Характеристика способов получения отливок

На практике применяют комбинированные способы и часто способ изготовления отливки одновременно належит к разным классификационным группам. В литературе можно встретить деление способов изготовление отливок на обычные и специальные. Специальные дают возможность изготовления отливок высшего качества, точности размеров, чистоты поверхности. Перед изучением разных способов изготовления отливок надо отметить, что их распространение определяется прежде всего техническоэкономической целесообразностью изготовления заготовок. Рассмотрим основные способы изготовления отливок и краткую характеристику технологических процессов, их структуры, основных преимуществ и недостатков разных способов с точки зрения влияния на экологию.

Литье в песчано-глиняные формы(в земляные формы) наиболее универсальный и распространенный способ получения отливок. Он используется в единичном, серийном и даже в массовом производстве. Литьем в земляные формы обычно изготовляют большие и среднегабаритные заготовки простой и сложной формы. Берется модель, которую надо отлить, помещается в опоку, туда засыпается и уплотняетсясмесь. Потом две половинки опоки составляют и заливают жидкий металл.

Механизированное и автоматизированное машинное формирование опок смесью, ее уплотнение, съем моделей из формы, складывание, окраска, сушка и транспортирование форм используется в серийному и массовом производствах. Применение роботизированых и автоматизированных линий с программным управлением производственного процесса обеспечивает высокое качество заготовок, улучшенные условия работы и высокую производительность оборудования. Различают такие способы изготовления форм для литья заготовок, в двух, трех и больше опоках; за разъемными и неразъемными моделями; за моделями с отъемными частями частями; с перекидным болваном, по шаблонам; по скелетной модели, в земле; на стержнях. Формы по состоянию перед заливкой различают: сырые, полусухие химикотвердеющие и самотвердеющие. Последние обеспечивают возможность организации автоматизированного и экологически чистого производства. Применяют и литье по газифицированным моделям. Суть его состоит в том, что жидкий металл заливают через литниковую систему неспосередственно на заформированную в формовочную смесь пенополистироловую модель, которая под действием тепла жидкого металла сгорает и газифицируется, освобождая пустоту формы для заполнения ее металлом. Особенностью этого способа есть использование невыемной перед заливанием формы разовой пенополистироловой модели, отсутствие стержней и плоскости разнимания формы. Все это дает возможность расширить возможности процесса литья в песчаноглиняные формы, получить отливки сложной конфигурации, содействует повышению их качества. Для изготовления моделей используют бук, березу, клен, сосну или пихту. Для машинного формирования модели изготовляют из металла. Преимущества деревянных моделей их низкая цена, простота изготовления; при больших размерах небольшая масса; к недостаткам следует отнести недолговечность, изменение размеров соответственно влагосодержанию. Металлические модели имеют большую долговечность, высокую точность и чистую рабочую поверхность. Существуют еще модели из пластмасс. Различают такие формовочные смеси: заполнительные, облицовочные и универсальные. Основные требования, которым они должны отвечать: огнеупорность, пластичность, прочность, газопроницаемость, податливость, непригорание, негигроскопичность, долговечность, дешевизна, недефицитность. Для приготавливания формовочных смесей используют как наполнители глину и кварцевый порошок; как протипригарые элементы каменноугольная пыль, тальк и графит; как красители – маршалит, магнезит и цирконий. В шишкових смесях вместо глины применяют оксоль, жидкое стекло, смолы, патоку с добавлением торфа, которые, выгорая, повышают пористость и податливость смесей. Для повышения качества отливок формовочные смеси в формах прессуют па гидравлических прессовых машинах или на машинах с резиновой диафрагмой под давлением 24 МПа. Шишковые формы составляют из сухих шишек в специальных металлических опоках В массовом производстве используют оболочковые шишки, которые изготовляют пескодувным способом в нагретой металлической форме Часто большие шишки делают полыми, что дает возможность экономить материал для изготовления смесей.

Литье в вакуумнопленочные формы. Суть способа состоит в том, что на газопроницаемый модельный комплект накладывают предварительно нагретую синтетическую пленку и с помощью вакуумного устройства создают вакуум между пленкой и модельным комплектом. Благодаря этому пленка плотно прилегает к поверхности модели. На такой модельный комплект накладывают опоку, засыпают сухим песком, трамбуют, покрывают пленкой и создают вакуум внутри опоки. После отключения от вакуумного устройства из готовой полуформы снимают модельный комплект. Таким образом изготовляют все части литейной формы. В процессе дальнейшего складывания литейной формы, заливания ее металлом и охлаждения отливки форма или ее составные части) находятся под действием вакуума. После охлаждения отливки отключают вакуумное устройство, вследствие чего песок свободно высыпается из формы. Отливка легко отделяется от формы, а песок транспортируется для повторного использования после соответствующего его очищения от пыли и грязи. Таким способом изготовляют отливки практически из всех литейных металлов и их сплавов в условиях единичного, серийного и массового производства, массой от 1 до 10000 кг с габаритами до нескольких метров. Размеры отливок ограничиваются только размерами опок и производительностью вакуумных устройств. Форма и конфигурация отливок определяется свойствами и толщиной используемой пленки. Наибольшего распространения приобрела облицовочная пленка с сополимерэтилена и винилацетата толщиной 0,050,10 мм. Пленка из полиэтилена низкого давления хорошо вытягивается, но для этого нужны значительные усилия. Пленки из полипропилена имеют хорошую пластичность, но в ограниченном температурном диапазоне. Поливинилхлоридная пленка при нагреве выделяет хлор, являющийся токсичным веществом. Применяют пленки с разными наполнителями, что повышают их пластичность и термостойкость, а также пленки, которые можно напылять в жидком состоянии. Во избежание прилипания пленки и песка к отливкам, поверхность пленки покрывают безводными красками, изготовленными на основе графита, талька и т.п.. Степень разрежения воздуха в форме должна быть достаточной, чтобы форма не разрушалась,но не очень высоким,чтобы не содействовать пригоранию металла. Большей частью формы перед заливкой и во время заливки находятся в вакууме. Транспортируют готовые литейные формы или их части вместе с автономным вакуумным устройством. Заливку формы следует выполнять быстро, во избежание преждевременного их разрушения от потери герметичности во время выгорания пленки. Для выхода газов из формы предусмотрены специальные отверстия. Литниковую систему делают открытой. Часто ее изготовляют из газифицированных материалов (пенополистирола), которые выгорают во время заливки металла. Использование сухого песка вместо формовочных смесей позволяет обходиться без сложного оборудования для их изготовления, уменьшаются капитальные затраты и стоимость отливок. Количество формовочных материалов уменьшается сравнительно с обычным литьем в песчаноглиняные формы приблизительно на 40%, а затрата песка на один цикл выливания не превышает 3%. Отсутствие связующих материалов и разных примесей, которые вводят в формовочные смеси для улучшения их податливости, газопроницаемости, дает возможность снизить загрязнения воздуха.

Литье во временные формы. Временные формы в зависимости от материала и расплава выдерживают до нескольких сот заливок. Например, графитовые формы, которые используют для изготовления заготовок из жаропрочных чугунов, сталей, молибденовых, вольфрамовых, вольфрамокобальтовых и других сплавов с высокой температурой плавления, выдерживают до 300 заливок. Графитовые формы изготовляют из брикетированного графита с помощью обработки резанием. Шамотные, гипсовые и металлокерамические формы в зависимости от содержимого металлического порошка дают возможность руководить скоростью охлаждения отливки. Керамические формы изготовляют из жидкой химической смеси, которую дополнительно обжигают. Применяют керамические формы из пластических и сыпучих смесей, которые изготовляются прессованием. В керамических формах получаются отливки массой от 0,2 до 10000 кг из разных материалов, с точностью размеров отливок до 11 квалитету и чистоты поверхностей до 5 мкм по параметром Ra. Это дает возможность получать фасонные отливки для кузнечного, прессового и режущего инструмента, лопаток турбин, арматуры высокого давления из легированных сталей и т.п.. Отливки из некоторых сплавов никеля и титана получают только способом литья в керамические формы.

Для изготовления графитовых форм применяют естественный или искусственный графит, пирографит, другие углеродные материалы. Эти формы практически незаменимые для изготовления отливок из химически активных тугоплавких сплавов на основе титана, урана, ниобия, вольфрама и т.п.. В производстве используют как чисто графитовые формы, так и формы, покрытые углеродными композициями, оболочковые углеродные формы, изготовленные из углеродных смесей по выплавляемыми моделями.

В последнее время все чаще применяют одноразовые формы,которые отвердевают в снаряжении (на модели, в форме). Общим для них есть использование синтетических связок, которые при соответствующих условиях бесповоротно отвердевают. Отливки, полученные в этих формах, отмечаются большой точностью размеров, качеством поверхностей, маленькими припусками на обработку резанием. Технологические процессы легко механизируются и автоматизируются. К недостатками этого способа следует отнести токсичность связок.

Изготовление отливок в металлических формах. Кокиль (от фр. соquille) металлическая форма, которая заполняется расплавом под действием гравитационных сил. Кокили могут быть использованы многократно. Формы для изготовления заготовок бывают полностью металлическими или комбинированными с использованием неметаллических шишек. Основные преимущества этого способа изготовления отливок возможность многократного использования литейной формы; высокая точность формы и его размеров; качественная поверхность заготовок; мелкозернистая структура материала; сравнительно высокая производительность; низкая трудоемкость и стоимость заготовок; отсутствие необходимости в модельной, опочной оснастке и формовочных смесях; добрые условия работы; не требует высокой квалификации рабочих; нужны сравнительно небольшие производственные площади.

Недостатками этого способа изготовления отливок является высокая стоимость оснастки; невозможность изготовления тонкостенных отливок изза повышенной скорости их охлаждения и отливок с значительной массой. Поэтому кокильное литье, как правило, используют для изготовления простых по конфигурации отливок из чугуна, стали и цветных металлов в серийном и массовом производстве. Кокили позволяют получать отливки с точными размерами поверхностей (12 квалитет). Используют разъемные и неразъемные кокили с вертикальными и горизонтальными поверхностями разъема. Для ускорения охлаждения с внешней стороны кокилей предусмотренные штыри или ребра. Чтобы предотвратить отбеливанию чугуна, для отливок выбирают соответствующий химический состав литейного сплава, а перед заливкой форму нагревают до 250300°С и уменьшают время охлаждения отливки в форме. В случае заливания в кокиль сплавов на основе меди литейные формы смазывают жирными красками, которые предотвращать пригоранию. Стойкость чугунных кокилей составляет для стального литья 50-500 отливок, для чугунного 400-8000 отливок, для цветных металлов десятки тысяч отливок. Материал для изготовления металлических форм выбирают в зависимости от материала отливки, требований к ее качеству, программы выпуска заготовок. Для повышения стойкости кокилей их рабочие поверхности покрывают огнеупорными материалами и перед каждой заливкой красят. В сравнении с литьем в землю, литье в кокиль имеет ряд преимуществ с точки зрения влияния на экологию. Происходит уменьшение объема опасных для здоровья работающих операций отливки форм, общее улучшение условий работы, меньшее загрязнение окружающей среды.

Изготовление отливок литьем под давлением. Воздействие на жидкий металл внешних сил во время заполнения формы и кристаллизации отливки есть одним из эффективных способов устранения дефектов литья и получение высококачественных заготовок. Технологические процессы литья под давлением, кроме этого, есть высокопроизводительными, несложными, они имеют кратковременный цикл, легко поддаются механизации. Различают литье под высоким и низким давлением.

Изготовление отливок под высоким давлением.Литье заготовок под высоким давлением осуществляют в специальных металлических формах, которые имеют заданную герметичность. Преимуществом этого способа изготовления отливок,кроме указанных для кокильного способа, есть сравнительно высокое качество отливок (размеры могут иметь 10 квалитет точности, шероховатость поверхности Ra 1,25 мкм), возможность получения тонких стенок (0,5 мм), Получения маленьких отверстий (1 мм) и поверхностей с резьбами, отсутствием прибылей, раковин и припусков на обработку резанием. Недостатком этого способа литья является высокая стоимость литейных форм; пригодность способа в основном для материалов с низкой температурой плавления; возможность возникновения внутренних напряжений и трещин в отливках. Сплавы для литья под давлением должны иметь достаточную прочность при повышенных температурах, чтобы отливки во время их выталкивания из формы не ломались, иметь небольшой интервал температур кристаллизации. Этим способом изготовляют отливки из сплавов на основе алюминия, меди, цинка и магния. Как основное оборудование для литья под давлением используют компрессорные и поршневые машины с холодной или горячей камерами сжатитя, расположенными горизонтально или вертикально, с производительностью до 200400 отливок за смену. На компрессорных машинах производительность значительно выше и составляет 3500 отливок за смену. Машины с горячей камерой, которая находится непосредственно в жидком металле, используют для материалов с температурой плавления до 500°С. Машины с холодной камерой пригодны для более тугоплавких материалов. В машинах с холодной камерой поршень контактирует с горячим металлом кратковременно, а это дает возможность использовать более высокие рабочие давления (100300 МПа), чем для машин с горячей камерой (20 МПа) Для повышения производительности машин и их стойкости используют водное охлаждение прессформы. При конструировании прессформы используют унификацию, например, универсальные формыпакеты, нормализованные детали, узлы, блоки, специальные формыпакеты, универсальные блокиформы, которые дает возможность использовать их в условиях массового, серийного и мелкосерийного производства.Во избежание пригорания и для повышения стойкости прессформы используют смазочные масла из парафина, моторного масла, графита, церезина, воска и т.п.. Пресс формы для литья отливок из металлов с высокими температурами плавления (легированные стали) изготовляют из спеченных материалов на основе молибдена и вольфрама. На современных машинах для литья под высоким давлением автоматизированы операции обдувания и смазка формы, дозирование и заливание металла в форму, выталкивание отливок из формы и их транспортирование,а также очистки отливки от литниковой системы и поддерживания надлежащей температуры формы во время кристаллизации отливки. Пневматические дозаторы обеспечивают высокую чистоту металла, минимальное снижение его температуры и высокую точность массы. Для исключения пористости отливок и увеличения их прочности в процессе заливки формы применяют вакуумирование полости формы.

Литье под низким давлением.Литье под низким давлением выполняется в специальных формах (металлических, земляных, шишкових и т.п.), которые с помощью металопровода соединенны с ванной жидкого расплава.Ванна жидкого расплава герметично закрывается, а над поверхностью зеркала металла с помощью сжатого воздуха или инертного газа создается низкое избыточное давление, обеспечивая надежную подачу жидкого расплава в полость формы. В зависимости от материала формы и конструкции преимущества и недостатки этого способа аналогичны получению отливок под давлением. Разница состоит в том, что этим способом жидкий расплав подается в форму при низком избыточном давлении (10,20,810 Па), достаточном для надежного заполнения формы. Это обеспечивает возможность изготовления тонкостенных и ребристых отливок значительных размеров,с высокой точностью формы и размеров, качеством поверхностей, незначительными припусками на обработку резанием, создает возможность автоматизации процессов изготовление отливок и улучшение условий работы. После заполнения формы металлом под действием давления происходит кристаллизация отливки в форме. В металлопроводе металл продолжает находиться в жидком состоянии, поэтому литниковый коллектор выполняет функцию прибыли, надежно питает нижнюю часть отливки жидким металлом.

Основные преимуществами литья под низким давлением являются:

• использование металлических, песчаных, оболочковых и комбинированных форм обеспечивает широкую сферу применения этого способа;

• безковшовое заполнение формы сплавом из глубинных зон тигля уменьшает опасность попадания в отливку неметаллических примесей;

• кристаллизация отливки в форме под избыточным давлением способствует повышению качества материала отливки, точности формы, размеров, качества поверхностей отливки.

К недостаткам способа належит возможное появление газовой пористости, раковин, прилипания песка к поверхностям отливок цветных сплавов, преимущественно алюминиевых.