Основные теоретические сведения

Основной продукцией литейного производства являются сложные (фасонные) заготовки деталей, называемые отливками.

Отливки получают заливкой расплавленного металла в специальную литейную форму, внутренняя рабочая полость которой имеет конфигурацию отливки. После затвердевания и охлаждения отливку извлекают, разрушая литейную форму (разовая форма) или разбирая ее на части (многократная форума).

Отливки получают различными способами литья, которые, имея одинаковую сущность, отличаются материалом, используемым для формы, технологией ее изготовления, условиями заливки металла и формирования отливки (заливка свободная, под давлением, кристаллизация под действием центробежных сил и т.д.) и другими технологическими особенностями. Выбор способа изготовления отливок определяется его технологическими возможностями и экономичностью.

Около 80 % отливок изготавливают наиболее универсальным, но менее точным способом – литьем в песчаные формы.

Специальными методами литья получают отливки повышенной точности и чистоты поверхности с минимальным объемом последующей механической обработки.

Основное достоинство литейного производства – это возможность получения разнообразных по массе заготовок практически любой сложности непосредственно из жидкого металла.

Литьё в песчано-глинистые формы

Для изготовления песчаной формы используют модельный комплект, опочную оснастку и формовочные материалы. В модельный комплект входят модель отливки (модельные плиты), стержневые ящики (если отливку изготавливают с применением стержней), модели литниково-питающей системы.

Конструкция модели должна обеспечивать возможность уплотнения формовочной смеси и удаления модели из формы. Поэтому модель чаще всего делают разъемной, на вертикальных стенках предусматривают формовочные уклоны, в местах перехода стенок – галтели. Размеры модели выполняют с учетом припусков на механическую обработку и линейной усадки сплава отливки.

Модельные комплекты изготавливают из древесины и металлов (чаще всего из алюминиевых сплавов и чугуна). Деревянные модельные комплекты применяют в мелкосерийном и единичном производстве, а металлические – в крупносерийном и массовом.

Заливку собранных форм производят на конвейерах, где они охлаждаются до температуры выбивки. Выбивку отливок из форм и стержней из отливок производят на вибрационных решетках.

В последние годы все большее внимание уделяется повышению точности отливок. Размерная точность отливок будет более высокой при использовании металлической оснастки, машинных способов изготовления форм и стержней, газифицируемых моделей, жидких самотвердеющих смесей.

Литьё в кокиль

Сущность процесса, заключается в свободной заливке расплавленного металла в металлическую форму – кокиль. Для получения внутренних полостей отливок широко применяют металлические стержни.

Литье в металлические формы обладает рядом технических и технологических преимуществ по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы.

При затвердении в металлической форме отливки получают более мелкозернистую плотную структуру металла за счет повышенных скоростей охлаждения. В связи с этим улучшаются механические свойства отливок, а в других случаях вызывает отбел чугунов.

Они имеют большую точность размеров с минимальными припусками на механическую обработку. За счет уменьшения припуска на механическую обработку повышается выход годного литья. Использование формовочной площади повышается в несколько раз, что дает возможность без расширения литейных цехов повысить выпуск литья.

Значительно возрастает производительность труда, причем рабочие быстрее приобретают необходимые навыки. Этот способ приводит к снижению себестоимости литья.

Вместе с тем производство литья в металлические формы имеет свои трудности. Так, изготовление металлических форм требует значительных затрат и продолжительного времени освоения. Высокая теплопроводность металлических форм затрудняет получение сложных тонкостенных отливок большого габарита. Невозможно получать отливки, имеющие внутренние и наружные сложные очертания. Особенно сдерживает литье в металлические формы относительно малая стойкость кокилей и их неподатливость, что приводит к образованию трещин в отливках.

Поэтому литье в кокили применяется в основном при изготовлении деталей из цветных сплавов, обладающих меньшей температурой плавления и меньшей склонностью к образованию трещин.

Литьё в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы применяется для изготовления сложных тонкостенных отливок из черных и цветных сплавов.

Сущность процесса заключается в свободной заливке расплавленного металла в формы. Эти формы представляют собой сухие тонкостенные оболочки толщиной 8 -15 мм, изготавливаемые из термореактивных смесей, которые затвердевают от тепла нагретых металлических моделей и стержневых ящиков. Иногда этот метод применяют для изготовления оболочковых стержней.

Основные достоинства изготовления отливок в оболочковых формах – высокая точность геометрических размеров отливок, низкая шероховатость поверхностей отливок, сокращение количества формовочных материалов; экономия производственных площадей, облегчение операций выбивки и очистки отливки, возможность полной автоматизации производственного процесса за счет использования многопозиционных карусельных автоматических машин и автоматических линий.

Недостатки способа – высокая стоимость термореактивных связующих и применение нагреваемой литейной оснастки.

Литьё по выплавляемым моделям

Сущность процесса заключается в свободной заливке расплавленного металла в формы, изготовленные из специальной огнеупорной смеси по разовым моделям, которые после изготовления формы, выплавляются, выжигаются или растворяются.

Особенности этого способа – разовая модель, изготовленная из легкоплавкого модельного состава, не имеет разъема и знаковых частей, а ее контуры повторяют форму отливки; форма, полученная по выплавляемым моделям, представляет собой тонкостенную, не имеющую разъема оболочку; форма изготавливается из специальной огнеупорной смеси, состоящей из пылевидного кварца и гидролизованного раствора этилсиликата; для обеспечения высокой прочности и удаления остатков модельного состава литейные формы прокаливают при температуре 850 – 900°С, после чего заливают расплавленным металлом.

Этим способом наиболее экономично изготовлять мелкие, но сложные и ответственные отливки с высокими требованиями по точности геометрических размеров и шероховатости поверхности, а также детали из специальных сплавов с низкими литейными свойствами, детали из любых черных или цветных сплавов, включая высоколегированные жаропрочные и сверхтвердые сплавы.

Недостатки способа – высокая стоимость литья. Поэтому его следует применять только для изготовления таких деталей, которые невозможно получить другими методами литья (например, мелкие тонкостенные детали из труднообрабатываемых сплавов со сложной конфигурацией). Литьем по выплавляемым моделям получают, как правило, мелкие сложные стальные отливки массой до 1,5 кг.

Литьё под давлением

Это способ получения фасонных отливок в металлических формах, при котором заполнение формы и кристаллизация металла производится под принудительным давлением.

Применяется в массовом производстве для изготовления тонкостенных отливок из сплавов цветных металлов. Он обеспечивает высокую точность размеров отливок, большинство которых не требует дальнейшей механической обработки.

Этим способом литья получают, например, такую деталь, как алюминиевый блок цилиндров автомобильного двигателя. Масса такого блока составляет 35 кг, на поверхности отливки расположено 130 отверстий.

При литье под давлением металлические формы (пресс-формы) и стержни делаются стальными. Применение песчаных стержней в данном случае исключается, так как заполняющий форму жидкий металл под высоким давлением может их разрушить.

Скорость впуска расплавленного металла в пресс-форму составляет 0,5 – 120 м/с, а конечное давление может составлять 100 МПа; следовательно, форма заполняется за десятые, а для особо тонкостенных отливок – за сотые доли секунды. Сочетание особенностей процесса – металлической формы и внешнего давления на металл – позволяет получать отливки высокого качества.

Основные достоинства литья под давлением – высокая точность геометрических размеров и низкая шероховатость поверхностей отливок, возможность изготовления сложных, тонкостенных отливок из алюминиевых, магниевых и других сплавов, высокая производительность способа.

Недостатки способа – сложность изготовления пресс-форм, ограниченный срок их службы.

Литьё под низким давлением

Сущность процесса заключается в заливке расплавленного металла и формировании отливки под давлением 0,1 – 0,8 МПа. Способ позволяет автоматизировать операции заливки формы, создает избыточное давление на металл при кристаллизации, что способствует повышению плотности отливок и уменьшению расхода расплавленного металла на литниковую систему.

Недостатком способа является низкая стойкость металлопровода, что затрудняет применение литья под низким давлением для получения отливок из чугуна и стали.

Центробежное литьё

Это способ получения отливок, при котором расплавленный металл заливается во вращающуюся форму. Формирование поверхности отливки и процесс кристаллизации металла протекает под действием центробежных сил.

Центробежным способом получают отливки из стали, чугуна и цветных сплавов. Наибольший технико-экономический эффект обеспечивается при использовании этого способа для получения отливок типа тел вращения (трубы, втулки, гильзы, цилиндры двигателей, кольца подшипников качения и др.).

Центробежным способом можно получать также фасонные детали типа звездочек, зубчатых колес, турбинных дисков с лопатками, деталей арматуры и др.

Машины для центробежного литья бывают с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Иногда применяются также машины с наклонной осью вращения.

Машины с вертикальной осью вращения применяются только для изготовления относительно коротких цилиндрических отливок с небольшой разницей в толщине стенки по высоте (втулки, кольца и др.).

При вертикальной оси вращения свободная поверхность отливки получается параболической.

При горизонтальной оси вращения отливки получаются со стенками одинаковой толщины и практически любой длины.

Центробежный способ литья имеет следующие преимущества: не требуется применения стержней для получения внутренней полости цилиндрических отливок; резко снижается расход металла на литниковую систему; металл в отливке получается плотным, мелкокристаллического строения, что повышает его механические свойства; резко снижается себестоимость литья.

 

Таблица 1 – Характеристика отливок, получаемых различными методами

Способы изготовления отливок	Масса отливки, т	Материал	Область применения и особенность способа
1	2	3	4
Разовые формы
Литье в песчано-глинистые формы. Ручная формовка: в почве с верхом	До 200	Сталь, серый, ковкий и высокопрочный чугун, цветные металлы и сплавы	Станины, корпуса машин, рамы, цилиндры, шаботы молотов, траверсы
по шаблону	До 100		Отливки в виде тел вращения (зубчатые колеса, кольца, диски, трубы, шкивы, маховики, котлы, цилиндры)
в крупных опоках			Станины, бабки, коробки скоростей, блоки цилиндров
в съемных опоках со стержнями из быстротвердеющей смеси	До 35		Станины ГМК, болтовысадочных автоматов, ножниц: позволяет уменьшить припуски на 25 – 30 % и трудоемкость механической обработки на 20–25 %
в почве с верхней опокой с облицовочным слоем из быстротвердеющей смеси	До 25		Шаботы, станины, цилиндры; позволяет снизить трудоемкость изготовления заготовки и механической обработки за счет уменьшения припусков на 10–18 %
в стержнях	До 2		Отливки со сложной ребристой поверхностью (головки и блоки цилиндров, направляющие)
в почве открытая	До 0,15		Отливки, не требующие механической обработки (плиты, подкладки)
в мелких и средних опоках	До 0,1		Рукоятки, шестерни, шайбы, втулки, рычаги, муфты, крышки
Машинная формовка: в крупных опоках	До 2		Бабки, суппорты, корпуса небольших станин
в мелких и средних опоках	До 0,1		Шестерни, подшипники, муфты, маховики; позволяет получать отливки повышенной точности с низкой шероховатостью поверхности
Литье в оболочковые формы: песчано-смоляные	До 0,15	Сталь, чугун и цветные сплавы	Ответственные фасонные отливки в крупносерийном и массовом производстве
химически твердеющие тонкостенные (10 – 20 мм)	До 0,2		Ответственные фасонные мелкие и средние отливки
химически твердеющие толстостенные (толщиной 50 – 150 мм)	До 40		Большие отливки (станины штамповочных молотов, подушки прокатного стана)
жидкостекольные оболочковые	До 0,1	Углеродистые и коррозионностойкие стали, кобальтовые, хромистые и алюминиевые сплавы, латунь	Точные отливки с низкой шероховатостью поверхности в серийном производстве
Литье по выплавляемым моделям	До 0,15	Высоколегированные стали и сплавы (за исключением щелочных металлов, реагирующих с кремнеземом облицовочного слоя)	Лопатки турбин, клапаны, дюзы, шестерни, режущий инструмент, детали приборов. Керамические стержни позволяют изготовлять отливки толщиной 0,3 мм и отверстия диаметром до 2 мм
Литье по растворяемым моделям	До 0,15	Титан, жаропрочные стали	Лопатки турбин, детали приборов. Солевые модели снижают шероховатость поверхности
Литье по замораживаемым моделям	До 0,14		Тонкостенные отливки (минимальная толщина стенки 0,8 мм, диаметр отверстия до 1 мм)
Литье по газифицируемым моделям	До 15	Любые сплавы	Мелкие и средние отливки (рычаги, втулки, цилиндры, корпуса)
Многократные формы
Литье в формы: гипсовые	0,1	Сталь, чугун, цветные металлы и сплавы	Крупные и средние отливки в серийном производстве
песчано-цементные	70
кирпичные	200
шамотно-кварцевые	100
глинистые	50
графитовые	0,014
каменные	0,03
металлокерамические и керамические	0,025
Литье в кокиль: с горизонтальной, вертикальной и комбинированной плоскостью разъема	7 (чугун), 4 (сталь), 0,5 (цветные металлы и сплавы)	Сталь, чугун, цветные металлы и сплавы	Фасонные отливки в крупносерийном и массовом производстве (поршни, корпуса, диски, коробки подач, салазки)
Литье в облицованный кокиль	0,25	Сталь аустенитного и ферритного классов	Лопатки рабочих колес гидротурбин, коленчатые валы, буксы, крышки букс и другие крупные толстостенные отливки
Литье под давлением: на машинах с горизонтальными и вертикальными камерами прессования	0,10	Магниевые, алюминиевые, цинковые и свинцово-оловянные сплавы, сталь	Отливки сложной конфигурации (тройники, колена, кольца электродвигателей, детали приборов, блок двигателя)
с применением вакуума	0,05	Медные сплавы	Плотные отливки простой формы
Центробежное литье на машинах с осью вращения: вертикальной	0,05	Чугун, сталь, бронза и др.	Отливки типа тел вращения (венцы, шестерни, бандажи, колеса, фланцы, шкивы, маховики), двухслойные заготовки (чугун – бронза, сталь – чугун) при l/d < 1
горизонтальной	0,60		Трубы, гильзы, втулки, оси при l/d > 1
наклонной (угол наклона 3 – 6°)	1,0		Трубы, валы, слитки
вертикальной, не совпадающей с геометрической осью	0,01		Фасонные отливки, не являющиеся телами вращения (рычаги, вилки, тормозные колодки)
Штамповка жидких сплавов	До 0,30	Цветные сплавы	Слитки, фасонные отливки с глубокими полостями (турбинные лопатки, детали арматуры высокого давления)
с кристаллизацией под поршневым давлением	0,01	Чугун и цветные сплавы	Массивные и толстостенные отливки без газовых раковин и пористости; можно получать уплотненные заготовки из нелитейных материалов (чистый алюминий)
Литье выжиманием	Панели размером до 1000×2500 мм с толщиной 2,5–5 мм	Магниевые и алюминиевые сплавы	Крупногабаритные отливки, в том числе ребристые
Вакуумное всасывание	0,01	Сплавы на медной основе	Небольшие отливки типа тел вращения (втулки, гильзы)
Последовательно-направленная кристаллизация	0,012	Цветные сплавы	Отливки с толщиной стенки до 3 мм при протяженности до 3000 мм
Литье под низким давлением	0,030	Чугун, алюминиевые сплавы	Тонкостенные отливки с толщиной стенки 2 мм при высоте 500 – 600 мм (головки блока цилиндров, поршни, гильзы)
Непрерывное литье	Трубы диаметром 300 – 1000 мм	Сталь, чугун, цветные металлы и сплавы	Листы, заготовки круглого сечения (слитки, трубы, валы)
Литье с кристаллизацией под давлением	0,01 – 0,3	Чугун, цветные сплавы	Слитки, уплотненные фасонные отливки с глубокими полостями (лопатки, детали арматуры высокого давления)

Технологичность конструкций отливок характеризуется условиями формовки, заливки формы жидким металлом, остывания, выбивки, обрубки. На выполнение основных операций технологического процесса получения отливки влияют уклоны, толщина стенок, размерные соотношения стержней и другие условия.

Большое влияние на технологию последующей обработки отливок оказывает наличие в них отверстий. При массовом производстве в отливках обычно получают отверстия диаметром свыше 20 мм, при серийном – диаметром свыше 30 мм и при единичном – диаметром свыше 50 мм.

Порядок выполнения работы

5.1 Ознакомиться с заданием практической работы и по своему варианту выбрать исходные данные (Приложение Б)

5.2 Изучить общую характеристику литейного производства и способы изготовления отливок

5.3 Вывод

Форма отчета о работе

6.1. Тема, цель работы.

6.2. Задание, чертеж детали и ее анализ

6.3. Выбор и описание нескольких методов литья для получения данной отливки

6.4. Определение оптимального метода в зависимости от типа производства и материала детали

6.3. Вывод

7. Контрольные вопросы и задания

7.1. Какие сплавы относятся к чугунам?

7.2. На какие группы подразделяют чугуны?

7.3. Каким методом получают серый, ковкий, высокопрочный чугун?

7.4. Как маркируются чугуны?

7.5. От каких факторов зависит степень графитизации?

Рекомендуемая литература

1. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение: учебник: 2-е изд., исправл. и доп. / Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г, Ф. Косолапое [и др.]; под общ. ред. Б. Н. Арзамасом. М., 1986.

2.Барташевич, А. А. Материаловедение: учеб. пособие / А. А. Барташевич. Ростов н/Д, 2004.

 

Приложение Б

 

Вари ант	Эскиз детали	Вари ант	Эскиз детали
1	Деталь – Серьга Материал – Сталь 30Л Производство - единичное		Деталь – Фланец Материал – СЧ10 Производство - единичное
3	Деталь – Ступица Материал – Сталь 40Х Производство - массовое	4	Деталь – Шестерня Материал – Сталь 40 Производство - серийное
5	Деталь – Втулка Материал – Сталь 25Л Производство - единичное	6	Деталь – Крышка Материал – СЧ20 Производство - массовое
7	Деталь – Шестерня Материал – Сталь 45 Производство - серийное	8	Деталь – Серьга Материал – КЧ36-6 Производство - единичное
9	Деталь – Колесо Материал – Сталь 50 Производство - массовое	10	Деталь – Корпус Материал – Сталь 40Л Производство - единичное
11	Деталь – Переходник Материал – СЧ10 Производство - единичное	12	Деталь – Опора Материал – СЧ25 Производство - массовое
13	Деталь – Стакан Материал – Сталь 40ХН Производство - массовое	14	Деталь – Корпус Материал – СЧ20 Производство - массовое

 

 

Практическая работа № 8 Изучение и анализ технологии электродуговой и контактной сварки

Цель работы

  Научить анализировать технологию электродуговой и контактной сварки

Задание

    Зарисовывается эскиз свариваемого узла, указывается сварные швы.

Определить диаметр электрода и способ подготовки кромок, силу сварочного тока, вес наплавленного металла, время горения дуги, продолжительность процесса сварки для каждого шва и затем суммировать для всего узла.

Оснащение работы

Методические указания к практической работе