Рис.2.32. Установка заливки Рис.2.33. Установка заливки
под давлением. вакуумным всасыванием.
1 - вакуум-ресивер.
Рис.2.34. Чайниковый ковш. Рис.2.35. Ковш с шиберным
затвором.
1 - шибер; 2 - стакан.
Рис.2.36. Стопорный ковш. Рис.2.37. Барабанный ковш.
1 - стопор; 2 - стакан.
Таблица 2.26.
Характеристики заливочных устройств.
| Тип устройства | Подача металла | Разливаемые сплавы | Термо- и га-зоизоляция |
| Ковш: | |||
| Стопорный | Снизу | Сталь | Средняя |
| с шиберным затвором [71] | Снизу | Черные сплавы | Высокая |
| Барабанный | Сверху | Кроме стали | Высокая |
| Чайниковый | Снизу | Любые сплавы | Низкая |
| Ручной (ложка) | Сверху | Кроме стали | Низкая |
| Газового давления: | |||
| Под давлением | Снизу | Кроме стали | Высокая |
| Вакуумным всасыванием | Снизу | Легкие сплавы | Высокая |
| Магнитодинамический насос [72] | Снизу | Кроме стали | Высокая |
Главная проблема при заливке - точное дозирование металла. По способу ее решения все методы автоматической заливки подразделяются на контролирующие заливочное устройство, контролирующие форму и бесконтрольные.
Контроль формы производится по весу и по появлению металла в выпоре. При весовом дозировании используются весовые тележки. Для точного дозирования этим способом требуется компьютеризация процесса, поскольку вес формы без металла зависит от плотности набивки, состава формовочной смеси и т.д. и не может быть точно определен для одной отливки. Поэтому перед каждой заливкой надо устанавливать весы на "0". Появление металла в выпоре фиксируется фотоэлементом при отражении от металла лазерного луча [73]. Использование лазера позволяет добиться высокой точности дозирования. Менее современные установки такого типа использовали собственное световое излучение металла, что требовало исключительно точного позиционирования формы на конвейере.
Контроль заливочного устройства производится по весу, по объему, по времени заливки. Контроль по весу достаточно эффективен, но имеет те же недостатки, что и контроль по весу форм, т.е. требует предварительной установки весов на "0". Контроль по объему производится в секторных ковшах фиксацией угла поворота при каждой заливке. Этот метод наименее эффективен, поскольку не позволяет учесть изменения объема ковша. Контроль по времени заливки осуществляется в магнитодинамических дозаторах. Это наиболее эффективный вид дозирования, но магнитодинамические дозаторы весьма дороги, в т.ч. и в эксплуатации.
Дозирование металла без контроля производится методом непрерывной разливки и установкой ковша прямо на форму [74]. Метод непрерывной разливки предусматривает заполнение металлом непрерывного заливочного стержня либо заливочной воронки (при горизонтально-стопочной формовке). Дозирование металла установкой ковша на форму возможно при использовании ковшей с нижней разливкой (с стопорным затвором). Разливочный стакан должен быть расположен прямо над литниковой воронкой. Роль груза, препятствующего подъему верхней полуформы, играет сам ковш. В таком случае заливка прекращается без вмешательства извне при заполнении полости формы расплавом. К недостаткам этого метода следует отнести повышенные требования к уплотнению литейной формы, поскольку из-за большого гидростатического давления металла возможны дефекты типа подутости.
2.8. ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ОТЛИВОК
В понятие финишной обработки отливок входят следующие операции, выполняемые или нет в зависимости от технологии изготовления отливки:
1. Выбивка отливок.
2. Визуальный контроль.
3. Предварительная очистка.
4. Отделение возврата.
5. Очистка от стержней.
6. Очистка от заусенцов, заливов.
7. Контроль качества.
8. Заделка брака.
9. Термообработка.
10. Нанесение покрытий.
Выбивка форм осуществляется двумя способами - вибрацией на выбивных рамах или решетках и выдавливанием пуансонами. Выбор оборудования для выбивки отливок зависит от типа применяемых опок [40]. Выбивка форм без крестовин в нижней опоке производится обеими способами без распаровки опок, но при выбивке выдавливанием у стенок остается слой смеси, который приходится дополнительно удалять вручную. Наличие крестовин в нижней опоке не дает возможности выбивать формы комплектно, поэтому необходима предварительное проведение операции распаровки опок. Выбивка форм выдавливанием предпочтительней с точки зрения экологии, т.к. отсутствует пыль, вибрация, шум, свойственные вибрационной выбивке, но для выдавливания практически невозможна переналадка на другие размеры опок. Выбивка безопочных форм производится вибрацией, либо в проходных очистных барабанах одновременно с отделением литниковой системы.
Очистка отливок от остатков пригоревшей смеси, окалины и стержней производится разнообразными способами, основанными на ряде физических и химических явлений. Выбор способа очистки определяется ударной вязкостью сплава, размером и сложностью конфигурации отливки (табл.2.27). Мягкие сплавы нельзя подвергать сильному ударному воздействию, а в качестве абразива для их очистки используются шаровидные частицы. Крупные отливки могут быть очищены только стационарно.
В качестве абразива могут быть использованы литые тела, стеклянные шарики и любые другие материалы, имеющие твердость большую, а геометрические размеры много меньшие очищаемых отливок.
Наиболее часто применяемый способ - дробеметная очистка. Сущность дробеметной очистки состоит в ударном воздействии дроби на тело отливки, благодаря чему пригар и окалина, имеющая низкую ударную вязкость, разрушается на отдельные песчинки. Основным рабочим органом дробеметных установок является дробеметное колесо, лопатки которого выбрасывают дробь на отливку. Лопатки - наиболее изнашиваемая часть дробеметного колеса. Применяются различные схемы дробеметной очистки отливок:
1. В камерах на каруселях (средние отливки).
2. В камерах на конвейерах (средние отливки).
3. В роторно-гусеничных барабанах (мелкие отливки).
Таблица 2.27.
Способы очистки литья [29].
| Название | Оборудование | Расходные | Область применения | |
| Способа | материалы | Размер | Конфигура- | |
| отливок | ция отливок | |||
| Гравитационный | Вращающие-ся барабаны | Абразив | Мелкие | Несложная |
| Вибрационный | Барабаны- вибраторы | Абразив | Мелкие и средние | Средней сложности |
| Песко- и дробе-струйный | Камеры Барабаны | Песок/ дробь | Любые | Сложная |
| Дробеметный | Камеры Барабаны | Дробь | Мелкие и средние | Средней сложности |
| Электрогидрав-лический | Ванны | Крупные и средние | Средней сложности | |
| Электрохимический | Ванны | Щелочи | Любые | Сложная |
| Гидравлический | Камеры | Крупные и средние | Средней Сложности | |
| Термический | Горелки | Кислород, ацетилен | Крупные | Сложная |
| Ультразвуковой | Ванны | Мелкие и средние | Средней Сложности | |
| Ударно-вибрационный | Станки | Мелкие стержни | Без поднутрений | |
| Ручной | Мелкие стержни | Особо сложная |
Пескоструйный и дробеструйный способ очистки отливок основан
на ударном воздействии струи песка или дроби, выбрасываемых на отливку через сопло сжатым воздухом или водой. Аналогичные физические явления положены в основу гидравлической очистки.
Электрохимическая очистка основана на катодном восстановлении окалины и растворении пригара в расплавах щелочей и солей. Скорость процесса увеличивается за счет применения постоянного тока небольшой силы и плотности.
Термическая очистка основана на разности коэффициентов термического расширения пригара и окалины и металла. Нагреваясь, металл расширяется больше, таким образом разрушая пригар. При последующем охлаждении пригар легко отделяется от отливки.
Электрогидравлическая очистка отливок основана на явлении гидравлического удара, возникающего при пропускании электрических зарядов между электродами и поверхностью отливки.
Ультразвуковая очистка отливок производится за счет явления кавитации. Ультразвуковая волна формирует в жидкости чередующиеся области повышенного и пониженного давления. Сущность кавитации состоит в нарушении сплошности жидкости в области пониженного давления (ее вскипании) - образуются пузырьки, которые при схлопывании выделяют большое количество энергии.
При обрубке от отливки отделяются литниковая система и прибыли, которые затем идут в переплав. Таким образом, от рационального ведения обрубки зависит не только объем дальнейших работ по шлифовке, но и объем безвозвратных потерь металла и уровень загрязнения металлической пылью окружающей среды при шлифовке. Основным лимитирующим фактором при отделении возврата является толщина среза (табл.2.28). Для ведения обрубки более эффективными методами часто используют легкоотделяемые прибыли.
Таблица 2.28
Характеристики способов обрубки.
| Способ обрубки | Максимальная толщина среза, мм | Вредность | Обрабатываемый металл |
| Газовой резкой [75] | шум, газы | Сталь и чугун | |
| Ленточные пилы[29] | не ограничена | шум,пыль | Цветные металлы |
| Пресс-ножницы[76,77] | Любые металлы | ||
| Наждачные диски [29] | шум,пыль | Любые металлы | |
| Рубильным молотком [29] | Любые металлы |
Очистка от заусенцов, заливов производится на шлифовальных станках. Используются стационарные шлифовальные станки и ручные шлифовальные машинки. Выбор шлифовального станка определяется весом отливки.
Контроль качества отливок производится в соответствии с требованиями к параметрам отливки, сформулированными в техническом задании. Дефектом отливки считается отклонение от технического задания по конфигурации, механическим (или другим физическим) свойствам (вызванное нарушением сплошности отливки или фазовой структуры металла), или состоянию поверхности. Вид контроля также определяется заказчиком совместно с производителем. Применяются следующие виды контроля:
1. Сплошной контроль. Может быть реализован только методами неразрушающего контроля.
2. Выборочный контроль. Результаты выборочного контроля безусловно не дают полной гарантии качества всех отливок. Дальнейшее использование отливок с скрытыми дефектами в машинах и оборудовании может привести к значительным потерям для производителя, в т.ч. к выплатам по судебным искам, снижении конкурентоспособности конечной продукции и т.п.
Механические испытания (предел прочности при растяжении, усталостная прочность, ударная вязкость, твердость) и металлографический анализ проводят на образцах, вырезанных из тела отливки (разрушающий контроль) и на специально отлитых пробах.
Грубые дефекты конфигурации (недолив, ужимина, неспай, коробление и т.д.) и дефекты поверхности выявляются при визуальном осмотре. Для осмотра применяют оптический инструмент - лупы, эндоскопы. Для распознавания нарушения конфигурации отливок, вызванных износом или короблением модели, используют ручной мерный инструмент и координатно-измерительные машины (КИМ) (табл.2.29). Современные КИМ оснащены сканирующей лазерной оптической системой, позволяющей контролировать размеры отливки с точностью до 0,25 мм [63].
Таблица 2.29.
Методы контроля конфигурации отливок [78].
| Измеряемый | Время | измерения, с | ||
| параметр | Ручной мерный инструмент | КИМ | КИМ с ассо-циированным компьютером | КИМ со встроенным компьютером |
| Радиус | ||||
| Длина | ||||
| Угол между поверхностями | ||||
| Длина дуги | - | |||
| Длина окружности | - |
Наличие внутренних дефектов с достаточной надежностью выявляется ультразвуковым и радиологическим методом. Эти методы основаны на отражении ультразвуковых или электромагнитных волн от внутренней поверхности дефекта. Недостаток ультразвукового метода в необходимости специальной подготовки наружной площадки (шлифовки) для обследования. Радиологический метод позволяет обследовать отливки без всякой предварительной обработки, но оборудование для него очень дорого. Компьютеризация радиологического метода (компьютерная томография) сокращает время выявления дефекта до нескольких секунд [79] (стоимость компьютерного томографа - до миллиона долларов).
Поверхностные трещины выявляют методами капиллярным и флюоресценции. Капиллярный метод основан на горячей пропитке жидкостями, которые при охлаждении за счет уменьшения внутреннего объема трещин выступают на поверхность. Метод флюоресценции предусматривает покрытие поверхности отливки люминофором, затем снятия его излишков. В ультрафиолетовом излучении люминофор, оставшийся в трещинах, будет светиться.
Дефекты фазового и химического состава могут быть выявлены методами измерения электропроводности, теплопроводности, поглощения электромагнитного и акустического излучения.
Существует множество других методов выявления дефектов несплошности отливок, но они либо не обладают достаточной надежностью, либо не универсальны, т.е. не позволяют выявлять различные типы дефектов [80]. Выбор метода обнаружения дефекта и соответствующего оборудования определяется типами предполагаемых дефектов в изготавливаемых отливках (ГОСТ 19200-80).
Дефекты отливок подразделяются на устранимые и неустранимые. К неустранимым дефектам относятся те, которые невозможно или экономически невыгодно исправить. Выбор методов заделки отливок определяется типом устраняемого дефекта и его расположением (табл.2.30).
Термообработка отливок производится в проходных или камерных печах на газе или электричестве. Выбор типа печи определяется исключительно экономическими соображениями.
Покрытия наносятся на отливки, поставляемые в качестве товарной продукции для предотвращения коррозии. Существует три метода нанесения покрытий - в ваннах, краскораспылителями в камерах и вручную. Покрытие отливок в ваннах и краскораспылителем увеличивает расход краски, зато снижаются трудозатраты.
Таблица 2.30.
Методы заделки дефектов [32,81]
| Метод | Область применения |
| Дуговая сварка | Сквозные дефекты отливок, испытывающих динамические и высокие статические нагрузки, дефекты обрабатываемых поверхностей, работающих на износ. |
| Газопламенная наплавка | Сквозные дефекты стенок отливок, испытывающие динамические нагрузки; любые дефекты на обрабатываемых и нерабочих поверхностях. |
| HIP-процесс | Пористость в ответственных отливках |
| Сварка-пайка | Раковины мелких и средних размеров несложных отливок. |
| Пробками | Мелкие отдельные раковины. |
| Замазками | Раковины и ужимины на нерабочих поверхностях. |
| Пропиткой | Поры в отливках, подвергаемых гидравлическим испытаниям. |
2.9. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОСНАСТКИ
И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В литейную оснастку входят модельные комплекты, которые состоят из подмодельной или координатной плит, модели, стержневых ящиков и шаблонов, пресс-формы, а также опоки (жакеты).
Постоянные модели изготавливают из дерева, металла, пластмасс, композиционных материалов и по LOM-технологии (слоистый композит). Выбор материала модельного комплекта зависит от серийности производства и допусков на точность размеров. Модель подвергается абразивному воздействию формовочной смеси, поэтому изнашивается. Таким образом, стойкость модели определяется твердостью материала, из которого она изготовлена (табл.2.31).
Деревянные модельные комплекты используются преимущественно в мелкосерийном производстве. Так как они быстро истираются, их наиболее изнашиваемые поверхности часто армируют. Кроме того, дерево после истирания краски впитывает влагу из формовочной смеси и расширяется, что приводит к искажению конфигурации модели. Для предотвращения стирания краски деревянные модели покрывают более износостойкими пластиковыми составами. Изготовление деревянных моделей - чрезвычайно дорогостоящее производство, требующее высококвалифицированного персонала и дорогого оборудования. Технология включает следующие операции [36]:
1. Сушка древесины на воздухе или в камерной печи.
2. Разрезка на заготовки.
3. Черновая обработка на рейсмусовых станках.
4. Механическая обработка древесины на токарных и фрезерных станках (использование современных станков с ЧПУ нецелесообразно из-за низкой серийности).
5. Изготовление металлического крепежа и армированных частей.
6. Сборка модели.
7. Доводка модели до заданных размеров и армирование.
8. Шпатлевка, окраска и сушка.
Таблица 2.31.
Стойкость моделей [32,82].
| Материал | Количество съемов | |||
| Формовка ручная | Формовка машинная | |||
| Мелкие | Крупные | Мелкие | Крупные | |
| Дерево | ||||
| Алюминий | ||||
| Чугун | ||||
| Сталь | ||||
| Медные сплавы | ||||
| Свинцово-сурьмянистые сплавы | ||||
| Пластмасса | ||||
| Композиты | ||||
| LOM-технология |
При небольшой номенклатуре литья очевидно, что самостоятельное изготовление деревянных моделей совершенно нецелесообразно. Весь спектр деревообрабатывающего оборудования и отработанные технологии обработки древесины существуют на мебельных фабриках, где и можно организовать производство деревянных моделей.
Серьезным конкурентом деревянных моделей при изготовлении промоделей и для единичного литья стала LOM-технология [83]. Сущность процесса заключается в компьютерной обработке данных конфигурации модели. Компьютер разделяет объемное изображение модели на параллельные слои, которые затем вырезаются из бумаги лазерным лучом. Вырезанные из бумаги слои ламинируются и спекаются. Толщина слоя, которая задается компьютеру заранее, соответствует сумме толщин бумаги и склеивающей прослойки. Готовая модель доводится до заданных размеров и окрашивается. Модель представляет собой слоистый композит целлюлоза-пластик, поэтому сильно впитывает влагу. Аналогичный метод стереолитографии позволяет получать полностью пластиковые модели, совершенно не гигроскопичные. К сожалению, твердость такого материала невелика. При производстве моделей по LOM-технологии не требуется труда высококвалифицированных специалистов-деревообработчиков, дорогостоящего оборудования, стоимость материалов минимальна, время от получения чертежа модели до ее полной готовности до суток.
Технология производства металлических и пластмассовых модельных комплектов аналогична производству отливок. Для их изготовления необходима единичная промодель (гипсовая или деревянная).
Композитные модельные комплекты изготавливаются с применением изотропных (опилки, металлический порошок) или двумерных наполнителей (стеклоткань) и матрицы из эпоксидной смолы.
Опочная оснастка по способу изготовления подразделяется на литую, сварно-литую, сварную и сборную. В опочной оснастке применяются съемные втулки и штыри, что позволяет продлить срок ее эксплуатации за счет смены изношенных элементов.
Литые опоки изготавливаются из стали или чугуна как обычные отливки. Для крупных отливок цапфы и калачи изготавливаются отдельно коваными и заливаются в тело опоки при ее изготовлении. Литые опоки отличаются повышенной прочностью, но вместе с тем и высоким весом. Изготовление качественных литых опок (тонкостенных отливок коробчатой конструкции) - процесс, требующий точного соблюдения всех технологических параметров, что можно обеспечить только в условиях подетальной специализации. За рубежом известен ряд фирм, занятых обеспечением опочной оснасткой литейных предприятий.
Сварные опоки изготавливаются сваркой из листового и фасонного проката. Толщина проката не обеспечивает высокой прочности опок, что исключает их использование при больших нагрузках. Однако простота изготовления обуславливает их широкое применение.
Сварно-литые опоки позволяют совместить простоту изготовления сварных опок с прочностью литых, что делает их наиболее выгодными в условиях индивидуального производства, например, крупногабаритных отливок. Технология изготовления сварно-литых опок заключается в расчленении опоки на элементы, которые можно изготовить без дефектов в условиях практически любого литейного цеха. Отлитые элементы затем свариваются.
Сборные опоки (жакеты) в настоящее время применяются в виде металлического ящика с набором сменных металлических вкладышей, служащих для изменения внутреннего объема жакета для производства мелкосерийных крупногабаритных отливок [36]. Первоначально жакеты использовались при безопочной формовке. Но затем появление современных методов безопочной формовки (горизонтально-стопочная) обусловило выведение жакетов за рамки этой технологии.
Кокили изготавливают из чугуна для цветных металлов и из стали для черных. Применяются кокили и из алюминиевых сплавов даже для литья чугуна, поскольку алюминий имеет очень высокую теплопроводность, и теплоотвод идет быстрее, чем нагрев. Стойкость кокилей зависит от многих факторов и, прежде всего, от их размеров.
Пресс-формы для литья под давлением и литья вакуумным всасыванием изготавливают из стали. Стойкость пресс-форм зависит от применяемого сплава (табл.2.32).
Таблица 2.32.
Стойкость пресс-форм[29]
| Материал | Количество заливок отливаемого сплава | ||||
| Пресс-форм, сталь | Pb,Sn | Zn | Al | Mg | Cu |
| Углеродистая | |||||
| Хромистая низколегированная | |||||
| Хромованадиевая | |||||
| Хромовольфрамовая высоколегированная | |||||
| Хромовольфрамовая низколегированная |
Для изготовления выплавляемых и выжигаемых моделей применяют
пресс-формы. От материала пресс-форм зависит не только ее стойкость, но и время отверждения модели (из-за различий в теплопроводности материалов) (табл.2.33).
Таблица 2.33.
Характеристики пресс-форм
для литья по выплавляемым и выжигаемым моделям [28]
| Способ изготовления пресс-форм | Время твердения модели, с | Стойкость,съемов |
| Мех. обработка стальных заготовок | 30000-120000 | |
| Литье из: | ||
| Цветных сплавов | 15000-20000 | |
| Легкоплавких сплавов | 5000-7000 | |
| Эпоксидных смол | до 500 | |
| Каучука | до 200 | |
| Гипса | до 10 |
К вспомогательным материалам в литейном производстве относят жеребейки, крючки, холодильники и т.п. В литейном цеху даже при ограниченной номенклатуре отливок используется большое количество разнообразных вспомогательных элементов. По-видимому, из-за нестандартных размеров и простоты изготовления более выгодно собственное их производство, что подтверждает и зарубежный опыт.
Жеребейки изготавливают для мелких отливок штампованными из листового проката, а для крупных отливок сварными из фасонного проката. Во избежание коррозии при хранении они покрываются защитными покрытиями или проходят дробеструйную обработку непосредственно перед употреблением.
Холодильники отливаются или вырезаются из проката согласно чертежу. Внутренние холодильники для крупных отливок часто представляют собой сложные сварные конструкции из проката. Как и жеребейки, внутренние холодильники перед употреблением подвергают дробеструйной обработке.
Формовочные крючки изготавливаются из прутка и загибаются либо на гибочном станке, либо просто вручную. Стержневые каркасы также изготавливаются из прутка по шаблонам вручную. Стыки прутков обычно свариваются или связываются проволокой.
2.10. ОЧИСТКА ВЫБРОСОВ ЛИТЕЙНОГО ЦЕХА
Литейный цех является мощным источником загрязнения окружающей среды. Выбросы литейного цеха - газы, пыль, пары металлов (табл.2.34).
Таблица 2.34.
Выбросы литейного цеха.
| Вид выброса | Источник выброса | Размер частиц, мкм |
| Печная пыль | Плавка | 10-1000 |
| Металлическая пыль | Обрубка, шлифовка | 1-100 |
| Песчаная пыль | Смесеприготовление,выбив- ка, очистка, формовка | 1-1000 |
| Пары металлов | Плавка, обрубка | - |
| Газы | Плавка, регенерация, изготовление стержней | - |
В цехе устанавливаются системы аспирации, по которым загрязненный воздух доставляется к системам очистки. Применяемое для очистки воздуха оборудование различается по возможности осаждения взвешенных частиц (табл.2.35). Физический принцип работы любого оборудования для очистки воздуха состоят в уменьшении импульса взвешенных частиц при воздействии на них различных сил (вязкого трения в воздушной среде, трения о преграды, электростатического поля). Следовательно, более эффективно будут осаждаться частицы, имеющие большую массу.
Таблица 2.35.
Способы очистки воздуха от пыли [29]
| Способ | Принцип действия | Минималь-ный размер осаждаемых частиц,мкм | Оборудование |
| Гравита-ционный | Осаждение в воздухе как вязкой среде под действием силы тяжести | Камеры-осади-тели, камеры с полками | |
| Инерцион-ный | Осаждение при потере импульса от трения или удара о стенки камеры | Камеры с Перегородками | |
| Динамичес-кий | Осаждение при потере импульса при трении о стенки камеры под действием центробежных сил | Циклон | |
| Фильтры | Механическое осаждение | 0,5 | Фильтры песочные, тканевые,сеточные |
| Электро-статический | Осаждение за счет элек- тростатического притяжения предварительно заряженных частиц пыли | 0,1 | Пылеуловители коронного разряда |
| Ультразву-ковой | Осаждение при потере импульса от колебаний воздуха | 0,1 | Пылеуловители ультразвуковые |
Для правильного выбора систем очистки воздуха необходимо знать распределение взвешенных частиц по размерам. В качестве дополнительного фактора, повышающего качество очистки, может быть применена вода. Капли воды, осаждаясь на частицах пыли, существенно увеличивают их размеры. Так можно повысить эффективность работы всех способов очистки, кроме фильтров, поскольку осаждение жидкости на фильтрах сделает их непроницаемыми. Для разбрызгивания воды применяются дезинтегратор Тайзена, эжекторный скруббер, конус Вентури, дождевальные установки.
