Краткие сведения о литейном производстве

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Литые детали в конструкциях многих машин составляют
от 30 до 80 % их массы. Например, масса отливок тягача достигает 55 %, экскаватора — 70 %, тяжелых станков — 80% [45]. Литье готовых деталей обладает преимуществами перед другими способами их производства, заключающимися не только в более низкой трудоемкости и стоимости процесса, отсутствии анизотропии свойств, в увеличении жесткости и точности размеров, но и в возможности изготовления деталей, которые нельзя получить другими способами. Такое литье позволяет повысить коэффициент использования металла до 65-95% вместо 15-30% при изготовлении деталей из поковок и штамповок, в 3-4 раза сократить расход металла в стружку, в 5-6 раз снизить трудоемкость и уменьшить себестоимость изделия.

Эти обстоятельства определяют важность грамотного
конструирования литых деталей. Конструкция детали зависит от следующих основных факторов: служебного назначения в изделии; достаточной прочности при минимальной массе; долговечности; возможности безремонтной эксплуатации в течение всего срока службы; материала; технологии получения заготовки, механической обработки детали, измерения ее размеров, сборки изделия и др.

Использование жидкого металла позволяет получать литые детали практически любой желаемой формы. Вместе с тем, это же обстоятельство приводит к особым трудностям, связанным с тем, что при переходе металла из жидкого в твердое состояние в нем развивается усадка, металл в различных сечениях отливки получает неоднородную структуру и соответственно разную прочность, возникают внутренние напряжения. Конструкцию литой детали необходимо проектировать так, чтобы можно было более полно использовать механические свойства металла, из которого она изготавливается.

Достичь этого можно разработкой такой конструкции, при которой форма детали и сопряжение ее элементов будут предупреждать развитие внутренних литейных пороков, и снижать концентрации напряжений. Для создания качественной конструкции литой детали, имеющей наименьшие затраты при ее производстве, конструктор должен иметь знания о литейном производстве и владеть основными правилами конструирования таких деталей.

Литейное производство — это производственный комплекс по изготовлению отливок методом заливки расплавленного сплава в литейные формы. Отливки могут быть законченными изделиями или заготовками. Заготовки в процессе изготовления деталей подвергают механической обработке. По форме и размерам отливки должны максимально приближаться к получаемым из них деталям; припуски на механическую обработку должны быть минимальными, материал по возможности дешевым и обладать необходимыми физико-механическими свойствами. В современном машиностроении этим требованиям отвечают многие сплавы, наиболее распространенными из черных сплавов являются чугуны и стали, из цветных — сплавы на основе алюминия, меди, магния и др.

Литейное производство в зависимости от количества выпускаемой продукции относят к индивидуальному (единичному), серийному и массовому.

При индивидуальном производстве выпуск продукции ограничивается небольшим количеством разнообразного литья с использованием универсального оборудования и приспособлений.

Для серийного производства характерен периодический выпуск литья широкой или ограниченной номенклатуры. В таком производстве используют более производительное, чем в индивидуальном производстве, оборудование, которое устанавливают в технологическую линию на основе принятой технологии получения отливок.

Для массового производства характерен непрерывный выпуск изделий ограниченной номенклатуры в больших объемах. В таком производстве используют технологии и оборудование, позволяющее обеспечивать высокий уровень механизации и автоматизации основных производственных процессов.

Технологические процессы для каждого способа литья значительно разнятся. Блок схема технологического процесса литья в песчаные литейные формы приведена на рисунке 1.1. В таблице 1.1 даны краткие характеристики основных способов литья и область их применения в литейном производстве.

Отливки получают следующим образом. Расплавленный до жидкого состояния металл заливают в специальную форму, где он затвердевает, принимает ее очертания и размеры.

В практике применяют более 20 способов литья металла [22]. В зависимости от серийности производства, материала отливки, ее конфигурации, размеров и требований, предъявляемых к качеству детали, используют различные виды литейных форм. Из большого разнообразия литейных форм наибольшее применение в производстве получили разовые формы, выполненные из формовочных материалов. Помимо разовых литейных форм для получения отливок используют многократно используемые формы. Такие формы (кокили) изготавливают стальными или чугунными. Кокильное литье и литье под давлением применяют преимущественно для изготовления отливок в серийном
и массовом производстве.

 

Таблица l. l

Области применения и характеристика различных способов литья [1]

 

Способ литья	Область применения	Краткая характеристика
В песчаные литейные формы	Изготовление отливок из любых литейных сплавов, требующих применения большого количества стержней; индивидуальное и мелкосерийное, серийное производство; литье крупных отливок. Массовое и крупносерийное производство при высокой степени механизации	Универсальный способ литья отливок практически из любых сплавов. Большой расход формовочных материалов. Большие припуски на механическую обработку. Необходимость в больших производственных площадях. Можно получать сложные тонкостенные отливки, пониженной точности с высокими трудозатратами
Кокильное литье	Изготовление отливок с повышенными механическими свойствами и высокой герметичностью из чугуна, стали и цветных сплавов. Изготовление толстостенных отливок, простых и средних по конфигурации, различного веса. Рентабелен в серийном и массовом производствах при той же степени механизации, что и литье в песчаные формы	Получение отливок более высокой точности (чем при литье в песчаные формы), с меньшими припусками на механическую обработку. Трудно получить тонкостенные отливки сложной конфигурации
Литье по выплавляемой (выжигаемой) модели	Изготовление мелких и средних сложных отливок преимущественно из стали и специальных сплавов. Экономически целесообразно отливать детали, ранее изготовляемые из проката или поковок и подвергаемые механической обработке, а также детали, требующие сложной механической обработки, или детали, механическая обработка которых крайне затруднена. Способ экономически целесообразен при выпуске отливок не менее 100 т в год (простых по конфигурации не менее 500 шт., сложных не менее 50 шт. в год)	Получение отливок из любых сплавов с высокой точностью и высокими показателями шероховатости поверхности. Большая трудоемкость и высокая себестоимость отливок
Литье под давлением	Изготовление тонкостенных, сложных по конструкции отливок преимущественно из цветных сплавов, реже из стали. Способ рентабелен в массовом производстве	Способ высокопроизводителен. Получение отливок высокой точности с хорошими показателями шероховатости поверхности. Малая стойкость пресс-форм при получении отливок из сплавов с высокой температурой плавления (сталь, медные сплавы и др.); высокая стоимость пресс-форм
Литье в оболочковую литейную форму	Изготовление тонкостенных отливок из любых сплавов. Способ рентабелен в серийном и массовом производстве или производстве отливок весом до 25-30 кг, с последующим их использованием без механической обработки или с незначительной механической обработкой	Получение точных отливок, в том числе тонкостенных из любых сплавов. Технологический процесс легко механизировать. Высокая стоимость синтетических смол
Центробежное литье	В крупносерийном и массовом производстве отливок преимущественно с формой тел вращения	Получение отливок практически из всех черных и цветных литейных сплавов. Обеспечивает повышенную плотность и улучшенные механические свойства отливок. Уменьшение расхода металла из-за отсутствия литниковой системы. Формы должны обладать повышенной прочностью, герметичностью и иметь специальные ограждения

 

 

Термическая обработка отливок

 

 

Рисунок 1.1 Примерная схема технологического процесса производства отливок в песчаных литейных формах

 

 

Предлагаемая работа в значительной мере ориентирована на студентов, занимающихся освоением основ конструирования в процессе изучения курса деталей машин, и на начинающих конструкторов. Поэтому здесь и далее материал ориентирован преимущественно на производство литья с использованием самого распространенного способа изготовления форм из формовочной смеси по моделям. Многие положения этого литья приемлемы и для других способов.

Формовочные и стержневые смеси, используемые в литейном производстве, должны обладать определенными свойствами, обеспечивающими процессы получения отливки. Такими основными свойствами являются: прочность, огнеупорность, пластичность, газопроницаемость и текучесть; помимо этого они должны быть негигроскопичными и легко разрушаемыми при выбивке. Для обеспечения требуемых свойств и качеств формовочных и стержневых смесей их изготавливают по специальным технологиям, вводя в состав большое количество различных материалов: песок, огнеупорную глину, оборотную смесь, уголь, крепители, воду и многое другое.

В качестве примера на рисунке 1.2 приведен эскиз детали типа «фланец» (поз. 2), здесь же (поз. 2 и 4) и на рисунке 1.3 показаны элементы литейной оснастки и литейная форма для получения заготовки фланца. В производственных условиях конструктивное решение стержневого ящика и стержня может быть не таким, как показано на эскизах, так как это зависит от конкретных размеров детали и технологии производства. По этой причине эскиз детали — безразмерный. Поверхности детали, образуемые удалением слоя металла, показаны на эскизе знаками вида обработки. Для получения годной детали из
отливки на этих поверхностях в заготовке предусматривают припуск.

 

Рисунок 1.2

Эскизы детали и элементов литейной оснастки:

 

1 — эскиз детали; 2 — разъемная литейная модель в сборе; 3 — отъемная часть литейной модели;
4 — стержневой ящик; 5 — стержень.

 

 

Рисунок 1.3
Эскиз разъемной литейной формы:

1 — плита подопечная; 2 — опока нижняя; 3 — опока верхняя; 4 — стержень литейный; 5 — выпор;
б — питатель; 7 — улавливатель шлаков; 8 — чаша литниковая; 9 — смесь формовочная; 10 —
пространство под отливаемую заготовку; 11 — стояк литниковый.

 

 

Приведенные на эскизах рисунков 1.2 и 1.3 литейная оснастка и литейная форма детали дают общее представление об устройстве и сборке формы из отдельных элементов, позволяющих в нужных размерах копировать очертания детали и ее внутренних поверхностей.

В верхней опоке 3 (рис. 1.3) с помощью отъемной части модели 3 (рис.1.2) формуют полость. По своим очертаниям она соответствует верхней части фланца.

С помощью основной части модели 2 (рис. 1.2) в нижней опоке 2 (рис.1.3) формуют остальные наружные поверхности, внутренние полости формуют стержнем 4, который устанавливают при сборке формы в знак нижней опоки. Образуемые таким образом полости в форме по своим очертаниям соответствуют очертаниям отливаемой детали.

Модель подобна детали, но по размерам и форме несколько от нее отличается. Это связано с тем, что при затвердевании металл дает линейную усадку. Усадка зависит от используемого металла, размеров и сложности конструкции детали. Сложная по конструкции и большая по размерам деталь при затвердевании имеет большее сопротивление усадке со стороны материала формы, чем при остывании сплава в свободном состоянии. Например, серый чугун при свободной заливке имеет 1-1,2 % линейной усадки размеров, при отливке в стержнях и сырых формах — 0,4-1,2% [1], [40]. При конструировании литейной оснастки это учитывают путем изменения соответствующих размеров модели и стержневого ящика.

При формовке после уплотнения формовочной смеси в опоке (например,
в нижней опоке 2, рис. 1.3) модель аккуратно извлекают, так, чтобы не нарушить отформованных поверхностей. Поэтому все вертикальные поверхности модели имеют формовочные уклоны. С увеличением вертикальных размеров модели угол уклона для них снижается.

Конструкция формы (рис. 1.3) имеет также технологические устройства
(литниковую чашу 8, питатели 6, улавливатели шлаков 7, выпоры 5 и др.),
обеспечивающие процессы заливки, отвердевания жидкого металла и отвода газов.

Отливки по степени сложности подразделяют на шесть групп. Различают геометрическую и качественную сложность. Геометрическую сложность определяет конфигурация отливки, т. е. сложность получения внешних и внутренних очертаний. Качественная сложность — это технологическая сложность обеспечения служебных свойств детали (прочности, жесткости, плотности, размерной точности, шероховатостей поверхностей и др.).

В основу классификации литых деталей положена технологическая сложность с учетом толщин стенок и массы. Для оценки массивности отливок введен коэффициент габаритного объема [1], [39]:

 

Kv=(lbh) / m, (1.1)

 

где I, b, h — габаритные размеры отливки (максимальные: длина, ширина, высота), дм; т — масса отливки, кг.