Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
12.2. СПОСОБЫ ЛИТЬЯ В промышленности применяют множество способов литья, которые можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто все виды литья делят на литье в разовые формы (литье в песчаные формы, в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям ...) и литье в многократные формы (литьё в кокиль, под давлением, центробежное литье ...). Выбор способа литья определяется типом литейного сплава (легкоплавкий, тугоплавкий), объемом производства, заданными параметрами точности размеров и шероховатости поверхности получаемых отливок, и другими факторами. Литье в песчаные формы Литье в песчаную форму (ЛПФ) – это литье металла, осуществляемое заливкой разовой литейной формы, изготавливаемой из песчаной формовочной смеси. ЛПФ получило наибольшее распространение, как наиболее дешевый и универсальный способ получения отливок. Формовка. Формовка - технологический процесс изготовления литейной формы. В зависимости от степени механизации различают формовку: ручную, машинную и автоматизированную. Ручная формовка – тяжелый и малопроизводительный процесс. Ее применяют в единичном и мелкосерийном производстве при изготовлении штучных отливок. В серийном производстве ее применяют для производства крупных и сложных отливок. Машинная и автоматизированная формовка применяется в серийном и массовом производствах. Для получения отливки детали ( рис. 12.2) разрабатывают чертеж отливки. На чертеже указывают: литейные радиусы 3 и литейные уклоны 2; положение плоскости разъема 1 формы. Далее изготавливают модель, состоящую из двух симметричных частей (полумоделей) 5 и 8. Полумодели имеют знаки 4, 215 предназначенные для получения полостей, в которые при сборке формы будут установлены знаковые части 4 стержня 9. Формовка ( рис. 12.3) осуществляется путем уплотнения формовочной смеси 1 вокруг полумодели 3 в опоках 2. Для облегчения выхода газов накалывают вентиляционные каналы. Опокой называют формовочное приспособление в виде жесткой рамы для удержания формовочной смеси при изготовлении формы, заливке расплава и транспортировке. Опоку изготавливают из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Отверстие в отливке формируется стержнем, который изготавливается уплотнением стержневой смеси в стержневом ящике. После изготовления второй полуформы и извлечения (протяжки) моделей осуществляется нанесение противопригарных составов на рабочие поверхности полуформ, и сборка литейной формы ( рис. 12.1). Рис. 12.3 Изготовление нижней полуформы: 1 – формовочная смесь; 2 - опока; 3 – нижняя полумодель; 4 – трамбовка; 5 – модельная плита. При этом в нижнюю полуформу устанавливается стержень 6, верхняя полуформа устанавливается на нижнюю, по сборочным штырям. После соединения полуформ в литейной форме образуется рабочая полость 4, соответствующая наружным очертаниям отливки. Для предотвращения раскрытия формы под действием давления жидкого металла, полуформы скрепляют болтами, скобами или грузами. Заливка литейной формы производится из ковша 11 до заполнения дальнего от стояка выпора 5 или 216 прибыли. Жидкий металл заполняет полость формы по каналам литниковой системы и затвердевает в ней. Формовочные и стержневые смеси Для изготовления разовых литейных форм и стержней используют разнообразные формовочные и стержневые смеси. Основу песчано- глинистых формовочных смесей составляет кварцевый песок, к которому в качестве связующего вещества добавляют глину (до 10…15%) и воду (до 5% сверх 100%). Кроме этих компонентов в формовочные смеси вводят специальные добавки обеспечивающие необходимые свойства формовочных смесей, а именно: высокую огнеупорность, пластичность, прочность, газопроницаемость, податливость, противопригарность и др. Огнеупорность – способность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого металла, не размягчаясь, не расплавляясь и не пригорая к поверхности отливки. Прочность- сопротивляемость формы разрушающим усилиям, возникающим при сборке и транспортировке формы, и при заливке металла. Прочность формовочной смеси возрастает с увеличением в ней содержания глины, с уменьшением размеров зерен песка. Податливость - свойство формовочной смеси сжиматься при усадке металла. Увеличение податливости обеспечивается введением в состав смеси специальных добавок (древесные опилки, торф и др.), которые к моменту усадки выгорают, образуя поры, облегчающие некоторую деформацию смеси. Пластичность - способность формовочного материала отчетливо воспроизводить отпечаток модели. Пластичность зависит от соотношения в формовочной смеси глины и воды. Газопроницаемость - способность смеси обеспечить отвод газов из полости формы. Газопроницаемость тем выше, чем больше песка в формовочной смеси и чем он крупнее, а также чем меньше содержание глины в формовочной смеси. Противопригарность – способность формовочной смеси вступать в химическое или механическое 217 взаимодействие с металлом, залитым в форму, образуя пригар (корку) на поверхности отливки. В зависимости от назначения формовочные смеси делятся на облицовочные, наполнительные и единые. Облицовочная смесь - это свежеприготовленная, высококачественная смесь, которая непосредственно соприкасается с жидким металлом и формирует качество поверхности отливки. Остальная часть формы заполняется наполнительной смесью - менее качественной и более дешевой. Она обычно представляет собой отработанную смесь, которую подвергают очистке от металлических частиц и кусков стержней и в которую добавляют небольшое количество исходных формовочных материалов. При машинной формовке применяют единые смеси, которые имеют промежуточные между облицовочной и наполнительной смесями состав и свойства. Стержни при заливке форм металлом находятся в более тяжелых условиях, чем сама форма, так как они почти со всех сторон контактируют с жидким металлом. Поэтому стержневые смеси должны обладать более высоким комплексом свойств. Необходимая прочность стержневой смеси достигается применением связующих веществ - крепителей, которые при сушке стержня прочно связывают частицы песка. В качестве крепителей используются синтетические и природные смолы, отходы производства спирта, крахмала и др. Увеличение газопроницаемости обеспечивается минимальным содержанием глины. После уплотнения смеси в стержневом ящике стержни подвергают тепловой сушке. Модельный комплект Модельный комплект – это комплект формообразующих изделий, необходимый для образования при формовке рабочей полости литейной формы. В модельный комплект входят модели, стержневые ящики, модели элементов литниковой систем, формовочные, контрольные и сборочные шаблоны. 218 Конструкция модельного комплекта обусловлена конфигурацией данной отливки и способом изготовления формы. Модельный комплект изготавливается по чертежу отливки. Конструкция модели должна обеспечить беспрепятственное извлечение ее из формы, без разрушения последней. Для небольших партий отливок модели и стержневые ящики изготавливают из дерева. Они дешевые, но недолговечные. В средне- и крупносерийном производстве используют, как правило, металлические модели и ящики. Для этих целей используются также пластмассы. Для разработки чертежа модели и стержневого ящика необходимо: Предусмотреть возможные упрощения конфигурации отливки. Так, для детали, изображенной на рис. 12.4, целесообразно отливать фланец без отверстий диаметром 22 мм, потому что получение длинных и тонких отверстий с помощью стержней усложняет процесс формовки. Рис. 12.4 Чертежи детали, отливки, модели и стержня. o Выбрать поверхность разъема модели и формы (обозначена «МФ», т.е. разъем модели и формы) так, чтобы обеспечить возможность извлечения полумоделей из соответствующих полуформ. При этом следует учитывать, что литейные дефекты строения металла (усадочные и газовые раковины, 219 шлаковые включения) образуются, как правило, в верхней части отливки. Поэтому наиболее ответственные части отливки желательно располагать в нижней части формы. o Назначить припуски на поверхности, подвергающиеся обработке резанием. o Для облегчения извлечения модели из формы и стержня из стержневого ящика назначить литейные уклоны на поверхности, перпендикулярные плоскостям разъема формы и стержневого ящика. Назначить литейные радиусы. Формовочные уклоны и размеры стержневых знаков принимают по ГОСТ 3212-92. Указанные изменения превращают чертеж детали в чертеж отливки. На полученном таким способом чертеже увеличивают все размеры на величину линейной усадки, предусматривают стержневые знаки, т.е. получают модельный чертеж, который и служит основанием для изготовления модели и стержневого ящика. Правила графического выполнения элементов литейных форм и отливок регламентированы ГОСТ 3.1125-88*. Технология ручной формовки В зависимости от конфигурации отливки и условий производства применяют различные методы ручной формовки: по моделям в почве (кессоне), в опоках, с подрезкой, с отъемными частями, с перекидным или подъемным болваном, с фальшивой опокой, по шаблону, в стержнях, по скелетным моделям. Рассмотрим некоторые способы формовки. Формовка по разъемной модели - наиболее распространенный способ формовки. При ручной формовке сначала изготавливают нижнюю полуформу ( рис. 12.5, а). Затем изготавливают верхнюю полуформу ( рис. 12.5, б). Для этого нижнюю полуформу переворачивают на 180°, на нижнюю половину модели шипам устанавливают верхнюю половину, монтируют модели шлакоуловителя, стояка и выпоров. Плоскость разъема (лад формы) посыпают разделительной смесью - графитом, мелкотертым кварцевым 220 песком. Верхнюю опоку устанавливают на нижнюю по направляющим штырям. В неё засыпают и уплотняют формовочную смесь, и получают верхнюю полуформу. После уплотнения смеси удаляют модели стояка и выпоров. Верхнюю полуформу снимают, переворачивают на 180°, удаляют из обеих полуформ модели ( рис. 12.5, в), и приступают к сборке формы. Собранная и готовая к заливке форма показана на рис. 12.5, г. Рис. 12.5. Формовка по разъемной модели: а -г – последовательность формовки; МФ – разъем модели и формы. Отливку, показанную на рис. 12.6, при формовке невозможно извлечь без разрушения части формы (объем «К») ( рис. 12.6, а). В таких случаях применяют формовку с подрезкой. Нижнюю полуформу уплотняют обычным способом и переворачивают. Срезают объем «К» ( рис. 12.6, б). Образовавшуюся поверхность тщательно заглаживают. При формовке верхней полуформы ( рис. 12.6, в), на месте этого объема образуется болван. Разъем формы получается не плоским, а фасонным. Далее устанавливают модель верхнего знака 2, поверхность разрезки посыпают разделительной смесью. Дальнейшие операции формовки не отличаются от операций 221 формовки в опоках. При изготовлении больших серий отливок применяют фасонные модельные плиты 4 ( рис. 12.6, г), оформляющие полость подрезки за счет кольцевой модели 6. Рис. 12.6. Формовка с подрезкой: а - – уплотненная нижняя полуформа; б - нижняя полуформа после удаления излишков смеси; в – форма в сборе; г – формовка по фасонной модельной плите; 1 – модель; 2 – модель верхнего знака; 3 – груз; 4 - модельная плита; 5 – гнездо знаков; 6 – модель подрезки; К – объем смеси, препятствующей извлечению модели; Ф - плоскость разъема полуформ; н – направление «верх» и «низ» по отношению к плоскости разъема полуформ. Формовка по модели с отъемными частями применяется при изготовлении сложных по конфигурации отливок с выступающими элементами, когда применение модели с одним разъемом не позволяет извлекать ее половины из полуформ после уплотнения смеси. Отъемные части вида 1 ( рис. 12.7, а, б) применяют при наличии в модели полости достаточной для удаления штифта 8. При формовке модели с отъемными частями вида 2 ( рис. 12.7, а, в), смесь уплотняют до верхней плоскости отъемной части, затем извлекают шпильку 222 9 и заканчивают уплотнение. Крепление отъемной части 3 ( рис. 12.7, а, г) называют «ласточкин хвост». Рис. 12.7. Формовка по модели с отъёмными частями: а – модель; б, в, г, - последовательность выполнения операций 4, 5, 6, 7 формовки; 1, 2, 3 – виды отъемных частей; 8 – штифт, 9 – шпилька; стрелками показаны перемещения отъемных частей, штифтов и шпилек. Если невозможно расположить модель на плоской плите, применяют формовку с фальшивой опокой. В фальшивую опоку металл не заливают. Она служит только для формовки в качестве фигурной модельной плиты. Машинная формовка (МФ) МФ применяется для производства отливок в серийном и массовом производстве. При МФ механизируется установка опок на машину, засыпка формовочной смеси в опоку, уплотнение смеси и удаление моделей из формы. МФ обеспечивает более высокую геометрическую точность полости формы по сравнению с ручной формовкой, исключает трудоемкие ручные операции, сокращает цикл изготовления отливок. Изготовление верхней и нижней полуформ осуществляется, как правило, одновременно на двух машинах, что резко повышает производительность труда. При МФ смесь 223 уплотняют различными способами: прессованием, встряхиванием, пескометным и пескодувным способами, и др. Уплотнение формовочной смеси прессованием осуществляется с помощью сжатого воздуха подаваемого в нижнюю часть цилиндра 8 ( рис. 12.8, а) под давлением 0,5…0,8 МПа. Рис. 12.8. Схемы машинной формовки: а – прессование; б – встряхивание; 1 – прессовая колодка; 2 – наполнительная рамка; 3 – опока; 4 – модель; 5 – формовочная смесь; 6 – модельная плита; 7 – рабочий стол; 8 – цилиндр. Опока 3 с наполнительной рамкой 2 устанавливается на модельную плиту 6, закрепленную на рабочем столе 7, и засыпается формовочной смесью 5. Под действием сжатого воздуха поршень с рабочим столом 7 поднимается вверх, при этом смесь упирается в прессовую колодку 1 и уплотняется. Прессовые машины имеют высокую производительность. Однако вследствие трения формовочной смеси о стенки опоки плотность формовочной смеси уменьшается по мере удаления от прессовой колодки и не обеспечивается равномерной плотности. Неравномерность плотности формовочной смеси 224 тем больше, чем выше модели и опока, поэтому прессование обычно применяют для изготовления невысоких форм (до 200…250 мм) при внутренних размерах опок до 1250x800. Улучшение равномерности уплотнения формовочной смеси достигается установкой вибраторов. Такие – вибропрессовые - машины широко используются для формовки поршневых колец, крышек и других невысоких изделий. Уплотнение формовочной смеси встряхиванием осуществляется за счет возвратно поступательного перемещения поршня 8 ( рис. 12.8, б). На модельную плиту 6, закрепленную на рабочем столе машины, устанавливается опока 3 с наполнительной рамкой 2. В опоку засыпается формовочная смесь 5. Поршень с рабочим столом под действием сжатого воздуха поднимается вверх на 30…100 мм, открывая при этом в стенке цилиндра выхлопное отверстие. Давление воздуха под поршнем резко снижается, и поршень падает вниз, ударяясь о дно цилиндра. Отверстие в стенке цилиндра закрывается, и поршень снова поднимается, т.е. цикл повторяется. Удары стола о дно цилиндра повторяются с частотой 60…200 ударов в минуту. Резкое торможение формовочной смеси, падающей вместе с рабочим столом, приводит к ее уплотнению под действием сил инерции. При встряхивании обеспечивается высокая плотность смеси у модели, однако верхняя часть формы уплотняется недостаточно, поэтому применяют дополнительное ее уплотнение подпрессовкой. Встряхивающие машины обычно используются для изготовления более крупных полуформ, нежели прессовые, при внутренних размерах опок до 2500x2000 мм. 225 Пескометный метод формовки основан на подаче смеси вращающимся ковшом 6 ( рис. 12.9). Формовочная смесь 2 поступает по транспортеру в головку пескомета 4, где подхватывается ковшом 6, закрепленным на вращающемся роторе 3. Ковш образует пакет смеси 5 и с силой выбрасывает его в опоку 7 через отверстие в головке пескомета. Соударение пакета с модельной плитой и моделью 6 приводит к уплотнению смеси. Головка пескомета может передвигаться над опокой, обеспечивая заполнение и уплотнение всей полуформы. Пескометы обеспечивают равномерную плотность набивки смеси и используются, чаще всего, для изготовления крупных форм. Производительность пескометов – до 50 м 3 /час. Рис. 12.9. Пескометная формовка: 1 – ковш; 2 – формовочная смесь; 3 – ротор; 4 – кожух; 5 – пакет смеси; 6 - модель; 7 - опока Пескодувный метод формовки ( рис. 12.10) основан на подаче смеси в форму или стержневой ящик с помощью сжатого воздуха. Основным фактором уплотнения в этом случае является живая сила песчано-воздушной струи. Стержневая смесь 1 засыпается из бункера 2 в гильзу 5 пескострельной головки 4. Для прекращения засыпки используется шибер 3. 226 Рис. 12.10. Пескодувная формовка 1 – формовочная смесь; 2 – бункер; 3 – шибер; 4 – корпус головки; 5 – гильза; 6 – вента; 7 – изготовленный стержень; 8 – стержневой ящик; 9 – стол. Сжатый воздух поступает через перфорированные стенки гильзы и выдувает смесь в стержневой ящик 8. Венты 6 обеспечивают выход воздуха. Пескодувный способ формовки обеспечивают высокую производительность, т.к. уплотнение смеси происходит за один цикл, но плотность набивки больших объемов смеси невысокая. Поэтому пескодувная формовка используются, в основном, для изготовления стержней, прочность которых определяется, главным образом, крепителями, а не плотностью набивки. Для изготовления же литейных форм чаще применяется комбинированный пескодувно-прессовый способ. В вышеописанных процессах опоки являются обязательной формовочной оснасткой. Однако, применение безопочной формовки ( рис. 12.11) позволяет снизить затраты на оснастку, ускорить охлаждение отливок, упростить выбивку и т.д. При этом пескострельная головка 4 заполняет формовочной смесью пространство между двумя модельными плитами с моделями 2 и 5, и предварительно ее уплотняет (А). Окончательное уплотнение формовочной смеси происходит при перемещении левой (прессовой) модельной плиты под 227 действием прессующего плунжера 1 (Б). По окончании уплотнения правая поворотная модельная плита (плита противодавления) поворачивается, и поршень перемещает ком спрессованной смеси вправо (Г), прижимая его к ранее полученным комьям 7. Отпечатки моделей, расположенные на двух сторонах комьев, образуют рабочие полости форм, заполняемые металлом при заливке. Процесс отличается высокой производительностью и широко применяется в современных литейных цехах. Рис. 12.11. Безопочная формовка: 1 – плунжер; 2 – прессовая плита; 3 – левая полумодель; 4 – пескострельная головка; 5 – поворотная плита противодавления; 6 – правая полумодель; 7 – полуформа; А, Б, В, Г – этапы формовки. Автоматизация и развитие процесса литья в песчаные формы В современных литейных цехах широко применяются автоматизированные линии для изготовления отливок. Формовочные машины располагаются вдоль замкнутого конвейера 8 ( рис. 12.12), который представляет собой ряд тележек, движущихся по рельсам. 228 Рис. 12.12. Схема автоматической формовочной линии: 1 – заливка; 2 - сборка формы; 3 - изготовление верхней полуформы;4 - установка стержней; 5 – изготовление нижней полуформы; 6 – распаривание опок; 7 – выбивка; 8 –замкнутый конвейер; стрелками указано направление движения конвейера. Охлажденные формы с отливками подаются по конвейеру на поз. 6, где опоки распариваются (верхняя снимается с нижней). Опоки с остатками смеси поступают на позиции выбивки 7 и затем - к формовочным машинам, на которых производится изготовление верхней 3 и нижней 5 полуформ, соответственно. Нижние полуформы с формовочной машины направляются на позицию сборки форм 2. На позиции 4 в них устанавливают стержни. Верхние полуформы также передаются с формовочной машины на позицию сборки форм. Собранные формы заливаются металлом на участке заливки 1 и затем охлаждаются на охладительной ветви конвейера. Развитие литья в песчаные формы связано с применением перспективных материалов и технологий. В двадцатом веке нашли применение жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) на жидкостекольных связующих. После заполнения формы наливной формовкой ЖСС отверждаются при продувке углекислым газом или за счет реакций с заранее введенным отвердителем, например феррохромистым шлаком. В настоящее время широкое применение получают холоднотвердеющие смеси (ХТС), содержащие в качестве связующих синтетические смолы (карбамидные, фурановые, фенольные) кислотного, аминового или эфирного отверждения. 229 Горячетвердеющие смеси с фенолформальдегидными и другими связующими послужили основой для литья в оболочковые формы, но применяются и для изготовления стержней. Повышение качества литых заготовок достигается также применением прогрессивных способов формовки – импульсного, пленочно-вакуумного, пескодувно-прессового и др. Благодаря универсальности и экономичности способом литья в песчаные формы изготавливают большинство отливок, в первую очередь, из черных сплавов – чугуна и стали. Однако, механические свойства отливок невысоки, точность их размеров обычно находится в диапазоне IT 14…17, шероховатость поверхности - Rz – 320…20 мкм. |