Махаринский Е.И. Технология машиностроения

Подождите немного. Документ загружается.

лость формы или к другим элементам системы: шлакоуловителя для удержания

шлака и других неметаллических примесей и питателя, через который расплав-

ленный металл подводится в полость литейной формы. Для вывода газов, кон-

троля заполнения формы расплавленным металлом и питания отливки при ее

затвердевании служит выпор 5, который выполняют в верхней полуформе.

Заливают формы расплавленным металлом из конических, барабанных и

других ковшей, футерованных огнеупорным материалом и высушенных до

полного удаления влаги. Температура заливки металла зависит от рода сплава

толщины стенок отливок, их конфигурации и т п. Заливку форм ведут без пере-

рыва, при полном заполнении литниковой чаши.

После заливки и охлаждения металла отливки выбивают из форм на вибра-

ционных решетках и очищают от приставшей или пригоревшей формовочной

смеси в очистных барабанах или дробеметных устройствах камерного или ба-

рабанного типа. При очистке в дробеметных устройствах отливки подвергаются

ударному воздействию струи металлической дроби, выбрасываемой дробемет-

ным колесом со скоростью до 70 м/с. Обрубку и зачистку отливок от остатков

питателей, заусенцев и заливок производят абразивными кругами или на обрез-

ных прессах.

2.4. Литье в кокиль

Сущность литья в кокиль состоит в применении металлических литейных

форм, используемых многократно для изготовления отливок одного типоразме-

ра. При этом кокиль формирует не только конфигурацию, но и свойства отли-

вок. Содержание основных технологических операций литья в кокиль:

1) подготовка кокиля к работе (очистка рабочей полости и разъема от за-

грязнений, ржавчины и пригара);

2) нанесение слоя огнеупорного покрытия (облицовки и краски) на поверх-

ность рабочей полости и металлические стержни;

3) нагрев кокиля до рабочей температуры, зависящей в основном от со-

става заливаемого сплава и толщины стенки отливки (для серого чугуна -

300 – 350°С);

4) сборка кокиля заключается в установке стержней, соединения и скреп-

ления половин кокиля;

5) заливка жидкого металла в кокиль;

6) после предварительного охлаждения отливки до заданной температуры

кокиль раскрывают, извлекают металлические стержни и удаляют отливку из

кокиля;

7) выбивка песчаных стержней, обрезка литников, прибыли, выпоров»;

контроль качества.

Кокиль обладает по сравнению с песчаной формой большей теплопровод-

ностью, теплоемкостью и прочностью, нулевой податливостью, газопроницае-

мостью и газотворностью. В связи с этим процесс формирования отливок, тре-

бования к конструкции отливок и их качество имеют ряд особенностей.

1. В связи с высокой теплопроводностью кокиля по сравнению с песчаной

формой отливка охлаждается быстрее, что осложняет получение отливок из

сплавов с пониженной жидкотекучестью и ограничивает минимальную толщи-

ну стенок и размер отливок. Но при этом повышенная скорость охлаждения

обуславливает получение плотных отливок с мелкозернистой структурой.

2. Кокиль практически неподатлив и поэтому препятствует усадке металла

при охлаждении отливки, что затрудняет извлечение ее из кокиля и обуслав-

ливает возникновение внутренних напряжений, которые, в свою очередь, мо-

гут привести к появлению трещин и короблению.

Вместе с тем, кокиль обеспечивает получение более точных размеров от-

ливок, соответст-

вующих 12 – 15 ква-

литетам. Следова-

тельно, возможно

снизить припуски на

обработку.

В зависимости от

расположения по-

верхности разъема

кокили бывают с го-

ризонтальным разъе-

мом, неразъемные

(вытряхные), с вер-

тикальным разъе-

мом (рис. 2.3) и со

сложной (комбиниро-

ванной поверхностью

разъема).

Достоинства

литья в кокиль:

1. Повышение

производительности труда в результате исключения трудоемких операций сме-

сеприготовления, формовки, очистки отливок от пригара.

2. Размеры рабочей полости кокиля могут быть выполнены значительно

точнее, чем песчаной формы. Поэтому отливки в кокилях получаются более

точными. При этом точность по 12 квалитету возможна для размеров, располо-

женных в одной части формы. Точность размеров расположенных в двух и бо-

лее частях формы, а также оформляемых подвижными частями формы ниже.

3. Физико-химическое взаимодействие металла отливки и кокиля мини-

мально, что способствует повышению качества поверхности отливки. Отливки

в кокиль не имеют пригара.

Недостатки:

1. Высокая стоимость кокиля, сложность и трудоемкость его изготовления.

2. Ограниченная стойкость кокиля, измеряемая числом годных отливок,

которые можно получить в данном кокиле. От стойкости кокиля зависит эко-

а б

Рис. 2.3. Конфигурации кокилей: а- с горизон-

тальным разъемом и песчаным стержнем; б– вы-

тряхной неразъемный; в– с вертикальным разъемом

номическая эффективность процесса, особенно при литье чугуна, стали, и по-

этому повышение стойкости кокиля является одной из важнейших проблем

технологии кокильного литья этих сплавов.

3. Сложность получения отливок с поднутрениями, для выполнения кото-

рых необходимо усложнять конструкцию формы — делать дополнительные

разъемы, использовать вставки, разъемные металлические или песчаные стерж-

ни.

4. Отрицательное влияние высокой интенсивности охлаждения расплава в

кокиле по сравнению с песчаной формой. Это ограничивает возможность полу-

чения протяженных тонкостенных отливок, а в чугунных отливках приводит к

отбелу поверхностного слоя, ухудшающему обработку резанием; вызывает не-

обходимость термической обработки отливок.

5. Неподатливый кокиль приводит к появлению в отливках напряжений, а

иногда к трещинам.

2.5. Литье по выплавляемым моделям

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в использовании

точной неразъемной разовой модели, по которой из жидких формовочных сме-

сей изготовляется неразъемная керамическая оболочковая форма. Перед залив-

кой расплава модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием, раство-

рением или испарением: для удаления остатков модели и упрочнения форма

может быть нагрета до высоких температур, что улучшает ее заполняемость

расплавом.

Основные операции технологического процесса. Модель или звено моде-

лей 2 изготовляют в разъемной пресс-форме 1, рабочая полость которой имеет

конфигурацию отливки с припусками на усадку и обработку резанием (рис.

2.4, а). Модель изготовляют из материалов, имеющих невысокую температуру

плавления (воск, стеарин, парафин), способных растворяться (карбамид) или

сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или

звенья моделей собирают в блоки 3 (рис. 2.4, б), имеющие модели элементов

литниковой системы из того же материала, что и модель. Блок моделей состоит

из звеньев, центральная часть которых образует модели питателей и стояка.

Модели чаши и нижней части стояка изготовляют отдельно и устанавливают в

блок при его сборке. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовоч-

ной смесью — суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидного

огнеупорного материала, например, кварца или электрокорунда, и связующего

(рис. 2.4, в). В результате на поверхности модели образуется тонкий (менее 1

мм) слой 4 суспензии. Для упрочнения этого слоя, увеличения его толщины на

него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый пе-

сок, электрокорунд, зернистый шамот) (рис 2.4, г). Операции нанесения суспен-

зии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщи-

ны (3–10 слоев).

Рис. 2.4. Последовательность изготовления многослойной оболочковой

формы по выплавляемым моделям:

а - изготовление модели, б - сборка блока, в - погружение блока в жидкую смесь, г-

обсыпка, д – сушка, е - уплотнение модели, ж – засыпка, з - прокаливание, и – заливка. 1 -

пресс-форма, 2 – модель, 3 - блок моделей, 4 – оболочка, 5 - огнеупорный материал, 6 - воз-

душный поток, 7 – вода, 8 – наполнитель, 9 – печь, 10 - прокаленная форма

Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что

зависит от связующего (рис. 2.4, д). После сушки оболочковой формы модель

удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. На

рис. 2.4, е показан процесс удаления выплавляемой модели в кипящей воде 7.

Так получают многослойную оболочковую форму по выплавляемой модели.

Для упрочнения перед заливкой оболочковую форму помещают в металличе-

ский контейнер и засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком,

мелким боем использованных оболочковых форм) (рис. 2.4, ж).

Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего кон-

тейнер с оболочковой формой помещают в печь 9 для прокаливания (рис.

2.4, з). Форму прокаливают при температуре 1223–1273° К. Прокаленную фор-

му 10 извлекают из печи и заливают расплавом (рис. 2.4, и). После затвердева-

ния и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки

очищают от остатков керамики и отрезают от них литники.

Во многих случаях оболочки прокаливают в печи до засыпки огнеупорным

материалом, а затем для упрочнения их засыпают предварительно нагретым ог-

неупорным материалом. Это позволяет сократить продолжительность прокали-

вания формы перед заливкой.

Малая шероховатость поверхности формы при достаточно высокой огне-

упорности и химической инертности материала позволяет получать отливки с

поверхностью высокого качества.

После очистки отливок от остатков оболочковой формы шероховатость их

поверхности характеризуется величиной Rz =40 -10 мкм, а в отдельных случаях

достигает Ra =2,5 мкм.

Отсутствие операций разъема моделей и формы: использование для изготовле-

ния моделей материалов, позволяющих не разбирать форму при удалении мо-

дели; высокая огнеупорность материалов формы, нагрев ее до высоких темпе-

ратур перед заливкой, что улучшает заполняемость, дают возможность полу-

чить отливки сложнейшей конфигурации, максимально приближающиеся к

конфигурации готовой детали практически из любых сплавов. Точность отли-

вок соответствует 8 – 11-му квалитетам. Поэтому литье по выплавляемым мо-

делям относится к прогрессивным материало- и трудосберегающим технологи-

ческим процессам обработки металлов.

Наряду с преимуществами способ обладает следующими недостатками:

1) процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и дли-

тельный;

2) большое число технологических факторов, влияющих на качество фор-

мы и отливки, и соответственно сложность управления качеством;

3) большая номенклатура материалов, используемых для получения формы

(материалы для моделей, суспензии, обсыпки блоков, опорные материалы);

4) повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий техноло-

гический выход годного.

Производство отливок по выплавляемым моделям находит широкое при-

менение в различных отраслях машиностроения и в приборостроении.

2.6. Центробежное литье

Центробежное литье — это способ изготовления отливок, при котором за-

полнение формы расплавом и его затвердевание происходят в поле действия

центробежных сил.

Чаще используют два варианта способа, при которых расплав заливается

во вращающуюся форму с горизонтальной или с вертикальной осью вращения.

В первом случае получают отливки типа тел вращения малой и большой про-

тяженности, во втором – короткие или фасонные отливки.

Наиболее распространен спо-

соб литья во вращающиеся метал-

лические формы с горизонтальной

осью вращения. По этому способу

(рис. 2.5) отливка формируется со

свободной поверхностью в поле

центробежных сил, а формообра-

зующей поверхностью служит

внутренняя поверхность формы

(изложницы). Расплав 1 из ковша 3

заливают во вращающуюся форму

5 через заливочный желоб 2. Рас-

плав растекается по внутренней

поверхности формы, образуя под

действием центробежных сил пус-

тотелый цилиндр. После затверде-

вания металла и остановки вращения отливка 4 извлекается из формы.

При получении отливок со свободной поверхностью при вращении формы

вокруг вертикальной оси (рис. 2.6) расплав из ковша 1 заливают в форму 2, ук-

репленную на шпинделе 3, приводимом во вращение электродвигателем 4. Рас-

плав 5 под действием центробежных сил отбрасывается к стенкам формы 2 и

затвердевает, после этого машину останавливают и извлекают затвердевшую

отливку 6. Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации полу-

чают с использованием стержней в формах с вертикальной осью вращения.

Для изготовления отливок центробежным способом применяют различные ли-

тейные формы: металлические, песчаные, комбинированные (песчано-

металлические), керамические, оболочковые по выплавляемым моделям и др.

Формы могут быть предназначены для изготовления отливок на машинах с

горизонтальной и вертикальной осью вращения формы, для длинных или ко-

ротких отливок цилиндрической формы, для получения фасонных отливок.

Конструкция формы зависит также от характера производства (единичное, се-

рийное, массовое).

Для цветного литья применяют металлические и реже песчаные формы.

Втулки небольших и средних размеров из медных сплавов отливают в формы,

рабочая поверхность которых покрыта ацетиленовой сажей или графитовой

краской.

Рис. 2.5. Схема получения отливки при

вращении формы вокруг горизонтальной

оси: 1- расплав, 2- заливочный желоб, 3-

ковш, 4- отливка, 5- вращающаяся фор-

ма

В практике центробежного литья од-

нослойных и многослойных труб и заго-

товок применяют обработку расплавов

флюсами. Такая обработка производится

непосредственно в изложнице.

Синтетический флюс добавляют в

расплав в виде легкоплавких или экзо-

термических смесей. Флюс защищает

расплав от окисления, эффективно рафи-

нирует его в форме от неметаллических

включений и газов, утепляет отливку со

стороны внутренней, свободной поверх-

ности, создавая условия направленного

затвердевания отливки. В результате

улучшается качество макро- и микро-

структуры, повышается плотность и ме-

ханические свойства отливок.

2.7. Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковую форму — это литье металла, осуществляемое путем

свободной заливки оболочковой формы. Толщины стенок оболочковых форм

соизмеримы с толщинами стенок отливок либо значительно меньше их; толщи-

ны стенок оболочковых форм в десятки раз меньше толщин стенок обычных

(объемных) неметаллических форм.

Основные технологические операции при литье в оболочковые формы та-

ковы: изготовление оболочек, сборка (соединение) оболочек в формы, установ-

ка форм под заливку металлом, плавка металла и заливка форм, формирование,

выбивка и финишная обработка отливок. Специфические особенности техноло-

гии определяются способом изготовления и подготовки форм под заливку.

В оболочковых формах получают отливки практически из любых сплавов:

из чугунов, из углеродистых и легированных сталей, из легких и тяжелых цвет-

ных сплавов. Разнообразны конструктивные особенности отливок, получаемых

в оболочковых формах — это коленчатые и распределительные валы, ребри-

стые цилиндры, станины электродвигателей, корпуса токарных патронов, кор-

пуса гидрораспределителей, задвижек, лопатки дробеметных аппаратов и т. д.

Изготовление оболочек. Процесс изготовления оболочковой формы из пес-

чано-смоляной термореактивной смеси состоит из следующих последователь-

ных операций: нагрева модельной оснастки; нанесения пульверизатором на ра-

бочую поверхность модельной оснастки разделительного покрытия; нанесения

на модельную оснастку песчано-смоляной смеси; формирования и отверждения

оболочки; съема готовой полуформы с модельной оснастки.

Способы изготовления оболочковых форм различаются в основном по

приемам нанесения песчано-смоляной смеси на модельную оснастку.

Рис. 2.6. Схема получения отливки при

вращении формы вокруг вертикальной

оси: 1- расплав, 2- форма, 3- шпин-

дель, 4- электродвигатель, 5- расплав,

6- отливка

Наиболее распространенным процессом формообразования оболочки явля-

ется Croning-процесс, заключающийся в свободной засыпке модельной оснаст-

ки смесью с помощью поворотного бункера (рис. 2.7). Бункер наполняют пес-

чано-смоляной смесью и на его приемную рамку устанавливают нагретую и об-

работанную разделительным составом модельную плиту (рис. 2.7, а). Затем

бункер поворачивают в вертикальной плоскости на 180°, вследствие чего фор-

мовочная смесь засыпает модельную плиту (рис. 2.7, б). Для формирования

оболочки необходимой толщины плиту выдерживают под смесью в течение 20–

60 с, по истечении которых поворачивают бункер в исходное положение (рис.

2.7, в). При повороте излишки смеси ссыпаются на дно бункера. Модельную

плиту с налипшей оболочкой снимают с бункера, переворачивают моделью

вверх и направляют в печь для доотверждения оболочки в течение 1–4 мин при

температуре 300–400 °С. Полностью отвержденную оболочку снимают с мо-

дельной плиты с помощью толкателей (рис. 2.7, г).

Рис. 2.7. Схема формирования оболочковой полуформы

При бункерном способе формообразования существует предел толщины

формируемой оболочки. Для смесей с фенолформальдегидным связующим этот

предел равен 9–12 мм.

Сборка и подготовка форм к заливке. Выбор способа соединения оболоч-

ковых полуформ зависит от масштаба и характера производства. В мелкосе-

рийном производстве используют механические методы соединения с помо-

щью пружинящих скоб, струбцин, профильных стяжных приспособлений.

В крупносерийном и массовом производстве оболочковые полуформы

склеивают в горячем или холодном состоянии.

Достоинствами литья в оболочковые формы по сравнению с литьем в пес-

чаные формы являются: а) уменьшение параметров шероховатости поверхно-

сти и существенное улучшение товарного вида отливок; б) возможность полу-

чения отливок с тонким и сложным рельефом; в) уменьшение трудоемкости ря-

да операций технологического процесса (особенно таких, как приготовление

формовочной смеси, изготовление форм, очистка отливок и др.); г) сокращение

объема переработки и транспортирования формовочных материалов.

Основные недостатки литья в оболочковые формы: а) относительно высо-

кая стоимость и дефицитность смоляного связующего; б) сложность модельной

(стержневой) оснастки; в) повышенное выделение вредностей вследствие тер-

мического разложения смоляного связующего; г) недостаточная прочность

оболочек при получении относительно тяжелых отливок; д) склонность к появ-

лению в отливках специфических дефектов (в частности, газовых раковин,

«апельсиновой корки» и др.); е) сложность ввода в технологический поток от-

ливок нового наименования (в связи с необходимостью предварительного на-

грева модельной оснастки).

2.8. Литье под давлением

Сущность процесса заключается в том, что форма заполняется расплавом

под действием внешних сил, превосходящих силы гравитации, а затвердевание

отливки протекает под избыточным давлением. Сочетание этих двух особенно-

стей процесса позволяет получать отливки высокого качества. Чистая поверх-

ность и точные размеры рабочей полости металлической пресс-формы, высокая

скорость движения расплава позволяют резко сократить продолжительность

заполнения и получить тонкостенные отливки сложной конфигурации с чистой

поверхностью.

Внешнее давление на затвердевающий расплав и высокие скорости охлаж-

дения его в металлической форме способствуют измельчению структуры ме-

талла в отливке, уменьшению усадочных дефектов, повышению механических

свойств.

Литье под давлением с холодной камерой прессования заключается в том,

что расплавленный металл заливается в камеру прессования 1 специальной ма-

шины (рис. 2.8, а), а затем под действием поршня 2, перемещающегося в этой

камере, через литниковые каналы заполняет полость металлической пресс-

формы, затвердевает под избыточным давлением и образует отливку. После за-

твердевания и охлаждения до определенной температуры из отливки сначала

извлекаются стержни 3 (рис. 2.8, б), а затем пресс-форма раскрывается (рис. 2.8,

в) и толкатели 4 удаляют отливку из пресс-формы (рис 2.8, г). От отливки отде-

ляют литники и зачищают заусенцы.

Литьем под давлением с холодной камерой прессования изготовляют от-

ливки для различных отраслей машиностроения и приборостроения из цинко-

вых, алюминиевых, магниевых, медных сплавов, реже из чугуна и стали, мас-

сой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов, обычно тон-

костенные сложной конфигурации, с развитой поверхностью.

Размеры и масса отливок зависят от мощности машин, на которых осуще-

ствляется процесс: чем большее усилие запирания пресс-формы скорость пере-

мещения подвижных частей и давление литья, тем больших размеров возможно

получение отливок.

Рис. 2.8. Схема технологического процесса литья под давлением на машине с

холодной камерой прессования: а - заполнение камеры прессования, б - заполне-

ние полости пресс-формы, в - разьем пресс-формы, г - удаление отливки. 1 -

камера прессования, 2 - поршень, 3 - стержень, 4 – толкатель

Машины с горячей камерой по сравнению с холодной более производи-

тельны, однако камера прессования и прессовый поршень на этих машинах ра-

ботают в тяжелых условиях: они постоянно погружены в расплав, быстро из-

нашиваются и требуют замены. Такие машины обычно используют для получе-

ния отливок из цинковых, свинцово-сурьмянистых, магниевых сплавов, не

взаимодействующих с материалами поршня и камеры прессования.

Машины с вертикальной горячей камерой прессования лишены этого не-

достатка, и их используют преимущественно для изготовления мелких, не-

больших отливок с тонкими стенками. Получать на этих машинах крупные от-

ливки сложно, так как в камерах прессования, работающих в расплаве, трудно

создать высокие давления прессования, необходимые для получения крупнога-

баритных отливок.

При литье под давлением основные показатели качества отливки – точ-

ность размеров, шероховатость поверхности, механические свойства, плотность

и герметичность — определяются особенностями ее формирования.

1. Поток расплава в литниковой системе и полости пресс-формы движется

с высокими скоростями. Форма заполняется за десятые, а часто и за сотые доли

секунды. Это позволяет, несмотря на высокую скорость охлаждения расплава в

форме, изготовлять весьма тонкостенные отливки с толщиной стенки менее 1

мм. Высокая кинетическая энергия движущегося расплава и статическое давле-

ние в момент окончания заполнения формы способствует получению чистой

поверхности отливки.