Изготовление литейных форм

Глава I

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

РАЗДЕЛ III

 

 

Является одним из самых распространённых способов изготовления разнообразных металлических деталей весом от нескольких граммов до нескольких сот тонн.

Отливки широко применяют в машиностроении, металлургии, строительстве. Литьё в среднем составляет примерно половину массы машин и механизмов, поэтому литейное производство считается основной заготовительной базой машиностроения. Литые детали стоят значительно дешевле деталей, изготовленных другими способами, причём отливки могут быть сложной конфигурации из любых сплавов.

Современная техника предъявляет к отливкам разнообразные требования: высокие механические и рабочие свойства, жаростойкость, жаропрочность, антикоррозионные и антифрикционные свойства.

В отечественном машиностроении 74% всех отливок изготовляют из серого чугуна, 21% - из стали, 3% - из ковкого чугуна, 2% - из цветных сплавов (алюминиевых, медных и др.).

При выборе отливок нужно учитывать их стоимость. Если принять среднюю стоимость отливок из серого чугуна за 100%, то стоимость отливок из ковкого чугуна будет – 130%, из стали – 160%, из цветных сплавов – 300…600%.

Сущность производства литых изделий заключается в изготовлении формы, которую заполняют жидким металлом. После затвердевания металл принимает очертания и размеры формы и называется отливкой.

Технологический процесс получения отливок состоит из большого числа отдельных процессов:

1. изготовление модели,

2. приготовление формовочных и стержневых смесей,

3. изготовление стержней и литейных форм,

4. сборка литейных форм,

5. расплавление металла,

6. заливка металла в формы и затвердевание отливки,

7. освобождение затвердевшей отливки из формы,

8. обрубка и очистка литья,

9. контроль качества отливки.

 

 

§ 1. Основные положения по конструированию литых деталей

 

При конструировании машин конструктор должен выбрать конфигурацию детали, рассчитать нагрузки, воспринимаемые узлами детали, с учётом условий работы машины, выбрать соответственно этому материал, толщину стенок и размеры деталей, а также предусмотреть их технологию изготовления.

При этом конструктор должен создать наиболее легко изготавливаемую т. е. технологичную, конструкцию деталей.

При конструировании литой детали учитывают свойства металла, технологию изготовления модели, формы и стержня, сборку форм, очистку и обрубку литья. Для условий массового производства должны учитываться также возможности механизации и автоматизации производства.

 

§ 2. Литейные сплавы и их свойства.

 

Литейные сплавы, кроме заданных прочностных и физико-химических свойств, должны обладать целым комплексом технологических литейных свойств, характеризующих пригодность их для заполнения литейных форм и позволяющих получать качественные отливки.

К литейным свойствам жидкого металла относят: температуру плавления, жидкотекучесть, усадку и ликвацию.

При невысокой температуре плавления сплав легко расплавить и перегреть до температуры, требуемой для лучшего заполнения формы. Перегревом наз. разницу в температурах плавления сплава и заливки его в форму. Чем выше температура перегрева сплава, тем лучше его жидкотекучесть, а значит и заполнение формы. Однако высокий перегрев ведёт к поглощению значительного количества газов (окиси углерода, кислорода, водорода, азота и др.), что понижает литейные свойства сплава.

Жидкотекучесть – способность расплава заполнять и точно воспроизводить полость литейной формы. На жидкотекучесть влияют многие факторы:

1. температура плавления;

2. физическая природа и хим. состав сплава;

3. технология изготовления формы;

4. продолжительность заливки;

5. конструкция литниковой системы;

6. наличие неметаллических примесей в металле.

 

Усадка – свойство металлов и сплавов при затвердевании уменьшаться в объёме. Величина усадки зависит от рода сплава, его хим. состава, температуры и способа заливки, скорости охлаждения, формы отливки и др. факторов.

Усадка приводит к образованию в отливке усадочных раковин, пористости, которые образуются в наиболее массивных частях отливки, которые затвердевают в последнюю очередь. Усадочные раковины выводятся в прибыльную часть отливки и затем отрезаются.

Усадка в отливке вызывает внутренние напряжения, которые деформируют и даже разрушают отливку.

Литейные напряжения могут вызываться в отливке тепловыми явлениями, которые возникают вследствие различной скорости охлаждения толстых и тонких частей отливки.

Правильной конструкции модели и формы, регулированием охлаждения, соблюдением технологических режимов уменьшают и даже устраняют внутренние напряжения в отливке.

 

§ 3. Модельный комплект и принципы его изготовления.

 

 

Одной из важнейших операций в технологическом процессе литейного производства является изготовление литейных форм и стержней.

Для изготовления литейной формы необходимо иметь модельный комплект, состоящий из моделей, стержневых ящиков, модельных плит и др. приспособлений.

Конструкция модели должна обеспечить извлечение её из формы. Поверхность модели должна быть гладкой, чистой, чтобы при выемке её из формы она легко отделялась от формовочной смеси. Модель должна быть прочной, не изменяться в размерах, противостоять влиянию влаги формовочной смеси.

При изготовлении моделей и стержневых ящиков учитывают технологию формовки и изготовления стержней, литейные свойства металла и последующую механическую обработку детали.

По чертежу детали изготовляют модель и стержневой ящик.

Предварительно все размеры детали по чертежу увеличивают на величину литейной усадки сплава, из которого изготовляют отливку. Для этого в модельных цехах есть специальные линейки с учётом усадки. Для чугунного и цветного литья усадка составляет 1 – 2%, для стального – 1,5 – 2%.

Чертёж отливки делается по чертежу детали, на который наносят:

- припуск на мех. обработку;

- технологический припуск;

- технологические указания на изготовление отливки;

- другие специальные требования к отливке.

Припуск на мех. обработку – дополнительный слой металла на сторону, который удаляют при мех. обработке для получения заданной точности и качества поверхности детали.

Припуск задаётся ГОСТом и составляет для чугуна 0,7 – 5 мм, для алюминия – 0,7 – 2 мм.

На чертеже припуск штрихуют или обводят красным карандашом.

Технологический припуск – упрощает и облегчает процесс изготовления отливки. К нему относятся:

- литейные уклоны – для удобства извлечения модели из формы без разрушения и свободного удаления стержня из ящика (1º…3º, 1…8 мм);

- напуски – для упрощения изготовления, напр. отверстия малых диаметров которые можно просверлить;

- приливы – для удобства крепления детали при мех. обработке или транспортировке, удаляются при мех. обработке;

- рёбра и стяжки – для предохранения отливки от коробления при остывании или термообработке. Удаляют при мех. обработке.

- галтели – закругления внутреннего угла для плавного перехода сопрягаемых стенок. Предотвращают концентрацию напряжений, образование трещин в углах, уменьшение осыпания формовочной смеси при извлечении модели. По ГОСТу радиусы галтелей от 1 до 40 мм в зависимости от толщины сопрягаемых стенок

, мм

 

К технологическим указаниям относятся:

 

- линия разъёма модели с учётом низа и верха по расположению её в форме

 

 

- точность и шероховатость поверхности отливки;

- линия разъёма стержня;

- место подвода питателя.

 

Их выполняют цветным карандашом. Стержни устанавливают в специальные гнёзда и закрепляют замками для предотвращения смещения при давлении заливаемого металла. На чертеже стержни штрихуют по контуру и нумеруют в той последовательности в какой устанавливают в форме.

 

Материалом для моделей и стержневых ящиков в индивидуальном и мелкосерийном производстве в большинстве случаев является древесина, иногда гипс и цемент, в массовом производстве – алюминиевые сплавы и пластмассы.

Деревянные изготавливают из сравнительно сухого (до 10% влаги) плотного материала во избежание коробления и поводки их от потери собственной влаги.

Деревянные модели разделяют на 3 класса. Модели 1 класса изготавливают из бука, ореха и применяют для ручной и машинной формовки.

Для получения небольшого количества отливок используют модели 2 класса – из берёзы и липы и модели 3 класса – из сосны и ели.

Для того, чтобы они не впитывали влагу из формовочной смеси и окружающего воздуха, модели покрывают специальным лаком. Модели окрашивают и лакируют в определённые цвета. Поверхности моделей, которые соответствуют поверхностям отливок, не подвергающимся механической обработке, окрашивают в синий цвет – для стального литья, в красный для чугунного и в желтый – для цветного. Если отливки подвергаются механической обработке, то основной фон соответствующих поверхностей моделей покрывают чёрными круглыми точками. Отъёмные части моделей окантовывают чёрной полосой, стержневые знаки на моделях окрашивают в чёрный цвет.

Преимущества деревянных моделей – лёгкая обрабатываемость и дешевизна, а недостатки – деформируемость и склонность к растрескиванию.

Для металлических моделей применяют чугун, бронзу, латунь, алюминий и его сплавы. Стоимость металлических моделей значительно выше деревянных, но она служит во много раз дольше (по ней можно изготовить до нескольких десятков тысяч форм), кроме того металлические модели обеспечивают получение отливок с более точными размерами.

Для создания земляной формы применяют опоки. Опоки предназна­чены для удержания песчаной смеси, придания земляной форме достаточной жесткости и прочности при изготовлении, транспортировке и заливке металлом. Опоки изготавливают из стали, чугуна, сплавов алюминия. В зависимости от размеров и очертания отливок опоки имеют круглую, квадратную и прямоугольную форму.

Для изготовления земляных форм и песчаных стержней применяют формовочные инструменты, которые можно разделить на 3 группы:

1. инструменты используемые для наполнения и упрочнения формовочной смеси в опоке (лопаты, ручные и пневматические трамбовки);

2. инструменты предназначенные для извлечения модели из земляной формы (крючки, подъёмы и др.);

3. инструменты для отделки поверхности формы, исправления повреждений, прорезания литниковых каналов (гладилки, ложечки, пульверизаторы).

4.

§ 4. Формовочные и стержневые материалы.

 

Формовочные смеси применяют для изготовления форм, а стержневые смеси – для изготовления стержней.

Они состоят из песка, глины и различных добавок.

Формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью, газопроницаемостью, прочностью, противопригарностью и податливостью.

Пластичностью наз. способность смесей деформироваться под действием внешних нагрузок без нарушения целостности и сохранять приданную им форму после снятия нагрузки. Эти свойства необходимы для получения в форме отчётливого отпечатка модели. Пластичность возрастает при увеличении содержания в ней воды до 3…5%, глины и связующих материалов, а также песка с мелким зерном.

Газопроницаемостью наз. способность смесей пропускать газы вследствие своей пористости. Из формовочных материалов во время заливки формы сплавом выделяется большое количество газов. Если газопро­ницаемость недостаточна, то газы попадают в металл, образуя газовые раковины. Чем крупнее и однороднее по размерам зёрна песка, чем меньше в смеси глины, тем выше газопроницаемость смеси. Газопроницаемость измеряется в условных единицах и бывает от 30 до 150 единиц.

Прочностью наз. способность смеси выдерживать внешние нагрузки без разрушения. Это свойство необходимо для того, чтобы форма не деформировалась и не разрушалась при транспортировке и при воздействии на неё давления жидкого металла. Прочность возрастает при увеличении содержания в них глины, связующих материалов и песка с мелкими угловатыми зёрнами. Увеличение содержания воды до 3…5% повышает прочность смеси, при дальнейшем повышении влажности прочность снижается.

Противопригарностью наз. способность смесей не сплавляться и не спекаться с расплавленным металлом. Формовочные смеси иногда пригорают к отливке и образуют на поверхности сплошную кожу из смеси окиси металла и песка, которая сильно затрудняет мех. обработку. Противо­пригарность повышается при увеличении в ней чистого кварцевого песка и снижается при наличии известняка.

В качестве противопригарной добавки к формовочной смеси, предназначенной для чугунного литья, служит каменноугольная пыль, для бронзового литья – мазут. Эти добавки, сгорая во время заливки металла, выделяют газы, которые образуют восстановительную среду и этим препятствуют образованию окислов и предохраняют отливку от пригорания формовочной смеси.

Податливостью наз. способность смесей сжиматься под действием внешних сил. Это необходимо для того, чтобы форма или стержень не препятствовали усадке при затвердевании отливки. При недостаточной податливости материала формы в остывающей отливке возникают внутренние напряжения, приводящие к образованию трещин. Хорошей податливостью обладает кварцевый песок. Глина, располагаясь в промежутках между зёрнами песка, ухудшает податливость.

Состав и свойства формовочных материалов, применяемых для приготовления смесей, играет большую роль в получении качественных отливок.

Основными материалами для изготовления формовочных смесей являются: бывшая в употреблении формовочная смесь (горелая) и свежие добавки – песок, глина, вода, и специальные присадки.

Формовочные смеси по способу применения подразделяются на: облицовочные, наполнительные и единые. Лицевой слой формы, непосредственно соприкасающийся с жидким металлом, делают из смеси большой прочности и приготавливают более тщательно. Такая смесь наз. облицовочной. Основную часть формы делают из др. смеси – менее высококачественной и более дешевой. Эта смесь наз. наполнительной.

При массовом производстве формы обычно изготавливают из однородной смеси, наз. единой.

Основной составляющей частью формовочной смеси является кварцевый песок, зёрна которого должны быть различной величины и формы, обладать высокой огнеупорностью, не оплавляться и незначительно разрушаться при воздействии жидкого металла. Кварцевый песок всегда загрязнен некоторыми примесями (окисью железа, щелочных и др. металлов и глинистыми составляющими), которые снижают его огнеупорность. Кварцевые пески в зависимости от содержания глинистых веществ разделяют на несколько классов:

1. кварцевые К (до 2% глины)

2. тощие Т (от 2 до 10% глины)

3. полужирные П (от 10 до 20% глины)

4. жирные Ж (от 20 до 30% глины)

5. очень жирные ОЖ (от 30 до 50% глины).

 

Формовочные глины, содержащие мелкодисперсные минеральные частички в количестве более 50% являются связующим веществом. Они придают формовочным смесям пластичность во влажном состоянии и повышенную прочность и газопроницаемость – в сухом. Особо ценным является мелкодисперсная глина – бентонит, обладающая большой связующей способностью и хорошими физико-механическими свойствами.

В формовочные и стержневые смеси для увеличения газопроницаемости и пластичности добавляют опилки, каменноугольную пыль; в качестве связующих материалов – льняное масло, олифу, канифоль и др. вещества.

 

§ 5. Подготовка формовочных и стержневых

материалов и смесей.

 

Литейные цехи потребляют большое количество формовочных и стержневых смесей. На 1 т годного литья расходуется 5 – 12 т формовочной смеси. Поэтому в каждом литейном цехе есть отделение для приготовления формовочных и стержневых материалов и смесей на механизированных и автоматизированных установках.

Свежие материалы сушат, размельчают или разминают, и просеивают. Затем их смешивают в однородную массу. Чем равномернее распределяются между зернами песка глинистые добавки, влага и др. составные части, тем выше основные качества смеси.

Формовочные смеси по видам формовки различают: смеси для сырых форм и смеси для сухих форм.

При приготовлении сухих форм всегда применяют облицовочную смесь, а при изготовлении сырых форм часто используют единую.

Сырые формы делают из формовочных смесей, содержащих малое количество глины.

Сухие формы изготовляют из формовочных смесей, содержащих большое количество глины, иногда в эти смеси добавляют органические вещества, которые в период сушки выгорают и тем способствуют увеличению газопроницаемости формы.

Крупные формы для отливок массового производства, а также стержни некоторых видов изготавливаются из глины или из формовочных масс с очень большим содержанием глинистых веществ.

 

Чугунные отливки изготовляют в сырых и сухих формах. Для экономии в смесях используют до 90% отработанной смеси. А затем добавляют 10…50% свежего песка и глины и 2…8% молотого каменного угля. Чем больше масса отливки, тем больше добавляют свежих материалов в формовочную смесь.

Стальные фасонные отливки массой до 300 кг можно отливать в сырые формы, а отливки большей массы в сухие. Формовочные смеси в таком случае приготовляют из высокоогнеупорных материалов: чистого кварцевого песка, огнеупорной глины, хромистого железняка и др.

Формовочные смеси для цветного литья содержат значительное количество глины и состоят из более мелкозернистых песков, обеспечивающих отливкам гладкую поверхность.

Температура плавления цветных сплавов значительно ниже, чем, чёрных, поэтому смесь может иметь меньшую огнеупорность и газопроницаемость.

Для медных сплавов в смесь добавляют мазут, для магниевых – борную кислоту, серу и фтористые присадки.

 

Стержневые смеси могут быть песчано-масляные и песчано-глинистые. Стержни во время заливки формы металлом находятся в менее благоприятных условиях, чем форма. В большинстве случаев стержни почти со всех сторон окружены расплавленным металлом. Поэтому материал стержней должен обладать большой огнеупорностью, газопроницаемостью, прочностью, податливостью, не должен быть гигроскопичным. Поэтому в качестве связующих материалов применяют крепители, которые делятся на три группы:

- к I группе относятся: льняное масло и заменители масла, поливиниловый спирт и др. В основу этих крепителей входят одна или несколько составляющих – сланцевая смола, сульфитная барда и др.

- ко II группе относятся: сульфитно-спиртовая барда (отходы спиртового производства), сульфитный щелок (отходы бумажного производства), декстрин (продукт переработки крахмала)

- к III группе относятся: канифоль (остатки при переработке смолы хвойных пород), торфяной или древесный пек (отходы при извлечении фенолов из смол).

 

Стержни после просушивания имеют прочность на разрыв от 1 до 10 кг/см² и газопроницаемость от 70 до 130 единиц.

Для приготовления формовочных смесей в смесеприготовительных отделениях используют полуавтоматические и автоматические установки.

После заливки металла в формы и охлаждения отливок формы с конвейера подаются на выбивные решётки, где отработанная формовочная смесь выбивается из опоки и попадает на расположенный под полом транспортёр. Этот транспортёр сбрасывает смесь на вибрационное сито, с помощью которого из смеси удаляются куски стержней. Прошедшая через сито формовочная смесь попадает на наклонный ленточный транспортёр, доставляющий её в смесеприготовительное отделение. На конце ленточного транспортёра поставлен магнитный шкив, при помощи которого из отработанной смеси отделяются металлические части, попавшие в смесь во время заливки формы, и очищенная смесь ссыпается на распределительную ленту и в бункера. Из бункеров отработанная смесь при помощи дозаторов засыпается порциями в смешивающие бегуны. В бегуны также засыпают свежие формовочные материалы и заливают воду, после чего смесь перемешивают.

Из бегунов формовочная смесь наклонным ленточным транспортёром подаётся в разрыхлитель, находящийся над отстойным бункером. Затем после прохождения отстойного бункера смесь через питатель и транспортёр подается во второй разрыхлитель и дальше системой ленточных транспортёров, распределяется по расходным бункерам, расположенным над формовочными машинами. Чтобы высыпать формовочную смесь из бункера в опоку, нажимают на рычаг затвора в нижней части бункеров.