Производство заготовок. Литье. Серия учебных пособий. Книга 3. Проектирование и производство отливок (литых заготовок)

Процесс нанесения огнеупорного покрытия состоит из ряда повторяющихся операций: покрытие обмазкой, обсыпка огнеупорным материалом и сушка слоя. На модели наносят три-четыре огнеупорных слоя. Блок моделей 5 с огнеупорным покрытием поступает на выплавку модельного состава. Выплавляют модельный состав горячим воздухом, паром или в ваннах с горячей водой. В результате из керамической оболочки 6 вытекает расплавившийся модельный состав, оставляя пустоты. Затем оболочку прокаливают при температуре 850 ± 20 °С в электрических или газовых печах с предварительным помещением их в опоки 7 и засыпкой опок песком 8 (или погружением в кипящий слой кварцевого песка). Прокалка форм способствует их упрочнению, повышению газопроницаемости и удалению остатков модельного состава. Прокаленные формы заливают металлом сразу после прокалки или после их охлаждения следующими способами: свободной заливкой из разливочного ковша или из носка печи; заливкой под давлением воздуха или инертного газа для повышения заполняемости формы, центробежной заливкой в вакууме или в атмосфере для получения отливки с плотной структурой.

После кристаллизации сплава отделяют огнеупорную оболочку от отливки и отливку от стояка. Для этого используют вибрационные автоматические установки. Отделив отливку от стояка, ее направляют в очистной барабан для удаления остатков огнеупорной керамической оболочки в щелочном растворе. Стальные отливки подвергают нормализации в печах с защитной атмосферой. Термическая обработка преследует цель улучшить структуру отливки, снизить твердость, повысить ее механические свойства, улучшить обрабатываемость резанием и снизить литейные напряжения. После этого отливки сортируют и проверяют их качество.

2.3.2.3 Литье по газифицируемым (выжигаемым) моделям

Сущность способа получения отливок по выжигаемым моделям заключается в том, что модель, приготовленную из вспенивающихся полимеров (пенополистирола) не извлекают из формы перед заполнением ее металлом, она сгорает при контакте с расплавленным металлом. Модель формуют в формовочной смеси. Дальнейшие операции общие для литейного производства.

Отливки по газифицируемым (выжигаемым) моделям изготовляют при всех масштабах производства: от крупных штампов, станин до мелких сложных заготовок. Сущность способа заключается в том, что модель, изготовленную из вспенивающихся полимеров, из литейной формы не извлекают перед заполнением ее металлом. Металл, заливаемый непосредственно на модель через литниковую систему, газифицирует (выжигает) ее, освобождая полость формы. Полученная таким образом отливка точно соответствует конфигурации

выгоревшей модели.

Выжигаемые модели изготовляют из вспенивающегося полистирола (пенополистирола) — синтетического полимера, имеющего форму гранул размером 0,2—4 мм. Модели для мелких отливок изготовляют в пресс-формах. Гранулы пенополистирола после предварительной тепловой обработки загружают в пресс-формы, внутренняя полость которых по конфигурации соответствует будущей модели. Пресс-формы нагревают паром или горячей водой, в результате чего пенополистирол вспенивается и спекается, приобретая очертания внутренней полости пресс-формы. После охлаждения пресс-форму раскрывают по плоскости разъема и из нее извлекают выжигаемую пенополистироловую модель.

Модели перед формовкой покрывают слоем противопригарной краски толщиной не менее 0,2 мм. При необходимости легирования поверхностного слоя отливок, на поверхность моделей наносят слой, содержащий легирующие элементы (теллур, хром и др.).

В единичном и мелкосерийном производствах модели для крупных отливок изготовляют из плит и блоков пенополистирола, как показано на рисунке 28.

1 – деревянный каркас; 2 – листы пенополистирола

Рисунок 28 – Схема изготовления газифицируемой (выжигаемой) модели для крупной отливки

На деревянном каркасе 1 собирают все элементы модели из листов пенополистирола 2. Сложные элементы моделей изготовляют отдельно, а затем склеивают между собой, сваривают горячим воздухом и т. п. На модели предусмотрены припуски на усадку металла и механическую обработку.

2.4 Изготовление отливок в огнеупорных формах

Огнеупорные литейные формы выдерживают без разрушения многократное заполнение металлом. Такие формы изготовляют из керамических смесей, графита, шамота, бетона и других огнеупорных материалов. В керамических формах получают отливки из черных и цветных сплавов повышенной точности. Масса отливок может быть от нескольких килограммов до нескольких тонн. Керамическая форма несложной конфигурации может быть заполнена алюминиевым сплавом до 10 раз. Керамическую форму изготовляют по постоянным металлическим моделям, на поверхность которых наносят формовочную смесь, состоящую из пылевидной или зернистой основы, связующих веществ, отвердителей и различных добавок. Уплотненная смесь прокаливается при температуре 800—850 °С и становится газопроницаемой и прочной. Для изготовления форм повышенной точности в качестве основы применяют материалы, расширяющиеся при нагреве не более 0,2—0,4 %: плавленый кварц, циркон, высокоглиноземистый шамот, обожженный магнезит, электрокорунд, форстеррит, сильмонит с корундом. Связующими веществами являются этилсиликаты, жидкое стекло, фосфатные связующие, соли хрома, кальция, алюминия.

Отвердителями служат едкие щелочи калия и натрия, порошкообразный магнезит или магнезия, смешанные с водой, карбонаты алюминия, пепиридин.

Добавки необходимы для повышения газопроницаемости форм. При выгорании или испарении добавок в процессе прокалки в форме остаются поры или мелкие каналы, через которые выходят газы. В качестве таких добавок к формовочной смеси используют дибутилфталат и пепиридин, который одновременно выполняет функции отбеливателя.

2.5 Изготовление отливок в многократных (металлических) формах

Изготовление отливок в многократных формах (выдерживающих несколько сот или тысяч раз использования) имеет свои особенности:

- их изготавливают, из металлов обладающих высокой жесткостью и прочностью, с точными размерами, малой шероховатостью и, как правило, сложнойконструкцией;

- интенсивность охлаждения отливок в металлических формах в 3-5 раз выше, чемвпесчано-глинистых;

- получаются отливки с повышенной точностью (с минимальными припусками намеханическую обработку);

-сокращается расход металла налитниковуюсистему;

-сокращаются затраты на приготовление и использование смесей и на завершающиеоперации;

-трудоемкостьснижаетсяна40-50 %.

2.5.1 Виды литья в металлические формы

Литье в металлические формы включает в себя литье в кокиль, литье под давлением (высоким и низким), жидкую штамповка (штамповка в период кристаллизации), литье вакуумным всасыванием, литье с направленнопоследовательной кристаллизацией, литье выжиманием, центробежное, а также непрерывное и полунепрерывное литье, литье методом жидкой прокатки.

2.5.1.1 Литье в кокиль

Сущность способа литья в кокиль заключается в получении отливок из расплавленного металла в металлических формах — кокилях. Рабочая поверхность кокиля покрывают огнеупорными материалами и красками. Допуски на отливки в кокиль от 0,2 до 0,4 мм. Срок службы кокиля определяется материалом (температурой плавления) отливки. Для отливок из стали может доходить до 1000 шт.; из чугуна и меди - десятки тысяч; из сплавов алюминия и магния - сотни тысяч штук. По конструкции кокили бывают неразъемные и разъемные. Разъемы могут горизонтальными и вертикальными (рисунок 29 и 30). Для прочного соединения полуформ используют замки. Полости и каналы в полуформах образуют литую форму. При необходимости в кокили вставляют металлические (рисунок 31) или песчано-глинистые стержни для обеспечения получения отверстий в полученной заготовке (отливке).

Формирование отливки происходит в условиях интенсивного отвода теплоты от расплавленного металла и от затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю.

а) — вытряхной кокиль; б)—с вертикальным

разъемом; в) — с горизонтальным разъемом

Рисунок 29 - Конструкции кокиля

Отливки с простой конфигурацией изготовляют в вытряхных кокилях (рисунок 29 а). Несложные отливки с небольшими выступами и впадинами на наружных поверхностях изготовляют в кокилях с вертикальным разъемом (рисунок 29 б). При изготовлении крупных, простых по конфигурации отливок используют кокиль с горизонтальным разъемом (рисунок 29 в). Кокиль с комбинированным разъемом применяют при изготовлении сложных отливок. Полости в отливках оформлены песчаными или металлическими стержнями. Металлические стержни удаляют из отливки до извлечения ее из кокиля, после образования прочной корки в отливке.

7

1 – нижняя плита; 2 – каналы для заполнения форы металлом;

3 и 6 – замковая часть кокиля; 4 и 5 – полуформы; 7 – отливка (поршень)

Рисунок 30 - Устройство кокиля с вертикальным разъемом

(в раскрытом положении) и отливка, полученная в этом кокиле

Литье в кокиль - это свободная заливка расплавленного металла под действием гравитационных сил в металлические литейные формы называемые

кокиль. Расплавленный металл в форму подводят сверху, снизу или сбоку. Если металл заливают снизу, то осуществляют сифоном, сбоку—через щелевидный питатель или питатели, расположенные на нескольких уровнях. Для удаления воздуха и газов по плоскости разъема кокиля прорезают вентиляционные каналы. Отливки из полости кокиля извлекают выталкивателями. Заданный тепловой режим литья обеспечивает система подогрева и охлаждения кокиля. Кокили изготовляют из серого и высокопрочного чугунов, стали и алюминиевых сплавов. Их изготавливают литьем, механической обработкой и другими способами.

Технологический процесс изготовления отливок в кокиле включает нагрев кокиля до 150—300 0С, нанесение на рабочую поверхность слоя теплоизоляционного покрытия толщиной 0,3—0,8 мм, установку стержней, соединение и скрепление частей кокиля, заливку расплавленного металла, выдержку для затвердевания залитого металла, раскрытие формы и выбивку отливки. Для уменьшения скорости затвердевания и охлаждения отливки, а также для повышения стойкости кокиля на его рабочую поверхность наносят теплоизоляционные покрытия, приготовленные из огнеупорных материалов (кварцевой муки, талька, графита и др.) и связующего материала (жидкого стекла).

А - А

А

А

1 – нижняя плита; 2 – стержни для получения боковых отверстий в отливке; 3 и 6 – полуформы; 4 – боковые и 5 – внутренняя часть стержня для получения полости в отливке; 7 – литниковая система

Рисунок 31 - Сечения кокиля со стержнями

Все операции технологического процесса механизированы и автоматизированы. Применяют однопозиционные и многопозиционные автоматические кокильные машины и автоматические кокильные линии изготовления отливок. Литье в кокиль позволяет сократить, а во многих случаях полностью исключить расход формовочных и стержневых смесей, а также трудоемкие операции формовки и выбивки форм, повысить точность

размеров отливок и уменьшить шероховатость поверхности, снизить объем механической обработки отливок. Литье в кокиль позволяет получать разнообразные отливки с толщиной стенок от 3 до 100 мм и массой от 0,1 до 500кг. Литье в кокиль применяют при изготовлении корпусов приборов, деталей двигателей внутреннего сгорания и других деталей из чугуна, стали и сплавов цветных металлов.

Литье в облицованный кокиль - процесс, при котором получают крупные и точные отливки из черных сплавов. Жесткая конструкция кокиля обеспечивает стабильность размеров и точность литых заготовок. В результате быстрого охлаждения на поверхности чугунных заготовок получается слой (Fe3С) - местный отбел чугуна, который либо снимают отжигом, либо используют конструкционно. Кокильное литье используют в серийном и массовом производствах.

2.5.2 Литье под давлением

Литье под давлением является процессом получения отливок в металлических формах (пресс-формах) при котором заливка расплавленного металла в форму и формирование отливки осуществляются под давлением в условиях интенсивного отвода теплоты от залитого металла и от затвердевающей отливки к массивной металлической пресс-форме. Литье под давлением подразделено на два класса – литье под высоким (от 50 до 200 МПа) и под низким давлением. Последнее литье конкретизируют в названии

Литье под давлением (высоким) - это такой способ получения отливок в металлических формах, при котором жидкий металл через каналы, соединяющие рабочую полость пресс-формы с камерой прессования машины, поступает из последней в рабочую полость. Она по своим очертаниям соответствуют отливке. Разъем полуформ осуществляться в вертикальной или горизонтальной плоскостях (рисунок 32), а для сложных отливок и в обеих плоскостях. Первый разъем предпочтительнее, так как заготовка выпадает из пресс-формы при ее раскрытии под действием силы тяжести.

6

5

4

2

5

3

1

Р

Р

а)

б)

1

2

3

4

5

6

а) – вертикальный; б) - горизонтальный

1 – пуансон (плунжер); 2 - каналы для нагрева или охлаждения; 3 - напорная камера;4 - литник; 5 – перерабатываемый материал (отливка); б - формообразующая часть формы; 7 – выталкиватель

Рисунок 32 – Схемы разъема форм при литье под давлением

Допуски на размеры для данного способа ±0,075- ± 0,018 мм. Способ применяют для крупносерийного и массового производства точных отливок из легкоплавких сплавов. Способ нашел широкое применение в машиностроительной, приборостроительной, электротехнической, санитарнотехнической и др. отраслях промышленности. Часто отливки, полученные этим способом, армируют т.е. вставляют в них (предварительно) конструкционные элементы из наиболее прочных материалов.

Изготовляют отливки на специальных машинах для литья под давлением с холодной или горячей камерами прессования.

При наличии в отливке отверстий их получение обеспечивают стержни, которые кинематически связаны с подвижными частями формы.

Процесс получения заготовки литьем под давлением состоит из трех стадий:

1)быстроезаполнение формы металлом;

2)гидроудар при прижатии заготовки кформе;

3)кристаллизация.

Схемы процессов литья под давлением с различными камерами прессованиями показаны на рисунке 33.

6

9

10

а) – с горизонтальной; б) – с вертикальной; в) – с горячей 1 - подвижная и 3 – неподвижная часть пресс-формы; 2 - рабочая полость;

4 – опорная плита; 5 - порция заливаемого металла; 6 – плунжер; 7 – камера прессования; 8 - литниковая система; 9 – выталкиватели;

10 – тигель с расплавом

Рисунок 33 - Схемы процессов литья под давлением с различными камерами прессованиями

После выхода плунжера за пределы камеры прессования в образовавшееся отверстие заливается доза металла 5. Затем плунжер 6 начинает сжимать металл в камере прессования 7 и под давлением открывает отверстие литниковой системы 8 соединяющее рабочую полость 2 пресс-формы с камерой прессования 6. Металл под большим давлением и с большой скоростью впрыскивается в рабочую полость 2 пресс-формы.

Для создания избыточного давления необходима доза металла несколько большая, чем требуется для отливки, поэтому между плунжером и рабочей полостью остается пресс-остаток в виде цилиндра. Подвижная часть пресс-формы 1 отходит, и отливка извлекается при помощи выталкивателей 9.

При изготовлении отливок на машинах с холодной горизонтальной камерой прессования (рисунок 34) порцию расплавленного металла заливают в камеру прессования.

а)

б)

в)

а) – заливка расплавленного металла; б) – литье под давлением; в) – извлечение отливки

1 - камера прессования; 2 – плунжер; 3 – неподвижная и 4 – подвижная полуформы; 5 - металлический стержень; 6 - выталкиватель; 7 - отливка

Рисунок 34 – Схема стадий процесса изготовления отливок на машине для литья под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования

Пресс-форма состоит из подвижной 4 и неподвижной 3 полуформ, в которые металл подается плунжером 2 из камеры прессования 1. При раскрытии пресс-формы срезается пресс-остаток и его выводят за пределы камеры прессования.

Поршневые машины с горячей камерой прессования (рисунок 35) оснащены тигельной печью 1, в которой в течение рабочей смены находится расплавленный металл, в который помещена камера прессования.

1- обогреваемый тигель; 2 – камера прессования; 3 – плунжер; 4 – отверстие; 5 - полость пресс-формы с металлическим стержнем; 6 - выталкиватель

Рисунок 35 – Схема установки для получения отливок на машине литья под давлением с горячей камерой прессования

В машинах с горячей камерой прессования (рисунок 35) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом.