3.2.2. Способы литья

Основными способами изготовления отливок являются литье в песчаные формы, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, в кокиль, под давлением и центробежное.

Необходимо отметить, что все отливки, независимо от способа изготовления, подвергаются термической обработке (обычно, отжигу) для снятия остаточных напряжений и улучшения обрабатываемости резанием.

Литье в песчаные формы заключается в заливке расплавленного металла в формы, охлаждении и затвердевании его. Затем производят выбивку отливки из формы (с разрушением последней), очистку и обрубку литников. Изготовление литейных форм называется формовкой. Формовка проводится вручную (в единичном и мелкосерийном производстве) или на формовочных машинах (в серийном и массовом производстве). Песчаные формы изготавливаются из смесей на основе кварцевого песка, глины и других материалов.

Оснастка для литья в песчаные формы включает такие элементы, как:

1) песчаная форма – разовая литейная форма, изготовленная из уплотненной формовочной смеси. Песчаная форма состоит из двух полуформ. Для образования отверстий применяются песчаные стержни.

2) модельный комплект: модель детали, модели элементов литниковой системы, модельные плиты, стержневые ящики.

3) опоки (рамы, в которых закрепляются песчаные формы).

Литье в песчаные формы – самый распространенный способ литья (75-80 % производства отливок). Отливки характеризуются низкой точностью, грубой поверхностью и большими припусками на обработку.

Пример конструкции отливки с системой питании представлен на рис. 12.

На рис. 13 представлена схема технологического процесса литья.

Рис. 12. Литниковая система:

1 – питатель; 2 – шлакоуловитель; 3 – стояк; 4 – литниковая чаша;

5 – отливка; 6 – выпор

Рис. 13. Схема технологического процесса литья

В песчаные формы

При литье в песчаные формы применяются модельные плиты разных конструкций, но наиболее распространены одно и двухсторонние (рис. 14).

Рис. 14. Модельная оснастка

Стоимость изготовления отливок минимальна, но они получаются весьма грубыми, с невысокой точностью размеров и низким качеством. На поверхности отливок могут встречаться остатки формовочной смеси, включения шлака и другие дефекты. Это вынуждает увеличивать припуск на механическую обработку, в результате стоимость обработки становится больше, чем для литых заготовок, полученных другими способами.

Кроме того, этот способ литья требует наибольших затрат металла.

В песчаные формы преимущественно льют чугун и сталь, реже – цветные сплавы.

Литье по выплавляемым моделям проводится в следующей последовательности. Для каждой отливки изготавливается разовая модель из легкосплавного модельного состава на основе парафина, стеарина и других компонентов. Модели подбирают в блоки до 100 штук с общей литниковой системой.

Формовочная смесь в виде жидкой суспензии наносится в несколько слоев на модель, затем сушится, после чего модельный состав выплавляется и получается форма в виде тонкой (толщина 1,5-4 мм) прочной оболочки. В горячую форму заливается металл, затем происходит охлаждение и затвердевание отливки. Далее отливка поступает на вибрационный стол, где очищается от формы.

Поскольку форма не имеет разъемов, то отливки имеют высокую точность (до 11 квалитета) и низкую шероховатость (до ).

Для литья по выплавляемым моделям используют следующие материалы и оснастку:

1) модельная форма, состоящая из модельного состава (парафин, стеарин, церезин, канифоль и т.д.);

2) формовочная смесь, состоящая из двух частей пылевого кварца и одной части связующего материала;

3) пресс-форма для изготовления моделей;

4) литейная форма;

5) вибрационная установка.

Этим способом получают отливки массой 0,02-15 кг, размерами до 1250 мм, с отверстиями диаметром до 1 мм и толщиной стенок до 0,5 мм.

Литье по выплавляемым моделям – это самый сложный, длительный и трудоемкий способ литья. По этой причине таким способом целесообразно изготавливать мелкие, но сложные заготовки высокой точности.

Обычно таким способом льют детали из высоколегированных сталей, жаропрочных и цветных сплавов.

Литье в оболочковые формы также проводится в разовые формы, которые получают из формовочной смеси на основе кварцевого песка и фенолформальдегидных смол.

При изготовлении формы модель нагревают в печи до температуры 200 °С, затем наносят на нее разделительную смазку для облегчения последующего снятия оболочки и далее засыпают формовочной смесью. От теплоты модели смола в смеси расплавляется, склеивает песчинки, а затем при охлаждении отвердевает. Получается песчано-смоляная оболочка толщиной 5-15 мм. Так изготавливают две полуформы, которые склеивают в одну специальным клеем под прессом. В готовую форму заливается металл, затем происходит охлаждение и затвердевание отливки. Далее отливка поступает на вибрационный стол, где очищается от формы.

Литьем в оболочковые формы получают чугунные, стальные и цветные отливки мелких и средних размеров.

Точность размеров отливок соответствует 12 квалитету, шероховатость достигает .

Масса отливок – до 50 кг, а толщина стенок – от 3 до 15 мм.

Главные недостатки способа – высокая стоимость смолы и необходимость тщательной утилизации разрушенной оболочки вследствие ее высокой опасности для окружающей среды.

Литье в кокиль относится к способам литья в многократную форму. Кокиль – это массивная (обычно чугунная) форма, в которую заливается расплавленный металл. Кокиль может иметь горизонтальную или вертикальную плоскость разъема. Стойкость чугунных кокилей составляет от одной до нескольких тысяч отливок. Стоимость самого кокиля довольно высокая, поэтому кокильное литье экономически целесообразно при серийном и массовом производстве отливок в количестве не менее 300-500 штук в год.

Металлический кокиль обладает большой теплопроводностью, поэтому скорость кристаллизации расплава велика. Это создает мелкозернистую структуру и повышает механические свойства отливки.

Кокильное литье экономит металл на 10-20 % за счет сокращения литниковой системы. Отливки получаются со стабильными и точными размерами (до 12 квалитета) и шероховатостью Ra 20. Вследствие этого трудоемкость механической обработки уменьшается примерно в 1,5 раза.

Кокильным литьем изготавливают отливки сравнительно простой конфигурации из сталей, чугунов и цветных сплавов. Примерами таких отливок могут служить поршни, диски, корпуса коробки передач и т.п.

Масса отливок составляет от 0,5 до 500 кг, а толщина стенок – от 5 до 100 мм.

Литье под давлением – расплавленный металл заливается в пресс-форму под давлением, которое сохраняется на стадиях формирования и затвердевания отливки. Процесс происходит в специальных машинах для литья. Производительность этих машин велика: 1000-4000 отливок за 1 час на поршневых машинах и 60-500 отл./ч – на компрессионных.

Для литья под давлением требуются прессующая машина, пресс-форма и смазка (машинное масло). Основные технологические операции:

1) очистка пресс-формы;

2) нагрев пресс-формы до 120-220 °С и покрытие поверхности смазкой;

3) сборка пресс-формы;

4) залив расплавленного металла в камеру прессования и запрессовка расплава под давлением в полость пресс-формы;

5) охлаждение и затвердевание отливки под внешним давлением;

6) снятие внешнего давления после затвердевания отливки и извлечение отливки.

Литьем под давлением получают отливки, максимально приближающиеся по форме, размерам и массе к готовой детали. Такой способ дает возможность изготавливать отливки сложной формы, массой от нескольких граммов до десятков килограммов с небольшой толщиной стенки (до 0,5 мм), с отверстиями до 1 мм, с точностью получаемых размеров до 9 квалитета и шероховатостью поверхности .

Отливки изготавливают из алюминиевых, медных, цинковых, магниевых и других цветных сплавов. Сплавы на основе черных металлов (чугуны и стали) практически не используют для получения заготовок литьем под давлением, поскольку высокая температура плавления таких материалов приводит к быстрому разрушению пресс-форм.

Недостатками литья под давлением считаются высокая стоимость пресс-форм, сложность их изготовления и ограниченный срок службы.

Центробежное литье выполняется в литьевых машинах с горизонтальной (частота вращения от 200 до 1400 об/мин) или вертикальной (частота вращения от 160 до 500 об/мин) осью вращения.

Расплавленный металл заливается во вращающуюся форму, формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил. Форма продолжает вращаться до полного затвердевания металла. За счет вращения достигается большая плотность отливки, снижается расход металла за счет отсутствия литниковой системы. В результате действия центробежных сил более легкие неметаллические включения скапливаются на внутренней поверхности отливки и могут быть легко удалены.

Точность размеров отливок соответствует 9–10 квалитетам, шероховатость . Однако эти показатели не относятся к внутренней полости отливки, качество которой невелико вследствие нестабильных размеров и формы.

Центробежное литье применяют для изготовления заготовок тел вращения: труб, втулок, колец, ободьев, зубчатых колес, дисков. Заготовки льют из чугунов, углеродистых и легированных сталей и редко – из цветных (например, титановых) сплавов.