали из глины или гипса стержень-болван, имевший грубо приближенное очертание будущего изделия. Затем мастер-художник, в большинстве случаев он же литейщик, лепил на этом болване восковую модель изделия. После этого, прикрепив к модели восковую литниковую систему, он приступал к изготовлению формы. Формовочная смесь, разведенная до консистенции сметаны, наносилась тонкими слоями с промежуточной подсушкой на воздухе (сейчас слои наносят последовательно окунанием в жидкую композицию связующего с обсыпкой огнеупорным наполнителем). После получения оболочки достаточной манипуляторной прочности ее можно обмазать глиной и всю форму прокалить для удаления восковой модели.

В современном технологическом процессе литья промышленных изделий по выплавляемым моделям модели из легкоплавких материалов получают в пресс-формах: гипсовых — при мелкосерийном производстве, металлических — при массовом.

Освоение производства более крупных пустотелых и относительно тонкостенных, сложных по форме отливок поставило перед литейщиками еще одну важную задачу — качественно заполнить форму металлом. Простейшие литниковые системы не могут решить ее. Кроме того, не так просто до заливки металла полностью удалить из формы материал восковой модели. Остатки воска в форме могут служить источником дефектов в отливке.

На рис. 10 показана бронзовая отливка фигуры оленя после разрушения формы, до того как начаты отделочные операции. На отливке сохранились литниковая система — семь разветвляющихся каналов, которые соединяются в одной литниковой чаше, и система специальных, дополнительных каналов, по которым происходит полное удаление материала восковых моделей из формы. Последняя система каналов служит также для свободного выхода воздуха из полости формы при заливке ее жидким металлом.

Рис. 10. Фигура оленя, полученная литьем по выплавляемым моделям

после извлечения из формы. Бронза

Подобно получению бронзовой отливки оленя, происходило изготовление цельнолитного памятника Петру I — «Медного всадника». Отлитый при императрице Елизавете первый памятник Петру I по модели К. Б. Растрелли не понравился Екатерине П, хотя портретное сходство (есть бюст Петра I в Эрмитаже) признается наилучшим. Возможно, императрицу не удовлетворяла широко распространенная композиция памятника, и она пригласила работавшего во Франции известного скульптора Э. М. Фальконе сделать новый памятник. В 1770 г. Фальконе закончил одобренную Екатериной модель статуи. Голову Петра I выполнила приехавшая с ним его молодая ученица М. Колло. Сам памятник (рис. 11) изготавливали более десяти лет — сначала скульптор с литейным мастером Б. Эрсмоном (первые два года), а затем только скульптор.

Рис. 11. Памятник Петру I «Медный всадник». Бронза.

Скульптор, литейный мастер Э. М. Фальконе, 1782 г.

Один из знатоков искусства того времени Д. Дидро писал Фальконе о виденной им модели: «Труд этот, как истинное прекрасное произведение, отличается тем, что кажется прекрасным, когда его видишь в первый раз, а во второй, третий, четвертый раз представляется еще более прекрасным: покидаешь его с сожалением и всегда охотно к нему возвращаешься».

Технологический процесс изготовления «Медного всадника» мало чем отличается от литья ранее изготавливаемых статуй. Однако представляет интерес необычность композиции такой крупной скульптуры (масса ее примерно 10 т). Вздыбленная лошадь стоит на двух ногах и подперта хвостом — три точки опоры.

Фальконе решил проблему устойчивости скульптуры, соединив хвост лошади с извивающейся на земле змеей, организовав, таким образом, дополнительную опору для всей скульптуры (растоптанная змея, кстати, имела и смысловое значение, символизируя побежденное сопротивление преобразованиям Петра I). Чтобы гарантировать устойчивость статуи, Фальконе обеспечил положение ее центра тяжести между задними, опорными ногами и хвостом за счет неравномерной толщины тела отливки и специального железного каркаса в задних ногах и в хвосте коня. Толщина стенки отливки изменяется постепенно от 7, 5 мм в голове, передних ногах и груди коня до 30 мм в районе бедер и хвоста; масса специального каркаса в статуе — около 4 т. Важное значение для распределения силовых нагрузок имели конструкция специального каркаса в этой части скульптуры и способы соединения его с отливкой. Сложность проблемы усугублялась тем, что скульптура ориентирована строго с юга на север, а направление ветров в Санкт-Петербурге — с запада на восток, т. е. возникает значительный «парусный» эффект.

Исследование статуи во время ремонта в 1976 г. дало необходимые сведения о конструкции каркаса (рис. 12, а). Так, в опорной части отливки он состоит из стального горизонтального бруса сечением 45 х 100 мм, расположенного на уровне основания хвоста и имеющего форму дуги, воспроизводящей очертания крупа коня. По всей длине брус, кроме зоны Б, где расположен плащ всадника (рис. 12, б), примыкает непосредственно к внутренней стенке отливки. Брус толщиной 30 мм и шириной 100 мм залит в четыре прилива, составляющие одно целое с фигурой (рис. 12, в).К горизонтальному брусу с обеих сторон болтами прикреплены стойки, находящиеся в ногах коня. В сечении В—В эти стойки также залиты в прилив на стенке отливки (рис. 12, г).И наконец, в нижней части ноги бронза слоем толщиной 8-12 мм залита непосредственно на стальную стойку, которая входит в фундамент. Каркас из хвоста коня проходит в тело змеи и в постамент. Таким образом, всю нагрузку в опорных частях статуи (ногах, хвосте) несет стальной каркас, прочно соединенный с отливкой и надежно обеспечивающий целостность и устойчивость монумента. Отсутствие доступа влаги и воздуха к каркасу гарантирует его сохранность.

Рис. 12. Конструкция несущего стального каркаса

монумента «Медный всадник»

Сложный, многооперационный, трудоемкий технологический процесс производства цельнолитых статуй обеспечивал малую их надежность. Несмотря на мастерство и находчивость литейщиков, им часто не удавалось избежать многочисленных дефектов в этих статуях, требовавших дополнительных операций для исправления. Если прибавить к этому необходимость отделки отливки в многочисленных местах присоединения различных технологических каналов, то продолжительность отделочных работ из-за их значительного объема могла составлять два-три года. Так, например, в отлитой известным литейным мастером Гоором в Копенгагене статуе Фредерика V в течение двух лет пришлось заделывать, зачеканивать и запаивать несколько сотен раковин, свищей и других дефектов. Случались и аварии: разрыв формы, выброс металла и пр., которые могли вообще свести на нет плоды многолетнего труда.

Известна такая подробность из истории литья «Медного всадника». При первой заливке формы монумента в декабре 1775 г. прорвавшийся из формы металл вызвал большой пожар. Только мужество литейщика Хайлова, руководившего тогда плавкой и заливкой, спасло форму от полного уничтожения. Причина пожара заключалась, видимо, в повреждениях литниковых и выпорных каналов со стороны хвоста коня из-за деформации стального каркаса при его нагреве во время заливки или ранее — при вытапливании воска и прокалке формы. В результате аварии образовались многочисленные крупные дефекты (недоливы, спаи) в голове лошади и фигуре всадника выше пояса.

Фальконе разработал такой план спасения статуи. Решено было дефектную часть статуи срезать и вновь долить ее, нарастив новую форму непосредственно на сохранившиеся части монумента. С помощью кусков гипсовой формы 5 (рис. 13, б)была получена восковая модель 6 верха отливки, являющаяся продолжением стенки 1 отлитой ранее части статуи (рис. 13, а). Остальные элементы изготовления добавленной формы были подобны ранее использованным (2, 4 — формовочный материал, 3 — керамическая кладка).

Рис. 13. Последовательность операций по восстановлению формы

монумента «Медный всадник»:

а — граница раздела частей статуи;

б — срез части литейной формы на границе раздела

Вторую заливку металла произвели в ноябре 1777 г., и она полностью удалась. В результате была получена цельнолитая статуя, отлитая в два приема, и обеспечена близость химического состава металла верхней и нижней частей статуи, заливавшихся с перерывом в два года.

⇐ Предыдущая 1 23