Основные элементы литейной формы

Литейная форма (рис. 12) состоит из нижней 1 и верхней 2 полуформ, в которых выполнены полости будущей отливки 3, стержня 5 и литниковой системы 6. Верхняя и нижняя полуформы состоят из уплотненной песчаной смеси, называемой формовочной смесью, и металлических (иногда применяют другие материалы) рамок, называемых нижней 9 и верхней 7 опоками. Опоки имеют ушки 8 с отверстиями для штырей, посредством которых их соединяют между собой в процессе сборки. Перед заливкой форму нагружают грузом 4. Стержень 5 изготовлен из песчаной смеси, которая называется стержневой смесью. Полость Литейной формы выполняется по модели 10, которая по своей конфигурации соответствует будущей отливке. Стержень 5 изготавливают в стержневом ящике 12; стержень служит для выполнения внутренних и наружных поверхностей отливки, если их нельзя получить при помощи нижней или верхней полуформ. Для правильной установки стержня в форму и его фиксации на модели имеются стержневые знаки 11, дающие отпечаток в форме — посадочное место стержня 5. Модель и стержневой ящик составляют единое целое и называются модельным комплектом. Литейная песчаная форма относится к разовым формам, т. е. формам, в которые металл можно залить только один раз. После этого форму разрушают, в отличие от форм многократного использования, получивших название постоянных и полупостоянных. Формовщик ручной и машинной формовки имеет дело только с разовой песчаной литейной формой. Поэтому в дальнейшем речь будет идти только о такой литейной форме.

44

Цикличность изготовления литейного продукта, представляет структуру главных и промежуточных операций. Разовая литейная песчанно-глинистая форма(ПГФ) в основном состоит из двух половин для одной единой формы, получаемых путем уплотнения специальной формовочной заготовки/смеси вокруг данных частей модели в отведенных для этого специализированных опоках. Модель имеет отличительные особенности от отливки:

- увеличенными параметрами размерности на величину равную усадки применяемого сплава;

- наличием определенных формовочных требований и уклонов, которые облегчают процесс извлечения модельной части из формы;

- наличием определенной разъемной плоскости и знаковых (стержневых) частей, для установки объекта (стержня), благодаря которому внутри образуется полость.

Стержень – это прессованная смесь, чаще применяется на основе кварцевого песка, имеющего свойство при сушке или при химическом отвердевании с использованием добавок-крепителей - скрепляться в обособленные зерна.

В первой полуформе с использованием соответствующих модельных заготовок проделывается: 1. воронка, 2. каналы, 3. во-второй, полуформе питатели (каналы).

В целом это и образует единую литниковый «сосуд», система которого распределена так, чтобы метал или сплав поступающий от разливочного ковша в полость базовой формы, равномерно распределялся и на вспомогательные полости. При усадке остывающего металла, дополнительным накопительным резервуаром являются «прибыли». Он обеспечивает питание «рабочей» отливки в процессе его термического охлаждения и кристаллизации. Прибыли обычно выводят поверх массивных долей отливки.

После завершения всего этапа уплотнения, отливки и смеси отливки извлекают из форм. При установке нижней и верхней полуформы и стержня важна точность совмещения, что обеспечивается фиксированием специальных штырей. Заливка сплава происходит при скрепленных друг с другом скобами, для снижения риска приподнимания одной из полуформ расплавом, так как он находится в жидком состоянии, в ином случае на верхнюю часть фиксируют груз. Нарушение технологии на этом этапе может привести к отбраковке готового изделия, так как в период усадки металла при затвердевании в «теле» отливки возникает вероятность образования усадочных раковин. Или иными словами «пустот».

 

Специальные методы литья

Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы - это способ получения отливок свободной заливкой расплава в оболочковые формы из термореактивных смесей.

Оболочковые формы отличаются высоким комплексом технологических свойств: достаточной прочностью, газопроницаемостью, податливостью, негигроскопичностью. По сравнению с отливками, полученными в песчаных формах, детали, отлитые в оболочковые формы, имеют в 1,5 раза меньший припуск на механическую обработку.

Оболочковые формы изготавливают из формовочных песчано-смоляных смесей с термопластичными или термореактивными связующими смолами. Размягчение введенной в смесь смолы происходит при 70 - 80°С, а при 100 - 120°С она уже плавится, покрывая поверхность зерен песка тонкой клейкой пленкой. Последующий нагрев смолы до 200 - 250°С вызывает ее необратимое затвердение и, как следствие, существенное повышение прочности и жесткости оболочковой формы. Оболочковые формы получают с помощью нагретых металлических моделей, изготавливаемых из серого чугуна, стали и алюминиевых сплавов. Каждая форма состоит из двух соединенных (путем склеивания пульвербакелитом и жидким клеем или с помощью скоб, струбцин) оболочковых полуформ. Толщины оболочек для мелких и среднего размера отливок колеблются соответственно в пределах 8 - 10 мм и 12 - 15 мм. Технология изготовления оболочек включает в себя следующие операции.

.Нагрев модельной оснастки до 200 - 250°С.

. Нанесение на рабочую поверхность модельной оснастки (пульверизатором) разделительного состава - быстро затвердевающей силиконовой жидкости, образующей при этом разделительную пленку, которая предотвращает прилипание оснастке формовочной смеси и тем самым упрощает последующее отделение оболочки от модели.

.Нанесение песчано-смоляной смеси на модельную оснастку одним из следующих способов: путем свободной засыпки из поворотного или стационарного бункера, пескодувным методом, путем свободной засыпки с допрессовкой. Указанные способы изготовления оболочковых форм различаются, по существу, лишь приемами нанесения песчано-смоляной смеси на модельную оснастку.

.Формирование и отверждение оболочки необходимой толщины. Широко применяется насыпной (бункерный) способ формообразования оболочки, основанной на использовании поворотного бункера, для свободной засыпки формовочной смесью модели вместе с модельной плитой. Бункер наполняют песчано-смоляной смесью. Нагретая и обработанная разделительным составом модельная плита с моделью закрепляется на приемной рамке поворотного бункера. Засыпка модели и модельной плиты смесью осуществляется поворотом бункера на 180°. Для формирования оболочки толщиной 5 - 15 мм плиту выдерживают под смесью в течение 15 -20 с. При этом смола быстро плавится и затвердевает, образуя полутвердую оболочку. Затем бункер возвращают в исходное положение. С него снимают модельную плиту с налипшей оболочкой и помещают ее в печь для доотверждения оболочки (режим окончательного отверждения смолы - 300 -350°С, 1 - 3 мин).

.Съем оболочковой полуформы после ее изготовления с модели осуществляется с помощью толкателей.

Перед заливкой собранные формы с вертикальной плоскостью разъема (а также формы крупных размеров) помещают в контейнеры и засыпают чугунной дробью. Этим предотвращается коробление и разрушение форм при их заливке расплавом. Небольшие формы с горизонтальной плоскостью разъема устанавливаются для заливки на слой песка.

Способом литья в оболочковые формы получают отливки массой от 0,2 до 200 кг из практически любых литейных сплавов. Этим способом изготавливают ребристые мотоциклетные цилиндры, коленчатые валы автомобильных двигателей.

Преимущества способа литья в оболочковые формы: возможность получения тонкостенных отливок сложной формы; гладкая и чистая поверхность отливок; небольшой расход смеси; качественная структура металла за счет повышенной газопроницаемости форм; широкая возможность автоматизации; небольшие допуски на обработку резанием.

Недостатки: ограниченный размер отливок (до 1500 мм); высокая стоимость смесей; выделение вредных паров и газов из смесей при изготовлении форм.

Литьё по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям - это процесс получения отливок в неразъемных разовых огнеупорных формах, изготавливаемых с помощью моделей из легкоплавящихся, выжигаемых или растворяемых составов. Используют как оболочковые (керамические), так и монолитные (гипсовые) формы. Таким образом, рабочая полость формы образуется выплавлением, растворением или выжиганием модели. Отливки, полученные вышеуказанным методом, мало отличаются (по размерам и форме) от готовой детали. Этим способом изготавливают сложные отливки высокого качества, например, турбинные лопатки из жаропрочных сплавов, художественные и ювелирные изделия. Литье по выплавляемым моделям осуществляют различными способами заливки: свободной, центробежной, под низким давлением, с использованием направленной кристаллизации.

К преимуществам литья по выплавляемым моделям относят возможность получения сложных отливок из разнообразных сплавов, в том числе труднообрабатываемых резанием и ковкой.

К недостаткам способа литья можно отнести многооперационность, трудоемкость и длительность процесса, многообразие материалов, используемых для изготовления формы.

Литьё в кокиль

Кокильным литьем называют процесс получения отливок посредством свободной заливки расплавленного металла в многократно используемые металлические формы - кокили.

Кокили бывают неразъемные и разъемные. Все перечисленные типы кокилей могут быть одно- и многогнездные (то есть для получения одной отливки или одновременно нескольких), немеханизированные (ручные), механизированные, автоматизированные и автоматические.

Материалы, используемые для изготовления кокилей, должны хорошо противостоять термическим ударам, возникающим при заливке металла, легко обрабатываться, быть недефицитными и недорогими. Кокили изготавливают из серого и высокопрочного чугуна, конструкционных углеродистых и легированных сталей, медных (латуни) и алюминиевых сплавов. С помощью одной формы (или большей части ее элементов) кокильным литьем получают до 500 мелких стальных, 5000 чугунных или десятки тысяч алюминиевых отливок. Отдельные элементы кокиля (в первую очередь - стержни, оформляющие внутренние полости отливки) могут изготавливаться как из металла, так и из стержневой смеси; в последнем случае они предназначаются лишь для разового использования. Металлические стержни сложной формы целесообразно делать разборными.

Технологический процесс кокильного литья требует специальной подготовки кокиля к заливке и включает следующие операции:

а) очистку рабочей поверхности кокиля от остатков отработанного покрытия, загрязнений и ржавчины;

б) нанесение (пульверизатором или кистью) на предварительно подогретые до 100 - 150°С рабочие поверхности кокиля специальных теплоизоляционных слоев и противопригарных красок, одновременно повышающих качество поверхности отливок;

в) нагрев кокиля до оптимальной (для каждого сплава своей) температуры в пределах 115 - 475°С в целях повышения заполняемости формы расплавом и тем самым улучшения качества отливок. Необходимость предварительного подогрева кокиля обуславливается скоплением в нем (на холодных стенках, щелях по разъему, в вентах) водного конденсата, взаимодействие которого с расплавом при заливке может привести к взрыву и разрушению кокиля;

г) сборку формы, состоящую из простановки стержней и соединения металлических полуформ;

д) заливку расплава в форму;

е) охлаждение отливок до установленной температуры. Искусственное охлаждение кокиля применяют с целью увеличения скорости затвердевания и охлаждения отливки, уменьшения продолжительности цикла литья, и,как следствие, повышения стойкости кокиля. Искусственному охлаждению могут подвергаться как рабочая или наружная поверхности, так и их фрагменты;

ж) разборку кокиля с извлечением отливки.

Основные достоинства кокильного литья - многократное использование формы, более высокая производительность труда, точность отливок, качество их поверхности и стабильность размеров.

Недостатками литья в кокиль являются их высокая стоимость, трудоемкость изготовления кокилей, отсутствие податливости, особенно при получении сложных фасонных отливок из легированных сталей и тугоплавких металлов.

Данным способом получают в основном отливки из сплавов на основе меди, алюминия, магния, а также стали и чугуна массой до 2000 кг

Литьё под давлением Данный способ представляет собой машинное литье жидкого металла в металлические формы (пресс-формы) под избыточным давлением (до 300 МПа). Сущность процесса заключается в том, что в камере прессования, соединенной с оформляющей полостью формы, на расплав давит поршень, в результате чего жидкий металл устремляется в полость формы и быстро заполняет ее; застывая в ней, он образует отливку с высокой точностью размеров. Затем происходит раскрытие пресс-формы и удаление отливки с помощью толкателей. Технологический процесс литья под давлением характеризуется коротким циклом и малым числом операций.

Литьем под давлением получают тонкостенные отливки, масса и теплосодержание которых существенно (на два порядка) меньше, чем у металлических форм. Поэтому при заливке металла в пресс-форму охлаждение отливки происходит с высокой скоростью. Это вызывает необходимость очень быстрого (со скоростью до 120 м/с и продолжительностью от 0,01 с до 0,6 с) заполнения расплавом формы. Впускной поток расплава, ударяясь о стенку формы, оказывает на нее гидродинамическое давление. Рост гидродинамического давления способствует повышению качества поверхности отливки и обеспечивает формирование ее рельефа. Однако при этом (из-за увеличения скорости впускной струи) возрастает эрозионное воздействие потока, для уменьшения которого угол между стенкой формы и направлением движения потока следует брать по возможности минимальным.

Преимуществами способа литья под давлением являются его высокая производительность, точность размеров и хорошее качество поверхности (гладкая, плотная) отливок, автоматизация процессов литья, снижение в 10 и более раз трудоемкости изготовления отливок по сравнению с литьем в песчаные формы.

Недостатки этого способа литья, в первую очередь, обусловлены возникновением в отливках газоусадочной пористости: это пониженные плотности и пластичность металла, невозможность проведения следующей за литьем термической обработки. К недостаткам данного способа можно отнести также ограничение массы отливок (до 50 кг), высокую стоимость пресс-форм.

Литьем под давлением получают детали (корпуса, платы) различных приборов, электрических машин, карбюраторов, а также алюминиевые блоки цилиндров, сантехническую арматуру и др. Данным способом изготавливают изделия, почти не требующие последующие механической обработки, в том числе детали с готовой резьбой и т.п.

Центробежное литьё

Центробежным литьем называют способ изготовления отливок, при котором металл заливается в форму и затвердевает в ней под действием центробежных сил. Расплавленный металл заливается во вращающуюся форму, приводимую в движение специальной машиной, называемой центробежной. Литейные центробежные машины исполняются в трех вариантах: с горизонтальной, вертикальной или наклонной осью вращения. В ряде случаев внутренняя поверхность отливки является свободной, поскольку формируется без непосредственного контакта с литейной формой или стрежнем. На рабочую поверхность металлических форм, предварительно нагретых (или охлажденных) до 300°С, наносят огнеупорное покрытие в виде красок, облицовок и других материалов. Покрытие повышает стойкость формы, снижает скорость охлаждения отливки и возможность образования в ней трещин. Оно может также регулировать структуру и состав поверхностных слоев отливки. Существенно повышает качество отливок введение флюса непосредственно в форму в процессе формирования отливки. Флюс подают дозатором в заливочное устройство центробежной машины. Флюс рафинирует расплав, защищает его от окисления, а также затормаживает теплоотвод от внутренней свободной поверхности затвердевающей отливки, создавая благоприятные условия для направленной кристаллизации металла в форме. Использование флюсов снижает в 4 - 6 раз процент брака при центробежном литье.

При центробежном литье важной характеристикой, обеспечивающей технологический процесс, является частота вращения формы - число оборотов в минуту. В случае превышения оптимальных значений частоты вращения возрастает ликвация в отливке, а также опасность образования в ней трещин из-за роста давления (вследствие увеличения Fц). При невысоких частотах вращения отливка плохо очищается от шлаков и газов, в результате чего приобретает шероховатую поверхность.

Центробежным способом получают отливки из чугуна, стали, сплавов на основе меди, алюминия, цинка, магния, титана и др. Данное литье применяют также для получения биметаллических изделий, изготавливаемых из композиций типа: сталь - бронза, чугун - бронза, сталь - сталь, сталь - чугун и др. Использование биметаллических деталей позволяет экономить дефицитный материал и одновременно повышать в 2 - 3 раза ресурс работы изделий.

Центробежное литье применяют, в основном, для получения пустотелых отливок типа тел вращения (втулки, роторы). Фасонные отливки, как правило, получают в машинах с вертикальной осью вращения.

Преимуществами данного способа литья являются большая производительность способа и возможность его автоматизации; высокий выход годного металла (90 - 95%); высокая плотность и мелкозернистое строение отливок (за счет больших скоростей охлаждения); возможность получения тонкостенных отливок из сплавов с низкой жидкотекучестью.

Недостатки способа: химическая неоднородность (ликвация) толстостенных отливках; высокие внутренние напряжения в поверхностном слое, способствующие образованию трещин; возможность деформации формы под давлением жидкого металла, в результате чего отливки образуются с подутостью; разностенность по высоте отливок, полученных в машинах с вертикальной осью вращения.

Центробежным литьем изготавливают водонапорные и канализационные трубы, гильзы двигателей внутреннего сгорания, поршневые кольца, цилиндры компрессоров, подшипники качения, втулки, диски, барабаны и др.