Общая характеристика технологического процесса литья

Общая характеристика технологического процесса литья

 

Литейное производство – один из наиболее универсальных и рациональных способов производства заготовок и деталей в машиностроении. Доля литых заготовок в конструкциях машин составляет от 20 до 90% по массе.

Современное литейное производство – это комплекс технологических процессов получения литых заготовок и деталей, масса которых составляет от нескольких грамм до 300 т., а габаритные размеры - от нескольких миллиметров до 20 метров. Многие способы литья позволяют управлять процессом кристаллизации металла, получать отливки с уникальными свойствами и микроструктурой.

Сущность процесса литья

Технологический процесс литья – это способ получения заготовок или деталей посредством заливки расплавленного металла в рабочую полость литейной формы. В литейной форме металл затвердевает и охлаждается, в результате чего формируются геометрическая форма, размеры, качество поверхности, микроструктура и основные физико-механические свойства изделия, называемого отливкой. При этом наружные очертания отливки определяются рабочей полостью формы, а внутренние образуются фасонными вставками, называемыми стержнями [2]. После затвердевания и охлаждения отливку из формы извлекают и подвергают финишной обработке.

 

Схема литейного производства

Процессу изготовления отливки предшествуют (рис. 1.3) такие этапы жизненного цикла, как выбор способа литья, разработка чертежа отливки, разработка технологического процесса литья, разработка технических заданий (Т3) и проектирование средств технологического оснащения (СТО), изготовление СТО – то есть необходимой технологической оснастки.

Технологический процесс изготовления отливки в общем виде включает следующие основные этапы: плавку жидкого металла, изготовление (или подготовку, если форма многоразовая) литейной формы, заливку металла, выдержку металла в форме для затвердевания и охлаждения, выбивку (или извлечение) отливки из формы, финишную обработку отливки.

В зависимости от вида сплава в литейных цехах используется следующее плавильное оборудование: вагранка (для плавки чугуна), дуговая электропечь (чугун, сталь), пламенные печи (мартеновская – для плавки стали, прочие пламенные – для плавки чугуна и цветных сплавов), конвертер (сталь), индукционная электропечь (все сплавы), электропечь сопротивления (цветные сплавы). Для получения ответственных тонкостенных отливок из серого и ковкого чугуна используются также дуплекс-процессы: “вагранка - дуговая электропечь”, “вагранка - индукционная электропечь” и “вагранка - пламенная печь”.

Для заливки расплавленного металла в литейную форму применяют чайниковые (чугун, цветные сплавы), барабанные (чугун) или стопорные ковши (сталь).

В соответствии с ГОСТ 18169 литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Литейная форма, используемая для заливки расплавленным металлом лишь один раз и разрушаемая при извлечении отливки, называется разовой. Литейная форма, используемая для заливки расплавленным металлом более одного раза, называется многократной.

Наибольшее применение в литейном производстве(до 90%) имеют разовые песчаные формы. Прочие разовые формы имеют ограниченное применение.

После затвердевания и охлаждения до заданной температуры отливка из формы извлекается либо путём разрушения формы (разовая форма), либо посредством раскрытия формы и выталкивания отливки (многократная форма). Процесс извлечения отливки из разовой формы называется выбивкой. Литейные стержни в процессе выбивки отливок либо разрушаются (разовые стержни), либо извлекаются из отливки для повторного использования (многократные стержни).

Далее отливка охлаждается на воздухе до комнатной температуры и поступает на финишную обработку, которая включает отделение от отливки литниковой системы (отбивка, газовая резка, обрубка, механическая резка), очистку (галтовочный барабан, дробеструйная очистка, дробеметная очистка и др.), зачистку (питателей, заусенцев и запивов) абразивными кругами. Некоторые виды очистного оборудования представлены на рис. 1.7.

При необходимости отливки подвергают термической обработке (отжиг белого чугуна для получения ковкого чугуна, отжиг или нормализация отливок из углеродистой стали и др.), а также первичной механообработке. Далее отливки проходят контроль (от визуального до ультразвукового и рентгеновского) и, как правило, окрашиваются (грунтовка). Готовые отливки (литые заготовки, литьё) поступают в механические и другие цеха для размерной обработки.

Классификация литейных форм

 

По конструкции литейные формы бывают разъёмными (одна, две и больше плоскостей или поверхностей разъёма) и неразъёмными. Разъёмные формы могут иметь горизонтальную или вертикальную плоскости разъёма.

В зависимости от типа производства, габаритов, сложности, толщины стенок отливки и вида заливаемого металла литейные формы изготавливаются из различных материалов. Среди разовых форм наибольшее распространение как указывалось выше имеют песчаные формы. Они изготавливаются из специально составленных формовочных смесей, огнеупорной основой которых является кварцевый формовочный песок. В качестве связующего материала для формовочной смеси могут служить огнеупорная формовочная глина, жидкое стекло, смолы холодного и горячего отверждения, холоднотвердеющие смолы в сочетании с поверхностно-активными веществами (для получения жидких формовочных смесей) и др. По агрегатному состоянию песчаные смеси бывают сыпучие, пластичные и жидкие (жидкоподвижные).

Вид связующего материала и способ упрочнения формовочной смеси определяют и соответствующий вид песчаной формы: песчано-глинистая сырая; песчано-глинистая сухая песчано-глинистая подсушенная; песчано-жидкостекольная (по СО2-процессу); песчано-жидкостекольная из пластичных самотвердеющих смесей (по ПСС-процессу); песчано-жидкостекольная из жидких самотвердеющих смесей (по ЖСС-процессу); песчано-смоляная из холоднотвердеющих смесей (по ХТС-процессу); песчано-смоляная, отверждаемая при продувке газообразным катализатором (по Ашланд-процессу) и др. Известны литейные песчаные формы, изготовленные без связующего материала (замороженные, по пенополистироловым моделям, песчаные вакуумно-плёночные). По толщине стенок песчаные формы подразделяют на тонкостенные, позволяющие в той или иной мере воздействовать извне на процесс затвердевания и охлаждения отливки в форме (толщиной до 20-50мм), и толстостенные, или объёмные песчаные формы, процесс затвердевания и охлаждения отливки в которых определяется лишь теплофизическими свойствами материала формы. Среди многократных литейных форм наибольшее применение имеют металлические формы, изготавливаемые из серого и высокопрочного чугунов, углеродистых и легированных сталей, алюминиевых сплавов, покрытых термостойким анодным слоем.

Классификация процессов литья

 

Наименование процесса (способа) литья определяется, как правило, либо видом заливаемой литейной формы, либо способом заполнения расплавленным металлом рабочей полости формы. Условно принято считать, что литьё в разовые песчаные формы относится к обычным, традиционным способам литья, а все другие способы литья – к специальным. Специальные способы литья иногда могут значительно повышать его стоимость, но позволяют получать отливки повышенного качества с минимальным объёмом механической обработки.

 

Чертёж отливки

 

Исходным документом для разработки чертежа отливки служит чертёж детали Отливка отличается от детали припусками на механическую обработку, наличием литейных радиусов и литейных уклонов, а также отсутствием некоторых отверстий (диаметром менее 10-20мм), которые целесообразнее получать механической обработкой (сверлением).В некоторых случаях отливка снабжается технологическими напусками, рёбрами, стяжками.

Припуск на механическую обработку – это дополнительный слой металла, который удаляется при механической обработке с целью получения заданной точности, а также качества поверхности, получение которых не обеспечивает данный технологический процесс литья. Величина припуска регламентируется ГОСТ 2.423, 1855 и др. и зависит от способа литья, габаритных размеров отливки, её материала. Припуск на обработку составляет от 0,5 до 20 и более миллиметров на сторону.

При литье в металлические формы литейные уклоны обеспечивают беспрепятственное извлечение из формы отливки.

Литейные радиусы обусловлены поверхностным натяжением заливаемого металла, в силу которого жидкий металл не заполняет прямые и острые углы рабочей полости формы. Литейные радиусы способствуют также лучшему уплотнению формовочной смеси в углах рабочей полости формы, уменьшают вероятность образования в отливках трещин. Величина литейных радиусов – от 0,5 до 20 мм, а при литье толстостенных заготовок может достигать 200 мм.

Чертёж отливки разрабатывается на основании технологических указаний на чертеже детали: плоскости разъёма формы, количества и конфигурации стержней, припусков на обработку, литейных уклонов и радиусов, мест подвода металла (питателей), расположения выпоров и прибылей. При определении плоскости разъёма формы (и модели) обрабатываемые поверхности отливки располагают внизу или вертикально, т. к. верхние части отливки всегда более загрязнены и качество металла в них ниже. Для повышения точности отливки желательно её располагать, если это возможно, в одной полуформе (лучше – в нижней). Конфигурация модели должна позволять, по возможности, её извлечение из формы без отъёмных частей и без дополнительных стержней. Количество стержней в форме должно быть минимальным. Зачастую плоскость разъёма формы совпадает с осью симметрии отливки. Рекомендации по определению рациональной плоскости разъемы формы даны в приложении 2.

На чертеже отливки записываются также технические требования, указываются, при необходимости, базовые поверхности при механической обработке.

 

Технологический процесс

Устройство песчаной формы

 

Литейная песчаная форма является разъёмной и в большинстве случаев состоит из двух полуформ. Плоскость, разделяющая эти полуформы, называется плоскостью разъёма формы. Она может быть горизонтальной или вертикальной. Большинство литейных форм имеет горизонтальную плоскость разъёма. Такие формы, соответственно, состоят из верхней и нижней полуформ. Внутри формы, собранной из двух полуформ, располагают рабочую полость, получаемую с помощью специального инструмента – литейной модели. В рабочую полость формы заливают расплавленный металл. Наличие двух полуформ определяется необходимостью извлечения из формы модели (моделей) после уплотнения формовочной смеси, а также для размещения в плоскости разъёма каналов литниковой системы. При этом формовочная смесь уплотняется в специальных металлических рамках, называемых опоками. Бывают также и безопочные формы.

Для получения в отливке отверстий и внутренних полостей применяют литейные песчаные стержни, которые изготавливают отдельно от полуформ (из стержневой смеси), высушивают или отверждают химическим способом и вставляют в форму при её сборке. Таким образом наружные очертания рабочей полости определяются конфигурацией модели, а внутренние – конфигурацией литейных стержней. В некоторых случаях стержни используются и для формирования наружной поверхности отливки. Песчаные стержни обычно уплотняют, а затем высушивают или отверждают химическим способом. При извлечении отливки из формы песчаные стержни разрушаются, то есть также являются разовыми. Для сложных отливок количество стержней может достигать нескольких десятков (рис.2.2).

Для установки и фиксации в форме стержни снабжают специальными опорными элементами, называемыми знаками. Знаки выходят за границы отливки и являются продолжением тех частей стержня, которые формируют в отливках отверстия. По расположению в форме знаки бывают вертикальными и горизонтальными. Вертикальные знаки имеют уклон 10 – 15, горизонтальные – либо без уклона, либо с уклоном в тех же пределах. Длина знака зависит от его поперечного сечения и массы стержня и составляет от 20 до 100мм. Между знаками стержня и знаками формы предусматривают зазоры(0.3-2мм).

Форма заполняется расплавленным металлом через систему каналов, называемую литниковой системой. Литниковая система включает: литниковую чашу, стояк, зумпф, шлакоуловитель, питатели, выпоры, прибыли и другие элементы. При заливке в форму расплавленный металл из разливочного ковша попадает в чашу. Литниковую чашу располагают либо в верхней части верхней полуформы, либо изготавливают отдельно и устанавливают на форму сверху. По стояку металл течёт к плоскости разъёма формы, после чего попадает в горизонтальный канал, называемый шлакоуловителем. Шлакоуловитель располагают в верхней полуформе. Его назначение – подвод жидкого металла к питателям, а также улавливание частичек шлака и неметаллических включений. Под стояком, в нижней полуформе, делают углубление со сферической поверхностью, которое называется зумпф. Зумпф предотвращает размыв формы при изменении направления движения металла. Из шлакоуловителя металл переходит в питатели, по которым попадает в рабочую полость литейной формы. Количество питателей в форме может достигать нескольких десятков. Питатели располагаются в нижней полуформе. По мере заполнения литейной формы металлом находящийся в рабочей полости формы воздух оттесняется кверху. Для отвода воздуха из формы в момент заливки служат выпоры – вертикальные каналы в верхней части рабочей полости.

Для предотвращения усадочных раковин в массивных частях отливки в форме создают прибыли – специальные полости, расширяющиеся кверху, в которых заливаемый металл затвердевает позднее, чем в отливке, благодаря чему усадочная раковина «переходит» в прибыль. Обычно прибыли применяют при заливке в форму сплавов, усадка которых более 1% (сталь, цветные сплавы).

На литниковую систему расходуется значительная доля заливаемого в форму металла. Выход годного, то есть отношение массы металла отливки к массе залитого металла, выраженное в процентах для различных сплавов может составлять от 75-80% (для чугунных отливок) и до 50% (для стали и цветных сплавов). При заливке жидкого металла в форме возникают гидростатическое и гидродинамическое давления, в результате чего верхняя полуформа может приподняться. Для предотвращения этого на собранную форму накладывают груз, масс которого в 3-5 раз превышает массу заливаемого в форму металла. Вместо груза полуформы (опоки) скрепляют также клиновыми скобами, струбцинами, редко – болтами.

С момента контакта жидкого металла с формой начинается интенсивный её прогрев. В результате различные составляющие формовочной смеси (вода, каменный уголь, мазут и др.) выделяют большое количество различных газов, в том числе горючих, а также пара. Особенно в сложных условиях находятся песчаные стержни. Несмотря на существенную пористость песчаных форм и стержней (их «газопроницаемость»), для отвода газов от отливки в верхней и нижней полуформах создают дополнительную систему вентиляции – путём накалывания вентиляционных каналов (вентиляционных наколов). Аналогичные вентиляционные каналы делают и в стержнях.

Песчано-глинистая форма уплотняется и транспортируется в специальных металлических рамках, называемых опоками. Опоки изготавливают из алюминиевых сплавов, стали, чугуна. Боковые стенки опок снабжаются отверстиями для выхода из формы газов. На обеих плоскостях опоки обычно снабжаются буртиками – для лучшего удержания уплотнённой формовочной смеси. Большие опоки имеют также рёбра жёсткости – «шпоны», удерживающие уплотнённую формовочную смесь и придающие большую жёсткость опоке. Опоки также снабжают специальными приливами – «ушками» для расположения в них центрирующих отверстий («системы координат»). Крупные опоки имеют также специальные приливы – цапфы для их транспортирования и кантования. В литейной форме можно получить до нескольких десятков отливок одновременно. При этом все отливки должны, по возможности иметь идентичный подвод металла и заливаться через общую литниковую систему. Сечения основных элементов литниковой системы рассчитываются.

Технологическая оснастка

Технологическая оснастка включает опоки(см.П.2.1), подмодельные плиты с моделями (полумоделями), стержневые ящики.

Модель – это инструмент для получения рабочей полости формы (рис.2.8), формирования наружной поверхности отливки. Размеры модели больше размеров отливки на величину усадки заливаемого металла (линейной усадки). Линейная усадка зависит от материала отливки и, частично, - от её геометрической сложности и составляет от 0,5 до 2,5%.

Для формирования в форме опорных площадок для установки стержней (знаков) на модели выполняют соответствующие выступы – знаки модели.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве модели изготавливают деревянными, в серийном и массовом производстве – металлическими (сплавы алюминия, меди, серый чугун, сталь). Деревянные модели изготавливают из хвойных или благородных пород дерева, многослойными, клееными с тщательной сушкой. Деревянные модели окрашивают масляными красками и лаками для предохранения от влаги, находящейся в воздухе, а также в формовочной смеси. Красный цвет моделей – для чугунного литья, серый цвет – для стального литья. Знаки модели окрашивают черной краской.

В зависимости от геометрической сложности отливки и технологии изготовления формы модель может быть неразъёмной или разъёмной. В большинстве случаев разъёмные модели изготавливают из двух половин (двух полумоделей). Плоскость, которая их разделяет, называется плоскостью разъёма модели. Как правило, плоскости разъёма формы и модели совпадают. Поверхности модели, перпендикулярные к плоскости её разъёма, выполняют с литейным уклоном – для лёгкого извлечения модели из уплотнённой (упрочнённой) полуформы.

При изготовлении формы модель свободно устанавливается (ручная формовка) или жёстко закрепляется (машинная формовка) на специальной плите, которая называется подмодельной. Кроме модели, на подмодельной плите устанавливаются или закрепляются также и необходимые модели элементов литниковой системы. При жёстком закреплении модели на подмодельной плите последняя снабжается неподвижными штырями – для установки опок и их строгой ориентации по отношению к модели. Подмодельные плиты бывают также двухсторонними. По материалу подмодельные плиты могут быть деревянными или металлическими.

Стержневой ящик – это инструмент для изготовления стержня (стержней), в том числе и его знаков. Стержневые ящики бывают открытыми (неразъёмными) или закрытыми (разъёмными). Они могут иметь отъёмные части. По материалу стержневые ящики бывают деревянными или металлическими. Конструкция стержневого ящика зависит в значительной степени и от технологии изготовления стержней: при пескодувном способе заполнения стержневой смесью стержневые ящики снабжают вдувными отверстиями и вентами, при отверждении стержней в стержневом ящике – толкателями и т.д. Стержневые ящики могут быть одноместными и многоместными.

В соответствии с чертежом отливки поверхности стержневого ящика, перпендикулярные разъёму стержневого ящика, снабжаются литейными уклонами. Размеры стержневого ящика (и стержня) определяются с учётом усадки металла отливки. Рабочие поверхности стержневого ящика сопрягаются посредством литейных радиусов.

Модели, стержневые ящики, подмодельные плиты и другие виды литейной оснастки изготавливают в модельном цехе машиностроительного завода по соответствующим чертежам, разработанным на основании чертежа отливки.

Технологический процесс

Выбивка отливок из формы

 

Извлечение отливок из песчано-глинистой формы осуществляется путём её разрушения и называется выбивкой. Для выбивки отливок применяют в основном вибрационные решётки. При этом песчаную форму ставят на раму вибрационной решётки и включают двигатель. Благодаря вибрации песчаная форма разрушается, формовочная смесь просыпается через ячейки решётки на транспортное устройство и доставляется в смесеприготовительные отделения. Отливка остаётся на решётке, откуда транспортируется в обрубное отделение для финишной обработки. При выбивке отливок частично выбиваются и стержни.

Финишная обработка

 

Финишная обработка отливок включает операции обрубки, очистки, зачистки, выбивки стержней, термообработку (при необходимости), исправление дефектов, контроль, окраску(грунтовку), иногда – эмалирование, первичную механическую обработку отливок,

Обрубка – это отделение от отливок литниковой системы, а также удаление остатков питателей и крупных заусенцев (заливов). Литниковую систему чугунных отливок отбивают, отливок из пластичных сплавов – отрезают газовой или воздушно-дуговой резкой, ленточными или дисковыми пилами.

Очистку отливок от пригоревшей песчаной смеси производят в галтовочных барабанах, методами дробомётной, дробеструйной и вибрационной очистки, гидропескоструйным и электрохимическим способами.

Зачистка отливок предусматривает удаление с поверхности следов литниковой системы, заливов по плоскости разъёма, прочих заусенцев наждачными кругами, иногда – в штампах на специальных прессах.

Стержни мелких отливок выбиваются при очистке в галтовочных барабанах и при дробеметательной очистке. Стержни из крупных отливок выбиваются в гидравлических камерах методом электрогидравлической выбивки.

В зависимости от вида сплава в литейных цехах выполняют следующие виды термообработки: отжиг белого чугуна на ковкий чугун, гомогенизацию, старение, отжиг и отпуск алюминиевых и магниевых сплавов, отжиг или нормализацию отливок из стали.

Исправление дефектов отливок (усадочные раковины, трещины) производят газовой или электродуговой сваркой с подогревом или без подогрева отливок, пайкой, металлизацией, пропиткой специальными составами.

Контроль качества отливок – одна из наиболее ответственных операций финишной обработки. В зависимости от предъявляемых требований отливки, могут контролироваться визуально (или с помощью приборов) по следующим параметрам: качество поверхности, наличие наружных и скрытых дефектов, макро и микроструктура, твёрдость, прочность и другие механические свойства отливки, геометрическая и массовая точность, коррозионная стойкость, герметичность, немагнитность и др.

Наряду с разрушающими методами контроля (механическое разрезание отливок для контроля внутренних дефектов, механических свойств и микроструктуры) применяют и неразрушающие методы: ультразвук, электромагнитные колебания, магнитную дефектоскопию, рентгенографию и рентгеноскопию, методы проникающих жидкостей.

Операция грунтовки (окраска отливок) производится либо путём окунания (погружения отливок в нитрокраску), либо пневматическими пистолетами в окрасочных камерах с последующей естественной сушкой.

В некоторых случаях в обрубных отделениях литейных цехов производят первичную механическую обработку отливок (обработка базовых поверхностей).

При производстве отливок сантехнического назначения (ванн, раковин) в литейных цехах выполняют и операцию эмалирования.

 

Специальные способы литья

Специальные способы литья по сравнению с литьём в песчаные формы обеспечивают большую точность отливок, повышают качество поверхности, снижают припуски на механическую обработку. Некоторые из них позволяют резко сократить или ликвидировать потребность в формовочных и стержневых материалах, улучшить условия труда. Стоимость деталей, как правило, уменьшается. Однако в некоторых случаях стоимость литых заготовок может повышаться. Общий объём производства литых заготовок специальными способами литья в машиностроении не превышает 15%.

 

Литье в оболочковые формы

 

При этом способе литья расплавленный металл заливают в тонкостенные оболочковые формы, изготовленные из песчано-смоляных смесей по нагреваемой оснастке. Толщина оболочковых форм от 5 до 20 мм, форма состоит из 2-х полуформ, которые, как правило, склеиваются. Применяют оболочковые формы, как с вертикальной, так и с горизонтальной плоскостями разъема. Для получения внутренних плоскостей отливок используют песчано-смоляные оболочковые (тонкостенные), либо монолитные стержни. Форма и стержни имеют высокую газопроницаемость, что способствует хорошему заполнению формы металлом, получению тонкостенных отливок. Оболочковая смесь состоит из сухого кварцевого формовочного песка (основа смеси) и порошкообразной фенолоформальдегидной термореактивной смолы (5-7% по массе). Применяют либо механические смеси, либо плакированные. В последнем случае смола наносится на поверхность зерен песка по специальной технологии. Термореактивная смола при нагревании расплавляется, а затем необратимо затвердевает. Термостойкость затвердевшей смолы – свыше 700 ⁰С

Оболочковые формы изготавливают по нагреваемой металлической оснастке бункерным, либо пескодувным способом. Широкое применение в промышленности нашел бункерный способ, который обеспечивает лучшее качество оболочковых форм. Оболочковые полуформы изготавливают одновременно: на одной подмодельной плите монтируют две полумодели. Материал моделей – сталь, серый чугун.

Литье в оболочковые формы применяют при производстве ответственных отливок из стали, серого и высокопрочного чугунов, бронзы, латуни в условиях серийного и массового производства (коленчатые валы из высокопрочного чугуна, гильзы ребристых цилиндров из серого чугуна для тракторных двигателей и мотоциклов, детали гидронасосов, рабочие и направляющие колеса турбонасосов, звенья цепей из жаростойкого сплава, вентили и др.).

Технологический процесс литья в оболочковые формы можно разделить на:

– выплавить жидкий металл – определяется в основном видом заливаемого сплава. Для плавки в частности, черных металлов широко используются дуговые электроды.

– заливка металла в формы осуществляется с помощью чайниковых ковшей средней емкости (до 500 кг).

Специфику ТП определяет:

Изготовить оболочковую форму. Этот этап включает: изготовить оболочковую смесь, изготовить стержни, изготовить оболочковые полуформы, собрать и скрепить оболочковую форму, охладить и установить оболочковую форму в контейнер, засыпать форму дробью.

Залить металл в форму. Оболочковая форма хорошо заполняется металлом благодаря её низкой теплопроводности и хорошей газопроницаемости.

Выдержать метал в форме для затвердевания и охлаждения. Благодаря чугунной дроби процесс затвердевания, и охлаждения отливки в форме значительно ускоряется, что способствует повышению механических свойств металла. При затвердевании и охлаждении отливки в форме стенки оболочковой формы сильно разогреваются, смола частично выгорает, форма разрушается.

Выбить отливку из формы (выбивка). Контейнер опрокидывают на выбивную решетку, чугунная дробь возвращается для повторного использования, части оболочковой формы идут на выброс (в отвал), отливку направляют на охлаждение и финишную обработку.

Выполнить финишную обработку. По содержанию эта операция мало отличается от финишной обработки отливок при литье в песчано-глинистые формы.

 

Достоинства процесса:

-повышенные точность и качество поверхности отливки;

- возможность получения сложных тонкостенных отливок из черных сплавов (серый чугун до 1,5 мм, сталь – до 3 мм);

- высокая производительность в условиях массового производства – до 300 форм в час;

- возможность полной автоматизации (наличие одного – двух – четырех позиционных автоматов, автоматических линий);

 

Недостатки процесса:

 

- нерешенность вопросов экологии: значительные выделения вредных газов на всех этапах технологического процесса, большой объем отходов, высокая стоимость, газоочистки и регенерации отходов;

- высокая стоимость фенолоформальдегидной смолы;

- ограничение отливок по размерам (до 1000 мм) и массе (до 100 кг).

Литье под давлением

 

При литье под давлением расплавленный металл заливают в многократные металлические формы под давлением поршня. Давление может достигать 3 000 – 3 500 ати. и более. Время заполнения металлом рабочей полости не превышает 1 сек.

Металлическую форму (пресс-форму) изготавливают из инструментальных и высоколегированных сталей. Форма массивная, сложная по конструкции, включает до 100 и более составных частей. Соотношение между массой отливки и массой пресс-формы достигает 1: 1000. Рабочая полость пресс-формы имеет высокую точность и чистоту поверхности, подвергается шлифованию и полированию. Стоимость пресс-форм очень высокая, на один-два порядка дороже кокилей. При литье под давление используют только металлические стержни. Для извлечения отливок из формы применяют толкатели. Пресс-формы имеют только вертикальную плоскость разъема.

Процесс литья под давлением с горячей камерой прессования применяют при производстве отливок из легкоплавких сплавов, температура плавления которых не превышает 450⁰С (сплавы на основе олова, свинца, цинка). Камера прессования при этом располагается непосредственно в емкости с заливаемым металлом, что обеспечивает стабильный тепловой режим литья и возможность получения сложных тонкостенных отливок небольшой массы.

Процессы литья под давлением с холодной камерой прессования используют при получении отливок из более тугоплавких сплавов – магниевых, алюминиевых, медных, титановых. Камера прессования располагается вне ёмкости с заливаемым металлом.

Следует отметить, что технологический процесс литья под низким давлением, при котором рабочая полость формы заполняется расплавленным металлом под давлением воздуха или инертного газа (не более 6 ати) относится к самостоятельному процессу литья.

Литьем под давлением получают сложные по конфигурации тонкостенные отливки (с толщиной стенок до 1-1,5 мм.) с минимальными припусками на механическую обработку и точными литыми отверстиями массой от нескольких грамм (элементы замков "молния" из цинковых сплавов) до 50 кг. (головки цилиндров мотоциклетных двигателей, блоки четырех- и восьмицилиндровых автомобильных двигателей из алюминиевых сплавов, водопроводная арматура, тройники из латуни, судовая штуцерная арматура из бронзы, отливки из титановых сплавов).

Первый этап – выплавить жидкий металл. Мало отличается от аналогичного этапа при других способах литья

Второй этап – подготовить пресс-форму - включает такие важные операции, как подогрев пресс-формы и камеры прессования, нанесение смазки на рабочую поверхность пресс-формы и сборку формы. Подогрев необходим для удаления влаги, снижения величины усадочных напряжений и предотвращения образования трещин в отливках, облегчение заливки металла. Рабочая температура пресс-форм 120-130⁰С при литье алюминиевых сплавов, 300-350⁰С при литье медных сплавов, 450-500⁰С при литье титановых сплавов.

В начальный момент пресс-формы подогревают газовыми горелками или электронагревателями. В процессе литья тепловой режим пресс-формы регулируют с помощью водяного охлаждения..

Вторая важная операция – нанесение смазки на рабочую поверхность пресс-формы. Назначение смазки – предотвращение налипания заливаемого металла, уменьшение его эрозионного воздействия на стенки пресс-формы (повышение стойкости), снижение усилий при извлечении отливок, повышение качества их поверхности. Смазку наносят на рабочую поверхность пресс-формы пульверизатором периодически или каждый цикл. Смазки бывают жирные (на основе индустриальных масел с графитом, воском) и водные (растворы солей).

Третья операция – сборка пресс-формы. Перед закрытием пресс-форму обдувают сжатым воздухом. При необходимости в момент закрытия в рабочую полость формы автоматически вводятся металлические стержни.

Третий этап – залить дозу металла в камеру прессования. Масса заливаемого металла несколько превышает массу отливки и литниковой системы. При этом жидкий металл не может заполнить рабочую полость формы под действием сил гравитации, так как литниковый ход перекрыт нижним выталкивающим поршнем.

Четвертый этап – заполнить рабочую полость формы жидким металлом. Верхний прессующий поршень под действием механизма прессования движется вниз, воздействует на жидкий металл, последний оттесняет нижний выталкивающий поршень вниз, открывается литниковый ход и металл устремляется с большой скоростью (до 140 м сек) в рабочую полость формы. Для удаления из формы воздуха и газов по плоскости разъема пресс-формы, вдоль металлических стержней и толкателей выполняют вентиляционные каналы (глубиной 0,05 – 0,15 мм, шириной 10-30 мм.). Однако до 40% воздуха и газа не успевает выйти из рабочей полости формы и остаётся в металле в виде газовой пористости. Это влечет снижение механических свойств отливки, её не герметичность, невозможность последующей термической обработки (при нагреве отливки в местах скопления газов появляются вздутия и коробления).

Пятый этап– выдержать металл в форме для затвердевания и охлаждения. Отливка затвердевает и охлаждается в форме в условиях высокого давления, что способствует некоторому повышение механических свойств сплава.

Шестой этап – извлечь отливку из формы. Верхний прессующий поршень поднимается в исходное положение, нижний выталкивающий поршень двигается вверх, в результате чего затвердевший в камере прессования остаток металла (пресс-остаток) отделяется (отрезается) от литниковой системы, выталкивается кверху и сбрасывается в отходы на переплавку. После этого пресс-форма раскрывается, и отливка с литниковой системой извлекается из неё с помощью толкателей.

Седьмой этап – выполнить финишную обработку. В отличие от литья в песчано-глинистые и оболочковый формы она включает лишь отделение литниковой системы от отливки, зачистку заусенцев и контроль.

В настоящее время все технологические операции процесса литья под давлением автоматизированы, а заливка металла, извлечение отливки из формы и отделение литниковой системы от отливки – роботизированы.При литье под давлением применяют машины-автоматы, а также автоматизированные комплексы.Для уменьшения газовой пористости и повышения плотности заливаемого металла при литье под давлением применяют вакуумирование пресс-форм, предварительное заполнение рабочей полости формы кислородом (кислородный процесс), заполнение рабочей полости жидким металлом с подпрессовкой в процессе его затвердевания.

Достоинства процесса:

- высокая точность (припуски на обработку составляют 0,3-1 мм, уклоны менее 1 градуса) и качество поверхности отливки, в ряде случаев исключающие последующую механическую обработку;

- возможность получения тонкостенных отливок (толщиной 1-1,5 мм) и точных литых отверстий (диаметром 1,5-2 мм), а также отверстий с резьбой (до М6);

- минимальный объем финишной обработки отливок;

- высокая производительность (на машинах с горячей камерой прессования) – до 300 циклов в час, с холодной – до 100 циклов в час);

- возможность полной автоматизации и роботизации;

- отсутствие формовочных и стрежневых материалов и их переработки, а также отсутствие не перерабатываемых отходов производства;

- резкое улучшение условий труда по сравнению с литьем в песчаные, оболочковые и в металлические формы.

Недостатки процесса:

- наличие газовой пористости в массивных частях отливок, чт