Литейное оборудование

Изготовление отливок является одним из наиболее широко используемых технологических процессов формирования деталей вследствие дешевизны и возможности его всестороннего применения. Процесс этот может быть применен при изготовлении как мелких, так и крупных деталей, как с простыми, так и со сложными очертаниями, как для индивидуального, так и для массового производства. Для отливок можно использовать различные сплавы. Во многих случаях стоимость отливок меньше, чем стоимость подобных деталей, полученных другими технологическими процессами.

С развитием техники отливки находят все новое и новое применение. Вместе с тем в некоторых случаях они заменяются деталями, изготовляемыми другими методами - например, штамповкой из металла, прессованием из пластических масс и т. п.

История изготовления коленчатых валов для двигателей внутреннего сгорания и для компрессоров с этой точки зрения является весьма характерной. Литые коленчатые валы, применявшиеся до конца XIX в., были заменены - казалось, бесповоротно - стальными коваными валами. Однако в течение последних двадцати лет, благодаря прогрессу в области производства легированного и модифицированного чугуна, а позднее чугуна с шаровидным графитом, вновь начали применять литые коленчатые валы, получившие в настоящее время широкое распространение. В качестве другого примера можно привести стальные рамы вагонных тележек. Первоначально они изготовлялись клепаными, позднее сварными, а в настоящее время преимущественно литыми.

Постоянное улучшение физических и механических свойств литейных сплавов, усовершенствование старых и введение новых процессов, позволяющих получать точное литье с гладкой поверхностью, не требующей механической обработки, и, наконец, постоянный рост производительности применяемых процессов изменяют не только технологический, но и экономический профиль современного литейного производства.

Выбор наиболее целесообразного технологического процесса изготовления отливок часто бывает затруднительным, так как одинаковые по качеству отливки можно получить несколькими различными способами. В таких случаях решающим для выбора является анализ с точки зрения экономичности.

Литье в металлические формы

Литье в металлические формы (кокили), особенно при серийном и массовом литейном производстве, дает следующие преимущества по сравнению с литьем в песчаные формы:

1) повышение качества получаемых отливок путем улучшения прочностных свойств, увеличения гладкости поверхностей, уменьшения допусков и припусков на обработку;

2) повышение технико-экономических показателей производства литья за счет увеличения производительности, упрощения технологии, частичной или полной механизации процесса производства, экономии металла, уменьшения количества брака, сокращения расхода формовочных и стержневых смесей, увеличения съема с 1 м² площади литейного цеха (обычно в 3-5 раз);

3) улучшение условий труда в результате устранения тяжелых работ при изготовлении форм и при выбивке литья, а также за счет уменьшения количества пыли.

Экономичность кокильного литья становится тем больше, чем дешевле кокиль, чем выше его стойкость, чем меньше применяется стержней (особенно песчаных), чем выше уровень механизации и, наконец, чем меньше расход металла и объем механической обработки. Последние соображения, иллюстрируемые фиг. 8, часто бывают решающими.

Обычно применение металлических форм считается экономически обоснованным, если серия простых отливок составляет несколько сотен штук, а сложных отливок - 1000-2000 шт. Оно ограничивается размером и весом отливок, их очертаниями, толщиной стенок и т. п., что подробно рассмотрено в седьмой части книги.

Заливка в металлические формы должна осуществляться непрерывно, в отличие от литья в песчаные формы, когда заливку можно производить либо непрерывно (например, с помощью движущегося транспортера), либо в определенные промежутки времени, после накопления соответствующего количества форм. С точки зрения организации производства литье в песчаные формы предоставляет большую оперативную свободу по сравнению с литьем в кокиль.

Постоянное наличие жидкого металла легко обеспечить, если плавка происходит одновременно в нескольких небольших печах или имеется возможность хранить расплавленный металл в течение длительного времени. Эти условия легче осуществить при плавке нежелезных сплавов и труднее - при плавке чугуна и стали. При чугунном литье согласование работы вагранки с темпом заливки металлических форм может встретить серьезные трудности. Для заливки стали в металлические формы цех должен иметь печь, позволяющую получать частые плавки небольших порций металла (например, малый конвертер, небольшая электрическая печь).

Получение в металлических формах чугунных отливок сложнее, чем получение отливок из легких или медных сплавов. Это обусловлено более высокой температурой заливаемого металла, большей опасностью возникновения трещин в отливках из-за торможения усадки, опасностью возникновения отбела в тонких частях отливок и, наконец, меньшей долговечностью форм. Еще большие трудности представляет получение стальных отливок, прежде всего ввиду опасности возникновения трещин и недоливов, а также из-за малой стойкости форм.

Строгое соблюдение технологических правил при литье в металлические формы имеет еще большее значение, чем при литье в песчаные формы. Следует также помнить о том, что запуск в серийное производство новых металлических форм требует довольно длительного времени для их изготовления, для получения и проверки пробных отливок и устранения возможных дефектов формы. Темп изготовления отливок в металлических формах более быстрый, чем в песчаных формах, поэтому если новое производство недостаточно изучено и налажено, возникает опасность получения большого количества брака.

Литье в металлические формы алюминиевых и медных сплавов широко применяется для изготовления:

а) деталей газовой, гидравлической и электрической арматуры: корпусов кранов и задвижек, муфт газопроводов и водопроводов, муфт электрических кабелей, оправ электрических ламп и т. п.;

б) предметов домоустройства, оборудования железнодорожных вагонов и автомобилей: ручек, задвижек, корпусов замков, плиток, валиков, вешалок и т. п.;

в) кухонной алюминиевой посуды: сковородок, чайников и т. п.

Получение в металлических формах отливок из алюминиевых и магниевых сплавов широко используется в машиностроении, в особенности в авиа-и моторостроении (головки цилиндров, блоки цилиндров, порщни и т. п.).

Совершенно очевидно, что конструктор отливок должен хорошо разбираться в конструировании металлических форм и работать в тесном контакте с технологом-литейщиком.

Из чугуна в металлических формах изготовляют детали арматуры, кухонную посуду, предметы широкого потребления, а также детали машин. До недавнего времени из чугуна отливали только небольшие детали машин.

Последние эксперименты показали, что литье в металлические формы целесообразно применять также для изготовления некоторых крупных деталей машин весом от нескольких сотен килограммов до 1-2 Т.

Обычно из стали в металлических формах изготовляют мелкие и средние отливки сравнительно несложной конфигурации и с не очень тонкими стенками.

Литье под давлением применяется для массового изготовления небольших тонкостенных точных отливок из сплавов цинка, алюминия, магния, меди, свинца и олова.

Применение литья под давлением имеет следующие основные преимущества:

1) большая точность отливок, соответствующая в среднем 10-12-му классам точности по ISA;

2) высокое качество поверхности: 5-8-й класс чистоты по PN;

3) возможность устранения в большинстве случаев механической обработки отливок или значительного уменьшения ее объема;

4) возможность получения отливки со сложной конфигурацией и с тонкими стенками (например, толщиной 0,7-1 мм),

5) повышенные прочностные свойства отливок;

6) высокая производительность машин (в среднем от 40 до 500 наполнений формы в течение часа);

7) высокий выход годного литья;

8) экономичность при изготовлении крупных серий отливок.

Следующие причины ограничивают применение литья под давлением:

1) высокая стоимость металлической формы; литье под давлением экономически выгодно только при крупносерийном производстве с количеством отливок не менее 5000-10000 шт. В некоторых случаях, однако, применение литья под давлением может быть целесообразным и для сравнительно небольшого количества точных деталей (3000-4000 шт.), когда оно устраняет дорогостоящую механическую обработку;

2) наличие в отливках мелкой пористости, что вызывается трудностью вентилирования формы, засасыванием воздуха во время заливки и ограниченностью питания отливки жидким металлом во время ее затвердевания.

Существуют два основных типа машин для литья под давлением: машины с горячей камерой сжатия и машины с холодной камерой сжатия.

В машинах с горячей камерой сжатия жидкий металл из камеры, составляющей часть машины, поступает в литейную форму под давлением поршня или с помощью сжатого воздуха. Сжатый воздух может воздействовать либо на всю поверхность расплавленного металла, либо на его отдельную часть. Ковш может быть неподвижным или подвижным.

При работе на машинах с холодной камерой сжатия металл, расплавленный вне машины, определенными порциями подается в камеру сжатия, откуда под давлением поршня поступает в форму.

На машинах с горячей камерой сжатия изготовляют отливки из сплавов с низкой температурой плавления (сплавы цинка, свинца, иногда сплавы алюминия и магния) под давлением от 20 до 250 кГ/см². На машинах с холодной камерой сжатия изготовляют отливки из сплавов с повышенной температурой плавления, например из медных сплавов; на этих же машинах изготовляются ответственные отливки из алюминиевых или магниевых сплавов. Давление, применяемое в гидравлических машинах с холодной камерой сжатия, составляет от 300 до 2200 кГ/см².

Допускаемые размеры отливок для литья под давлением зависят от их конструкции и от особенностей используемого сплава. Обычно отливки изготовляются небольшие - весом от нескольких десятков граммов до 5-6 кГ (в исключительных случаях до 10-16 кГ); габаритные размеры их не превышают 200-300 мм (в исключительных случаях 600-800 мм).

В последние годы сконструированы машины, позволяющие изготовлять под давлением большие и сложные отливки - такие, как блоки цилиндров двигателей весом до 25 кг - с производительностью до 30 шт. в час.

Литье под давлением применяется при изготовлении деталей радиоаппаратов, электроприборов, оптических приборов, фотоаппаратов, счетных и пишущих машин, деталей автомобилей (например, тормозные башмаки, кожухи, корпуса, лопасти вентилятора, рычаги, арматура и т. п.).

Центробежное литье имеет следующие преимущества: 1) улучшение качества отливок (по сравнению с отливками, полученными в песчаных формах): мелкозернистая структура металла, отсутствие пористости, высокая плотность, улучшение механических свойств; 2) увеличение выхода годного литья; 3) уменьшение расхода формовочной смеси или полное ее изъятие из процесса производства; 4) сокращение времени производства отливок; 5) улучшение условий труда в литейных цехах; 6) сравнительно недорогое оборудование.

При центробежном литье жидкий металл заливается во вращающуюся литейную форму. Во время заливки и застывания на жидкий металл действует центробежная сила, превышающая в десятки раз силу тяжести заливаемого металла. Благодаря этому в отливке создается плотная, мелкозернистая структура металла без пористости. Внешняя поверхность центробежной отливки образуется стенками формы, а внутренняя поверхность формируется центробежной силой и силой тяжести или может быть получена с помощью стержня.

Форма может вращаться вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси. Ось вращения может совпадать или не совпадать с осью отливки. Свободная внутренняя поверхность жидкого металла в форме, вращающейся вокруг горизонтальной оси, имеет форму цилиндра.

Поверхность металла в форме, вращающейся вокруг вертикальной оси, приобретает форму параболоида; при этом толщина стенок вращающейся отливки вверху меньше чем внизу. Если внутренняя поверхность отливки образуется с помощью стержня, то толщина стенок получается равномерной.

Заслуживает внимания центробежное литье деталей, не представляющих собой тела вращения. В этом случае формы устанавливают по окружности стола, вращающегося вокруг вертикальной оси. Жидкий металл, подаваемый через центральный стояк, под действием центробежной силы заполняет полости форм. Такой способ (центрифугирование) применяется для получения ответственных отливок в авиационной, автомобильной и машиностроительной промышленности.

Способом центробежного литья можно получить также двухслойные отливки, т. е. отливки, состоящие из двух слоев различных сплавов, например:

- чугуна и бронзы, серого и белого чугуна и т. д. При этом первый слой металла заливается в форму обычным способом. Второй слой заливается после короткого перерыва, необходимого для застывания поверхности первого слоя. Двухслойное литье применяется часто для подшипников, барабанов,

- червячных колес, цилиндров и т. д. Этот способ позволяет значительно снизить расход дефицитных металлов (олова, меди).

Способ центробежного литья позволяет одновременно отливать большое количество небольших одинаковых деталей путем стопочной установки форм на машине с вертикальной осью вращения или установки в ряд на машине с горизонтальной осью вращения.

Точное литье по выплавляемым моделям - предложения и описания технологии см. по ссылке.

Литье в оболочковые формы - в отличие от обычных песчаных форм и сплошных стержней при этом способе литья применяются полые стержни и формы в виде оболочек, толщина стенок которых составляет 4-7 мм При изготовлении оболочковой формы используются формовочные смеси, состоящие из мелкозернистого сухого кварцевого песка, смешанного с порошкообразной фенольно-формальдегидной смолой (пульвербакелитом).

Благодаря пластичности и высокой прочности смеси толщину стенок, форм и стержней можно свести к минимуму.

Для изготовления оболочковых форм обычно используют чугунные или стальные модельные плиты. После подогрева до температуры 200 - 240° модельная плита смазывается силиконовым маслом или другим разделительным материалом. Плиту накладывают на бункер, содержащий формовочную смесь, после чего бункер вместе с плитой переворачивают на 180°. Тепло нагретой плиты растапливает связующий материал смеси в прилегающем к плите слое. Пластичная формовочная смесь, обволакивая модель, образует таким образом ее негатив. Когда толщина слоя формовочной смеси становится достаточной (что наступает через несколько десятков секунд), бункер вместе с плитой вновь поворачивают на 180°. Формовочная смесь, которая не прогрелась в достаточной степени, ссыпается на дно бункера. Образовавшуюся на модельной плите оболочку вместе с плитой снимают и помещают в печь для дальнейшего затвердевания, которое происходит в течение 1-2 мин. при 350°. Далее с помощью толкателей оболочку снимают с плиты. Освободившаяся модельная плита готова для формовки следующих оболочек.

В изготовленные подобным образом половинки форм вкладывают стержни, обе половинки соединяют и скрепляют скобами. Формы для заливки устанавливают в ряд в ящике (вертикально или с небольшим наклоном), а пространство между ними заполняют металлической дробью, которая упрочняет стенки формы. Для небольших отливок, когда ферростатическое давление невелико, можно половинки формы только склеивать под прессом.

Оболочковые стержни изготовляются путем вдувания в подогретые металлические ящики смеси кварцевого песка и термореактивной смолы, которая после нагрева образует оболочку. Неспекающаяся смесь удаляется, а полость в готовом стержне, если есть необходимость в его упрочнении, заполняется кварцевым песком.

После заливки формы металлом смола частично выгорает, а сама форма рассыпается, что облегчает очистку отливок. Готовые оболочковые формы и стержни негигроскопичны, поэтому их можно хранить до заливки металла в течение длительного времени.

Из-за малой толщины стенок оболочковые формы отличаются хорошей теплоотдачей. Поверхность отливок, изготовленных в оболочковых формах, получается гладкой и чистой (4-5-й классы чистоты по PN).

Точность размеров отливок обычно соответствует 12-14-му классам по ISA; при этом следует помнить, что точность размеров, находящихся в плоскостях, пересекающих поверхность разъема формы, более низкая, чем других размеров, не расположенных в таких плоскостях.

В оболочковых формах могут быть изготовлены отливки из многих литейных сплавов, вплоть до кислотостойкой стали. Только получение отливок из низкоуглеродистой стали и магниевых сплавов вызывает известные трудности. Однако при строгом соблюдении технологии можно получить здоровые отливки и из этих сплавов.

Способ литья в оболочковые формы наиболее пригоден для изготовления сложных и точных тонкостенных отливок, таких как головки, цилиндры небольших двигателей, распределительные валы автомобильных двигателей, клапаны и т. п. В настоящее время в оболочковые формы заливается до 40% по весу всех деталей двигателя легковой автомашины. Вес отливок колеблется в пределах от нескольких граммов до десятков килограммов.

Изготовление оболочковых форм сравнительно легко автоматизировать. В настоящее время на многих автозаводах работают формовочные одноплитные и многоплитные полуавтоматы и автоматы.

Кроме описанного способа, известного в зарубежной литературе под названием «процесс С» (первая буква фамилии изобретателя - Croning), существуют другие способы, основанные на том же принципе использования тонкостенных оболочек; например, так называемый «процесс Д» (Dietert), в основе которого лежит получение оболочек путем вдувания формовочной смеси в зазор между моделью и перекрывающим ее сушителем соответствующей конфигурации.

После удаления модели сушитель вместе с оболочкой помещается в печь. Высушенную оболочку вместе с сушителем удаляют из печи и затем с него снимают. Процесс Д употребляется чаще, чем процесс С, ввиду того, что связующие материалы для формовочной смеси в процессе Д дешевле, чем термореактивная смола, и изготовление форм происходит быстрее.

Литье в формы с химическим твердением

По этому способу формы и стержни изготовляют из смеси, состоящей из кварцевого песка с добавкой силиката натрия (жидкое стекло), а затем подвергают воздействию двуокиси углерода. Химическая реакция между СО₂ и жидким стеклом, вызывающая затвердевание смеси, происходит в доли минуты, причем форма не деформируется. Таким образом, из формовочной смеси, первоначально пластичной и удобной для формовки, после химического твердения получают стержни и формы, достаточно прочные, чтобы противостоять механическому воздействию, а также воздействию струи жидкого металла. При химическом твердении отпадает необходимость в высушивании форм, устраняются связанные с этим неудобства и расходы.

Рассматриваемый способ использовался до сих пор главным образом для изготовления стержней, однако довольно часто с его помощью изготовляют также и формы. Он применяется для литья как из железных, так и нежелезных сплавов, как для индивидуального, так и для серийного производства, как для крупных (весом в несколько тонн), так и для мелких отливок. Иногда этот способ используют для оболочковых форм, изготовляемых процессом Д.