Технологии литейного производства

Литейное производство является отраслью машиностроения, в которой заготовки или детали (отливки) изготовляются путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в полость литейной формы. Литьем можно изготавливать заготовки очень сложной формы, которые трудно или невозможно получить другими видами обработки – ковкой, штамповкой или сваркой. Литье применяют для получения заготовок деталей общего назначения, к которым не предъявляются особые требования по механическим и эксплуатационным свойствам; а также заготовки ответственных деталей, таких как детали ДВС (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы), рабочие колеса и лопасти газовых турбин и т.д. Доля литых заготовок в машинах может составлять 40–70% по массе. Масса отливок может быть от нескольких граммов (детали приборов) до десятков тонн (станины станков, роторы турбогенераторов).

Технология получения отливок складывается из следующих основных операций:

- приготовление формовочной смеси;

- изготовление модельной оснастки и/или литейной формы;

- расплавление металла и заливка его в рабочую полость литейной формы;

- кристаллизация металла в литейной форме;

- выбивка отливки из формы;

- обрубка прибылей и литниковой системы;

- термическая обработка;

- очистка поверхности отливки.

Полученные таким образом отливки, как правило, подвергаются последующей механической обработке для снятия заусенцев и припусков с целью получения точных геометрических размеров и необходимой шероховатости поверхности деталей.

Металлы и сплавы, используемые для производства отливок, должны иметь хорошие литейные свойства: обладать жидкотекучестью и небольшой литейной усадкой.

Жидкотекучесть – это способность металлов (сплавов) в расплавленном состоянии хорошо течь и заполнять рабочую полость литейной формы. Чем больше жидкотекучесть металла, тем тоньше может быть получены стенки отливки. У железоуглеродистых сплавов с увеличением содержания углерода, кремния и фосфора жидкотекучесть улучшается, а с повышением содержания серы – ухудшается.

Литейная усадка – это уменьшение объема и линейных размеров при затвердевании расплавленного металла и охлаждении отливки. Литейная усадка обычно составляет 0,6–3%. Усадка искажает геометрическую форму и может приводить к образованию усадочных трещин и раковин.

На машиностроительных предприятиях для изготовления фасонных отливок используют сплавы на основе черных и цветных металлов:

- чугуны и литейные углеродистые и легированные стали;

- алюминиевые сплавы с кремнием и др. элементами, чаще всего, силумины;

- медные сплавы – латуни и бронзы;

- магниевые сплавы с алюминием, цинком, марганцем и др. при производстве сверхлегких изделий.

Чугунимеет высокие литейные, антикоррозионные и антифрикционные свойства, сравнительно высокую прочность и наиболее низкую стоимость. В машиностроении широко применяются серый, высокопрочный, ковкий и легированный (специальный) чугун.

Стальные отливкиобладают более высокой прочностью и вязкостью, чем отливки из чугуна. По литейным свойствам сталь уступает чугуну (она имеет бóльшую усадку, пониженную жидкотекучесть и т.п.). Некоторое улучшение литейных свойств достигается за счет повышенного содержания серы и фосфора – литейные стали.

Медные, алюминиевые и магниевые сплавы благодаря более низкой температуре плавления позволяют получать методом литья под давлением наиболее точные отливки, практически не нуждающиеся в дорогостоящей механической обработке.

Литейные формы

Литейные формы предназначены для заливки в них металла с целью получения отливки требуемой геометрической формы и размеров. Устройство литейной формы схематически представлено на рис. 4.1, а; в качестве примера взята объемная песчаная форма (ОПФ). Основными элементами литейной формы являются рабочая полость и литниковая система. В рабочей полости формируется тело отливки. Конфигурация полости соответствует конфигурации изготавливаемой детали, а ее размеры устанавливаются с учетом припусков на последующую механическую обработку. В соответствии с чертежом детали, внутри отливки и на ее поверхности могут быть различные отверстия и полости, для образования которых в литейную форму при ее сборке устанавливают заранее изготовленные закладные элементы, называемые стержнями 6. Стержни изготавливают из металла или керамики и их впоследствии удаляют выбивкой.

Рис. 4.1. Литье в разовые разъемные формы:

а – литейная форма в сборе; б – отливка после выбивки; 1, 2 – нижняя и верхняя опоки; 3 – формовочная смесь; 4 – рабочая полость формы; 5 – выпор; 6 – стержень; 7 – вентиляционный канал; 8 – стояк; 9 – литниковая чаша (воронка); 10 – расплавленный металл; 11 – ковш с жидким металлом; 12 – шлакоуловитель; 13 –питатели

Литниковая системаслужит для подвода расплавленного металла в рабочую полость и подпитки отливки в процессе кристаллизации (усадки) металла. Литниковая система (см. рис. 4.1) состоит из литниковой чаши (воронки) 9; стояка 8,который заканчивается узким каналом – дросселем,регулирующим скорость заливки и предотвращающим подсос воздуха в стояк; шлакоуловителя 12, служащего для задержки неметаллических включений; питателей 13,подающих расплавленный металл в рабочую полость и выпоров 5 – вертикальных каналов, расположенных на самых высоких местах отливки, служащих для выхода газов, образующихся при заливке в форму жидкого металла.

Литейные формы бывают разовые и постоянные – многоразовые (в одной форме можно получить от десятка до нескольких десятков тысяч отливок).

Разовые формыпредназначены для изготовления одной отливки и их разрушают при ее извлечении. К разовым относятся объемные песчаные формы, оболочковые формы и формы для литья по выплавляемым моделям. Для изготовления разовых форм используют формовочные смеси на основе кварцевого песка и связующих, литейную оснастку, формовочный инструмент и специализированное оборудование.

Постоянные формы– это многоразовые формы изготовленные из металла (чугуна, стали, твердых сплавов) – кокили, пресс-формы и т. п.

В зависимости от вида применяемых форм различают литье в объемные песчаные формы и специальные виды литья.

К специальным видам литья относят: литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, литье в металлические формы, литье под давлением и центробежное литье. Эти методы позволяют получать отливки повышенной геометрической точности, с малой шероховатостью поверхности и минимальным припуском на механическую обработку. При этом специальные виды литья дают возможность обойтись без многих побочных операций (таких, как приготовление земляной и стержневой смесей), без пыльной выбивки и в ряде случаев – без пескоструйной очистки.