Литье в металлические формы (в кокиль)

 

При литье в металлические формы (кокиль) расплавленный металл заливают в многократные металлические формы под действием сил гравитации.

В качестве материала для металлических форм применяют серый чугун, углеродистую сталь, алюминиевые сплавы с анодированной рабочей поверхностью. Толщина стенок кокиля составляет от 20 до 100 мм и зависит от толщины стенок отливки. Толщина кокиля должна быть по возможности равномерной. Для повышения стойкости кокиля, а также производительности процесса, кокили снабжают жидкостным охлаждением (водяным, масляным).

По конструкции кокили бывают: вытряхные, с вертикальным разъемом, с горизонтальным разъемом, створчатые, с комбинированным разъемом, стопочные. Для повышения стойкости кокили изготавливают из нормализованных элементов (пластин), игольчатыми, методами порошковой металлургии.

При литье в металлические формы применяют как металлические (для простых полостей), так и песчаные литейные стержни (для сложных полостей). Для выталкивания отливки из кокиля используют толкатели диаметром 10-20 мм, которые изготавливают из углеродистой стали.

Большую роль при формировании отливки в металлической форме играет покрытие рабочей поверхности кокиля огнеупорным материалом (мел, графит, тальк, глина огнеупорная, жидкое стекло и др.) – окрашивание кокиля.

Краски бывают разовые и многократные. Они защищают поверхность кокиля от резкого термического удара при заливке металла, повышая его стойкость, предотвращают приваривание заливаемого металла к стенкам кокиля, позволяют регулировать скорость затвердевания отливки. Толщина краски обычно не превышает 1 мм. Толстостенные покрытия поверхности кокиля (свыше 1 мм.) называют облицовками. Литье в кокили с разовой облицовкой из термореактивных смесей (толщиной 3-10 мм.) относят к отдельному технологическому процессу – литью в облицованный кокиль.

Литьем в кокиль получают фасонные заготовки из серого, ковкого и высокопрочного чугунов, сталей, алюминиевых, магниевых и медных сплавов (блоки и головки блоков двигателей, поршней из алюминиевых сплавов, ступицы колес из ковкого чугуна, станины электродвигателей из серого чугуна, стойки плуга из высокопрочного чугуна, крышки, втулки из медных сплавов и др В нашей стране объем кокильного литья по черным сплавам достиг 5-10%, по цветным – 40-50% от общего выпуска литья.

Технологический процесс включает:

Специфика определяется в основном вторым этапом –подготовить металлическую форму – в свою очередь включающая шесть основных операций:подогреть металлическую форму, окрасить рабочую полость металлической формы, выдержать металлическую форму для подсушки краски, изготовить стержневую смесь, изготовить песчаные стержни, собрать металлическую форму.

Рассмотрим основные операции по подготовке металлической формы.

Первая операция – подогреть металлическую форму. Рабочая температура кокиля находится в пределах 150-250⁰С (но не ниже 100⁰С) Кокиль подогревают с целью удаления из рабочей полости влаги (предотвращение взрыва), лучшего заполнения рабочей полости кокиля расплавленным металлом, некоторого снижения скорости затвердевания отливки, подсушки краски, улучшения качества окраски. Кокили подогревают газовыми горелками, редко электронагревателями. В процессе работы кокиль разогревается от периодически заливаемого расплавленного металла. Регулирование теплового режима кокиля, его стабилизация является сложной технической задачей, нерешенной в полной мере до настоящего времени.

Вторая операция – окрасить рабочую поверхность металлической формы). Краску наносят в большинстве случаев пульверизатором. При литье черных сплавов в качестве огнеупорного покрытия используют иногда ацетиленовую копоть. Окраску кокиля производят либо каждый цикл (разовые покрытия), либо периодически (многократные покрытия).

Третья операция –выдержать металлическую форму для подсушки краски. Выдержка обычно не превышает нескольких десятков секунд. В некоторых случаях после окраски металлическую форму подогревают дополнительно.

Четвертая и пятая операции - изготовить стержневую смесь (2.4) и изготовить песчаные стержни (2.5) практически не отличаются от аналогичных операций при литье в песчано-глинистую форму. При литье в кокиль применяют песчаные стержни, изготовленные с применением тепловой сушки, в нагреваемой оснастке, оболочковые и др.

Шестая операция – собрать металлическую форму (2.6).При сборке формы части кокиля обдувают сжатым воздухом, соединяют, устанавливают при необходимости металлические или песчаные стержни, форму закрывают. Температура кокиля при этом не должна быть ниже указанных выше пределов.

Первый и третий этапы технологического процесса (выплавить жидкий металл и залить металл в форму) мало отличаются от аналогичных этапов при литье в песчано-глинистую форму. Однако время заливки металла в металлическую форму должно быть минимальным – из-за высокой скорости охлаждения заливаемого металла.

Четвертый этап – выдержать металл в форме для затвердевания и охлаждения резко отличается от аналогичного этапа при литье в песчано-глинистую форму.

В металлической форме скорость затвердевания и охлаждения отливки возрастают от нескольких раз, до не­скольких десятков раз, что зависит от вида сплава и толщины стенок отливки. Ускоренное затвердевание отливки способствует формированию мелкозернистой структуры металла и повышению его механических свойств. Однако, при литье серого чугуна, на поверхности от­ливок образуется отбел (карбид железа Fe₃C) – твердая и хрупкая структура, не поддающаяся механической обработке. Отбел может быть устранен последующей термообработкой (отжигом), однако эта операция является дорогостоящей.

Пятый этап– извлечь отливку из формы. Для извлечения отливки металлическую форму раскрывают. При этом одна из полуформ обычно остается неподвижной. При движении подвижной полуформы отливка может двигаться вместе с ней, или остаться в неподвижной полуформе. Для решения конкретной задачи используют толкатели. После извлечения из кокиля отливку охлаждают на воздухе до комнатной температуры.

Шестой этап – выполнить финишную обработку. Из-за отсутствия пригарка и высокого качества поверхности кокильные отливки не подвергают в большинстве случаев очистке в голтовочных барабанах или в дробеметных камерах. Основные виды обработки – отделение литниковой системы, зачистка и обрубка заусенцев, выбивка стержней, контроль, грунтовка.

При механизации и автоматизации процесса применяют однопозиционные кокильные машины (автоматы), четырех -, шести-, восьми- и шестнадцати- позиционные карусельные машины, автоматические кокильные линии.

Достоинства процесса:

- повышенные прочность и качество поверхности отливки;

- повышенные механические свойства металла (кроме чугуна). Прочность возрастает на 50-70%, пластичность в 3-4 раза;

- отсутствие формовочных материалов и их переработки;

- резкое уменьшение отходов производства;

- высокая производительность в условиях массового производства: до 50 циклов в час на однопозиционных машинах, до 120 циклов в час на многопозиционных машинах и автоматических линиях;

- возможность полной автоматизации процесса.

- более благоприятные условия труда по сравнению с литьем в песчаные и оболочковые формы.

Недостатки процесса:

- образование отбела при литье серого и высокопрочного чугунов, анизотропность свойств по сечению отливок из других сплавов;

- низкая стойкость кокиля (100 – 2000 заливок) при литье черных сплавов (в то время как при литье цветных сплавов стойкость достигает 100 000 заливок);

- сложность получения тонкостенных отливок вследствие быстрого затвердевания металла;

- 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, что влечет снижение их

механической прочности, а также не допускает упрочняющие виды термообработки;

- высокая стоимость технологической оснастки (пресс-форм) и оборудования, в

результате чего процесс рационален только в условиях массового производства;
- проблематичность литья под давлением отливок из черных сплавов;
– ограничение отливок по размерам (до 1000 мм в плоскости разъема формы) и

массе (до 50 кг для алюминиевых сплавов).

Центробежное литьё

 

При центробежном способе литья расплавленный металл заливают во вращающуюся форму. Процессы заливки металла, а также его кристаллизации протекают под влиянием центробежных сил. Центробежная сила прямо пропорциональна массе вращающегося тела, расстоянию от оси вращения и квадрату числа оборотов.

Скорость вращения литейной формы – до 1500 оборотов в минуту. При центробежном литье используют металлические, керамические (по выплавляемым моделям), оболочковые, резиновые, а также песчаные формы, в том числе сырые песчано-глинистые формы. Ось вращения литейной формы может быть вертикальной, горизонтальной или наклонной.

При вращении литейной формы вокруг вертикальной оси свободная поверхность жидкости (расплавленного металла) приобретает форму параболоида вращения. При вращении литейной формы вокруг горизонтальной оси свободная поверхность вращающейся жидкости (расплавленного металла) имеет правильную цилиндрическую форму, но ось этой поверхности смещена кверху по отношению к оси вращения формы. Однако по мере затвердевания металла эксцентриситет постепенно уменьшается и в затвердевшей отливке полностью отсутствует.

При необходимости во вращающуюся металлическую форму вставляют песчаные стержни, с помощью которых можно получать сложные наружные или внутренние поверхности отливки. Для регулирования температуры металлических форм используют водяное, как правило, струйное охлаждение.

Центробежным способом получают тела вращения (кольца, втулки, гильзы цилиндров двигателей, маслоты т.е. заготовки для поршневых колец, вкладыши для подшипников, трубы), а также фасонные отливки из стали, чугуна, алюминиевых, магниевых, медных и цинковых сплавов. Этим способом отливают также цилиндрические трёх- и двухслойные (биметаллические) заготовки (валки прокатных станков, втулки подшипников). Многослойные заготовки получают последовательной заливкой во вращающуюся форму нескольких различных сплавов. Известен способ центробежного литья в металлические футерованные формы, покрытые разовой тонкостенной футеровкой из песчано-глинистой формовочной смеси. Толщина футеровки – до 50мм. Используют также процесс центробежного литья под слоем флюса.

При получении центробежным способом фасонных заготовок используют, как правило, песчано-глинистые, оболочковые формы, а также формы по выплавляемым моделям и др.

Масса литых заготовок при центробежном литье составляет от нескольких десятков грамм (при литье в резиновые формы) до 60т, диаметр – до 1500мм, длина – до 10м

Этап заполнения формы жидким металлом. Он включает такие операции, как: ввести в форму заливочный желоб, залить в форму дозу металла, извлечь желоб из полости вращающейся формы. Заливочный желоб вводят в рабочую полость вращающейся формы через центральное отверстие в торцевой крышке, с помощью специального механизма.

При отливке коротких тел вращения расплавленный металл заливают во вращающуюся форму по неподвижному желобу. При производстве длинных тел вращения (трубы чугунные) металл заливают во вращающуюся форму с помощью подвижного желоба, перемещающегося вдоль оси формы. Дозирование металла осуществляется либо с помощью мерного ковша, либо непосредственным взвешиванием заливаемого в форму металла. Процесс заполнения металлом рабочей полости формы происходит под влиянием гравитационных и центробежных сил: расплавленный металл отжимается к стенкам вращающейся формы, образуя свободную внутреннюю цилиндрическую поверхность. При этом имеет место непрерывная пульсация жидкого металла вдоль стенок вращающейся формы. После заливки металла заливочный желоб из полости формы извлекают.

Затвердевание отливки во вращающейся форме также происходит при воздействии гравитационных и центробежных сил. Формирование толщины стенки отливки происходит от стенки формы к свободной поверхности, которая затвердевает последней. По мере увеличения толщины стенки отливки эксцентриситет свободной поверхности уменьшается. Пульсация жидкого металла относительно затвердевшего слоя, а также большая теплоотдача вращающейся формы способствуют формирования мелкозернистой структуры отливки, увеличению ее механических свойств. Однако, под влиянием центробежных сил усиливается ликвация (неоднородность структуры, неравномерность распределения примесей по сечению стенок отливки), кроме того на свободной поверхности отливки сосредотачиваются неметаллические включения и газовые раковины. Точность внутренней поверхности отливки находится в прямой зависимости от точности дозирования заливаемого металла. Внутренняя поверхность отливки имеет, как правило, высокую шероховатость.

После охлаждения отливки до заданной температуры вращающуюся форму останавливают.

Извлекаем отливку. При центробежном литье в металлическую изложницу объем финишной обработки резко сокращается. Полностью отсутствуют работы по отделению от отливок литниковой системы, (литниковая система отсутствует) резко уменьшается трудоемкость зачистки заусенцев, так как форма не имеет плоскости разъема. Очистка отливки необходима лишь при использовании песчаных стержней.

Достоинства центробежного литья:

- возможность получения пустотелых отливок без стержней;

- экономия металла (до 30 и более процентов) на литниковой системе;

- повышенные механические свойства наружных слоев отливки;

- возможность получения многослойных (в том числе биметаллических) цилиндрических заготовок;

- возможности получения тонкостенных отливок при литье с вертикальной осью вращения;

- возможность полной автоматизации и роботизации;

- относительно благоприятные условия труда.

 

Недостатки центробежного литья:

- низкие точность и качество внутренней поверхности отливок;

высокая неоднородность структуры металла (ликвация);

- ограничение номенклатуры отливок (телами вращения) при литье с горизонтальной осью вращения формы;

- низкая стойкость изложниц при литье черных сплавов;

- недостаточная производительность при литье небольших отливок на машинах с горизонтальной осью вращения (10…15 отливок в час);

- образование отбела при литье чугуна в металлические вращающиеся формы-изложницы.

 

 

ИДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

ВАРИАН №1 Рис.2.12. Чертеж детали: материал — СЧ20; класс точности размеров 9; ряд припусков 4	ВАРИАНТ №2 Рис.2.13. Чертеж детали: материал —сталь 45Л; класс точности размеров 9; ряд припусков 4

Исходными документами служат чертежи деталей с указанием марки материала, основных размеров, шероховатости, квалитетов точности размеров и ряда припуска на механическую обработку. Примеры чертежей приведены на рис. 2.12, 2.13.

Для выполнения лабораторной работы каждому студенту выдается чертеж детали будущей отливки. В соответствии с полученным чертежом необходимо выполнить следующие этапы.

1. Начертить эскиз детали с указанием всех требований чертежа.

2. Выбрать положение отливки (модели) в форме с указанием плоскости разъема модели и формы.

3. Назначить и указатьна эскизе припуски на механическую обработку отливки.

4. Назначить и указать на эскизе формовочные уклоны модели.

5. Выбрать контур стержней и их знаковые части.

6. Рассчитать литнико-вую систему.

7. Начертить эскиз модели и стержневого ящика.

8. Описать технологию сборки литейной песчано-глинистой формы и начертить эскиз ее вертикального разреза.