 |
Литье в металлические формы
|
|
|
|
Цель работы
1.1. Изучить способы получения отливок в металлических формах (кокильное литье, литье под давлением, центробежное литье), устройство центробежных машин и машин для литья под давлением.
1.2. Сравнить точность отливок, получаемых при различных способах литья в металлические формы.
2. Теоретическая часть
Отливки, полученные в разовой песчано-глинистой форме, имеют невысокую точность размеров и высокую шероховатость поверхности, большие припуски на обработку резанием, крупно-зернистую структуру. В связи с этим разработаны и широко применяются способы литья, при которых повышается точность и снижается шероховатость поверхностей отливки и уменьшаются припуски на ее механическую обработку. В производстве используется много способов получения литья повышенной точности. Так, способы литья под давлением, по выплавляемым моделям, в кокиль позволяют получать отливки с размерной точностью, соответствующей 12…15 квалитетам, и шероховато-стью поверхностей в пределах 6,3… 3,2 Rа (приложение 3).
2.1. Литье в кокиль
Сущность метода заключается в том, что отливки получают путём свободной заливки расплавленного металла в метали-ческую, многократно используемую форму, называемую кокилем [3]. Литье в кокиль получило большое распространение для изготовле-ния отливок из алюминиевых, магниевых, цинковых и медных сплавов, чугуна и реже стали.
Литьё в кокиль экономически целесообразен в массовом и серийном производствах для изготовления отливок с толщиной стенки 3…100 мм, массой от нескольких граммов до нескольких сотен килограммов [3].
Литье в кокиль имеет ряд преимуществ по сравнению с литьем в песчано-глинистые разовые формы:
|
|
|
• лёгкость автоматизации процесса;
• стабильность структуры отливок, высокие механические и эксплуатационные свойства благодаря мелкозернистому строению металла вследствие быстрого остывания [4];
• не требуются формовочные смеси, модельно-опочная оснастка, повышается размерная точность и снижается шерохова-тость поверхности отливок;
• в литейном цехе уменьшается количество пыли (нет формовочной смеси) и улучшаются санитарные условия труда;
• обслуживание металлических форм не требует высокой квалификации рабочих;
• значительно повышается производительность труда;
• сокращаются потребные производственные площади.
Наиболее важным преимуществом литья в металлические формы является многократное использование форм, высокое ка-чество и плотность отливок. Плотность металла повышается за счет большой скорости затвердевания расплава, существенно десятки раз превышающей скорость затвердевания его в песчаной форме.
Наряду с преимуществами литье в кокиль имеет и ряд недостатков. Основные из них:
• трудность изготовления кокилей и высокая их стоимость;
• сложность получения тонкостенных, сильно оребрённых отливок из-за быстрого охлаждения расплава при его заливке и охлаждении;
• неподатливость металлических форм, что увеличивает опасность появления трещин в отливках;
• ограниченная стойкость кокилей, резко снижающаяся по мере повышения температуры заливаемого металла.
Кокили изготавливают преимущественно из серого, высоко-прочного и легированного чугуна или стали. Размеры рабочей полости кокиля больше размеров отливки на величину усадки сплава и припуска на механическую обработку. Для того чтобы повысить стойкость кокиля, снизить термические напряжения в стенке формы на его внутреннюю поверхность наносят теплоизоляционные, противопригарные покрытия. Их приготов-ляют из огнеупорных материалов (кварцевой муки, молотого шамота, графита, мела, талька и др.) и связующего материала (жидкого стекла, сульфитного щелока и др.). После нанесения покрытие подвергается подсушке и прокалке.
|
|
|
В зависимости от толщины и свойств применяемых покрытий кокили бывают с тонкослойным покрытием толщиной до 0,5 мм (для цветных металлов) и с толстослойным покрытием с толщи-ной покрытия до 10 мм (для крупных отливок из чугуна и стали).
Расплав заливают в кокиль через литниковую систему. Питание массивных узлов отливки осуществляется из прибылей (питающих выпоров). При заполнении кокиля расплавом воздух и газы удаляются из его рабочей полости через вентиляционные каналы, прорезанные в плоскости разъёма или специальные выпоры.Классификация кокилей. Конструкции кокилей чрезвы-чайно разнообразны (рис. 2.1). В зависимости от расположения поверхности разъема кокили бывают: неразъемные, с вертикальной плоскостью разъема, с горизонтальной плоскостью разъема, со сложной поверхностью разъема. Для получения внутренней полости отливки применяют песчаные и металлические стержни. Для отливок из легкоплавких сплавов преимущественно применяют металлические стержни, а для чугунных и стальных отливок—песчаные.
Неразъемные, или вытряхные, кокили (рис. 2.1, а) применяют для отливок, имеющих внешние очертания без выступающих частей, когда конструкция отливки позволяет удалить из плоскости кокиля без его разъема. Для сложных отливок форму изготовляют из нескольких разъемных частей, каждая из которых образует часть отливки. Поверхность разъема форм определяется конструкцией отливки.
Кокили с вертикальной плоскостью разъема состоят чаще из двух полуформ. Такой кокиль показан на рис. 2.1, б для отливки поршня из алюминиевого сплава. Кокиль состоит из двух створок (полуформ) 1 и 2, расположенных на плите 3. Перед заливкой полу-формы запираются крючком 5. Литниковая система располага-ется в плоскости разъёма 4. Полости и отверстия в отливке могут быть выполнены металлическими или песчаными стержнями, извлекаемыми из отливки после ее затвердевания и охлаждения до заданной температуры.
|
|
|
Рис. 2.1. Разновидности кокилей: а – неразъёмный; б – створчатый с вертикальной плоскостью разъёма для изготовления алюминиевого поршня; в – со сборным металлическим стержнем для отливки поршня; г – с верти-кальной плоскостью разъёма с песчаными стержнями; д – с горизонтальной плоскостью разъёма; е – облицованный
На рис. 2.1, в показана конструкция кокиля, в которой внутреннюю полость отливки образует металлический стержень. Половинки формы 1 и 2 фиксируются при сборке центрирующим штырём 7. Боковые отверстия в отливе формируются стержнями 4, а для получения центрального отверстия применяют металлический стержень, состоящий из трёх частей, что позволяет легко их удалить из отливки. После заливки литейного сплава через воронку 8 и затвердевания отливки сначала вынимают центровую конусо-образную часть стержня 3, а затем боковые части 6. Имеется выпор 9 для удаления воздуха из формы при заливке.
На рис. 2.1, г представлен кокиль с вертикальной плоскостью разъёма с двумя песчаными стержнями 5, вставленными на ниж-нюю плиту 3 в полости формы 4. Смыкание и раскрытие поло-винок кокиля 1 и 2 осуществляется механически с использованием пневмопривода. Литниковая система также располагается в плоско-сти разъёма формы.На рис. 2.2 приведены основные операции технологического процесса литья в кокиль с вертикальным разъёмом. Кокиль состоит из поддона 1, двух симметричных полуформ 2 и 3 и металлического стержня 4. На рабочую поверхность предвари-тельно нагретого кокиля до 150…180 oC наносят из пульверизатора 5 огнеупорный слой (рис. 2.2, а) толщиной 0,3…0,8 мм. Такое покрытие предохраняет рабочую поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой и тем самым продлевает срок службы. В качестве основы материала покрытия используются следующие огнеупорные материалы: SiO2 (кварцевая мука или маршалит), MgO (магнезит), Al2O3 (глинозем), FeO ·Cr2O3 (хромис-тый железняк или хромит). Связующим веществом при этом обычно служит жидкое стекло. Перед заливкой медных сплавов металлическую форму не обмазывают, а окрашивают специальной краской из смазочного или трансформаторного масла с графитом (4 %) или с парафином (по 50 %) и др. Для алюминиевых сплавов формы смазывают составом из 30 г окиси цинка и 30 г жидкого стекла на 1 л воды или 200 г мела и 30 г жидкого стекла на 1 л воды.
|
|
|
После нанесения слоя покрытия с помощью манипулятора устанавливают песчаный стержень 6, который служит для получе-ния полости в отливке (рис. 2.2, б). Половинки кокиля соединяют и заливают расплав (рис. 2.2, в). После затвердевания отливки 7 и охлаждения ее до температуры выбивки кокиль раскрывают (рис. 2.2, г) и протягивают вниз металлический стержень 4. Отливка 7 удаляется манипулятором из кокиля (рис. 2.2, д).
Рис. 2.2. Схемы последовательно выполняемых основных технологи-ческих операций при литье в кокиль [4]: а – нанесение огнеупорного покрытия; б – установка стержня; в – заливка собранного кокиля; г – раскрытие формы и протягивание металлического стержня; д – удаление отливки: 1 – поддон; 2, 3 – половинки (створки) кокиля; 4 – металлический стержень; 5 – пульверизатор; 6 – песчаный стержень; 7 - отливка
Кокили с горизонтальным разъёмом применяют преимущест-венно для простых по конфигурации, а также крупногабаритных отливок (рис. 2.1, д). При сборке верхняя 1 и нижняя 2 части цен-трируются штырями 4. Литниковая система расположена в верхней части кокиля. Перед заливкой рабочая поверхность металлической формы покрывают специальным составом с целью изолирования ее от соприкосновения с жидким металлом и увеличения срока служ-бы формы, улучшения качества поверхности отливки или, в некото-рых случаях, для регулирования интенсивности теплообмена между отливкой и кокилем.
Кокиль с облицованным слоем (рис. 2.1, е). Кокиль состоит из двух частей 2, 3 и облицованного слоя 1. Перед каждой заливкой литейного сплава на рабочую поверхность кокиля наносят огнеупорный слой толщиной 4…6 мм. Такой слой защищает кокиль от воздействия высоких температур и регулирует температурный режим взаимодействия отливки и кокиля. Процесс нанесения облицовочного слоя осуществляют сле-дующим образом (рис. 2.3). В качестве материала для облицовки используют формовочные смеси повышенной текучести с термо-реактивной связующей. Одну из половинок кокиля 3 и модельную плиту 6 с закреплённоё моделью 5 подвергают нагреву нагрева-телями 7 до 200…220 ºС. В зазор между кокилем и моделью при помощи пескодувной машины 1 вдувают формовочную смесь. За счёт теплоты кокиля и модели связующее плавится и образуется оболочка толщиной 4…6 мм. После отверждения оболочки на кокиле модель извлекают. Точно также наносят облицовочный слой на вторую половинку кокиля. После облицовки половинок кокиль собирают (см. рис. 2.1, е).
|
|
|
Рис. 2.3. Процесс облицовки кокиля: 1 – пескодувная машина; 2 – нако-нечник; 3 – половинка кокиля; 4 – футерованная облицовка; 5 – модель; 6 – модельная плита; 7 – нагреватели Весь технологический процесс получения отливок в металли-ческих формах состоит из таких последовательно выполняемых операций: очистка кокиля от старой облицовки, нанесение на рабочую полость формы огнеупорного слоя, установка стержней, сборка формы, подогрев формы, заливка, удаление отливки из формы. Перед заливкой медных сплавов металлическую форму не обмазывают, а окрашивают специальной краской из вареного масла[4] с графитом (4 %) или просто смазочным маслом с парафи-ном (по 50 %) и др. Для алюминиевых сплавов формы смазывают составом из 30 г окиси цинка и 30 г жидкого стекла на 1 л воды или 200 г мела и 30 г жидкого стекла на 1 л воды.
2.2. Литье под давлением
Сущностьпроцесса состоит в том, что жидкий литейный сплав подаётся в полость пресс-формы с большой скоростью и давлением. Детали, отлитые под давлением, обладают высокой точностью (10…12 квалитет точности) и шероховатостью поверхностей отливки Rz > 10 мкм (см. приложение 3). Поэтому в большинстве случаев они не нуждаются в механической обработке и направляются непосредственно на сборку. Литьем под давлением можно изготовить отливки с глубокими полостями, малыми отверстиями (диаметром до 2 мм),резьбой и толщиной стенок до 0,5 мм. К преимуществам этого вида литья также относится высокая производительность. Металлические пресс-формы довольно сложны и дороги. Поэтому этот метод применяется в массовом производстве для получения тонкостенных отливок небольшой массы (до 50 кг) из цветных сплавов, обладающих сравнительно невысокой температурой плавления.
Литье под давлением осуществляется на специальных маши-нах (приложение 4), основными узлами которых являются камера сжатия, металлическая пресс-форма и устройство для выталкивания отливок. По способу создаваемого давления машины делят на поршневые (широко используемые в практике) и компрессорные. Поршневые гидравлические машины бывают с горячей и холодной камерами сжатия. Машины с горячей камерой сжатия применяются в основном для получения отливок из сплавов с низкой темпера-турой заливки (на основе цинка, олова, свинца), а с холодной каме-рой сжатия – для получения отливок из других цветных сплавов.
Поршневые машины могут быть выполнены с вертикальной и горизонтальной камерой сжатия. На машинах холодной камерой сжатия камера отделена от печи с расплавленным металлом. При литье на машинах с вертикальной камерой сжатия (рис. 2.2, а) сплав заливают мерной ложкой 2 в камеру сжатия 3 (положение I). Верхний поршень 1, опускаясь, оказывает давление на сплав, а нижний поршень 10, перемещаясь, открывает литниковый канал. Сплав заполняет полость формы, состоящей из двух половин 4 и 5 (положение II).
После затвердевания металла подвижная полуформа 4 отходит в сторону, и отливка 7 вместе с литником 8, выталкивается толкателями 6, а излишек металла 9 – поршнем 10 (положение III). Процесс литья под давлением на машине с горизонтальной холодной камерой сжатия (рис. 2.2, б) протекает в той же последовательности. На рис. 2.3 изображена схема работы машины с горячей камерой прессования.
Рис. 2.3. Поршневая машина с горячей камерой прессования: 1 – тигель; 2 –отверстие; 3 – поршень; 4 – цилиндр; 5 – мундштук; 6 – толкатель;
7 –пресс-форма; 8 – канал тигля
Чугунный тигель 1 для поддержания постоянной температуры жидкого сплава снизу подогревается. При верхнем положении поршня 3 через отверстия 2 сплав заполняет полость цилиндра 4 и канал 8 тигля. Перед заливкой пресс-форма 7 закрывается и конец мундштука 5 входит в канал 8. При опускании поршень перекрывает отверстия цилиндра 2 и вытесняет сплав из цилиндра и через канал в полость пресс-формы. После затвердевания отливки поршень поднимается, форма раскрывается, и отливка выталкивается из формы толкателями 6.
К преимуществам машин с горячей камерой сжатия относится возможность лёгкой автоматизации, большая производительность, меньшие потери металла и улучшение условий труда. Однако на них нельзя получать отливки из сплавов с температурой плавления выше 450 °С и, кроме того, поршень, находящийся в расплаве, быстро изнашивается.
В машинах с холодной камерой поршень непродолжительно соприкасается с расплавом и поэтому изнашивается меньше. В этих машинах можно применять большие давления, что обеспечи-вает хорошую плотность отливок.
Центробежное литье
Сущность способа заключается в том, что расплавленный металл заливают во вращающуюся форму и кристаллизация металла происходит под действием центробежных сил, что обеспечивает значительное уплотнение и повышение прочности отливок. Газы и неметаллические включения (окислы, шлак), будучи более легкими, оттесняются тяжелым металлом к внутрен-ней полости отливки, скапливаются там и затем удаляются при механической обработке. При центробежном литье используют в основном три типа литейных форм: металлические нефутерован-ные, металлические футерованные и разовые формы, изготовлен-ные различными способами. Металлические нефутерованные формы для изготовления отливок центробежным способом обычно называют «изложницами». Центробежным литьём в металлические формы получают полые детали с несложной конфигурацией, имеющие форму тел вращения (трубы, гильзы цилиндров двигате-лей внутреннего сгорания, шкивы, зубчатые колёса и др.).
Центробежное литье по сравнению с литьём в разовые формы имеют следующие преимущества: высокая производительность труда; получение внутренних полостей отливок без применения стержней; отпадает необходимость в площадях для формовки, смесях, связующих материалах для стержней, оборудования для сушки смесей; возможность получения двухслойных заготовок, что получается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь–чугун, чугун–бронза); экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы. Кроме того отливки имеют более высокие механические свойства, близкие к свойствам поковок [4]. Вместе с тем центробежному литью присущи и недостатки: необходимы специальные машины; требуется дозированная подача сплава для получения нужного размера отверстия в отливке; усиливается ликвация компонентов в отливках из-за их различной плотности. Для получения деталей центробежным литьём используются чугуны, стали и медные сплавы. Отливки из чугуна и стали чаще являются основными рабочими узлами изделий и должны обладать высокими механическими свойствами. Однако при изготовлении этих деталей из чугуна за счёт быстрого охлаждения из-за повышенной теплопроводности формы, происходит отбеливание наружных и торцевых поверхностей отливок. При дальнейшем отжиге таких отливок образуется ферритная структура, снижающая твёрдость, а следовательно и износостойкость деталей. Кроме того, при центробежном литье износостойкость литейной формы очень низка, так как она подвергается частым тепловым ударам и быстро выходит из строя. Для увеличения стойкости формы её внутреннюю поверхность покрывают мелким кварцевым песком, набрасывая его во вращающуюся форму перед заливкой, или наносят смесь песка со связующим (чаще пульвербакелитом). Наиболее перспективным считается покрытие из огнеупорной краски на основе диатомита [4].
Для повышения качества получаемых отливок центробежным литьём используют флюс, который подают в форму вместе с металлом при заливке. При этом флюс надёжно защищает металл от окисления при заливке и формировании отливки, способствует рафинированию металла в форме от вредных примесей. Кроме того, флюс утепляет внутреннюю поверхность формирующейся отливки и способствует направленной кристаллизации металла в форме. Вследствие этого улучшается структура и повышаются механические свойства и плотность отливок.
Основные технологические режимы центробежного литья. Качество получаемых отливок центробежного литья определяется рациональным выбором технологических режимов литья. К таким режимам относятся: 1) частота вращения изложницы в процессе формирования отливки; 2) температура заливки металла и скорость его заливки в форму; 3) температура нагрева изложницы перед заливкой; 4) выбор состава и способа нанесения теплоизоляционного покрытия изложницы; 5) способ и скорость заливки металла; 6) время охлаждения отливки.
Частота вращения формы при центробежном литье является основным технологическим параметром при разработке технологии литья. От частоты вращения формы зависит плотность отливки, её механические свойства, однородность состава по радиальному сечению, степень удаления шлаковых включений от наружной поверхности отливки к внутренней и правильность формы внутренней поверхности. Чрезмерное увеличение частоты вращения может привести к повышенной ликвации компонентов сплава, к усложнению конструкции машин и они более опасны и менее удобны в работе. Нижний уровень частоты вращения определяется тем, что форма должна вращаться с такой скоростью, чтобы металл за счёт центробежных сил надёжно прижимался к стенке формы, иначе произойдёт «дождевание» металла в форме. Поэтому следует вести литьё при оптимальных расчётных частотах враще-ния формы. Для определения частоты вращения формы n, мин–1, при получении полых отливок часто пользуются полуэмпирической формулой Константинова [5]:
где ρ– плотность металла, кг/м3;
R – радиус формы, м.
Температура и скорость заливки металла в форму и температура предварительного нагрева изложниц оказывает существенное влияние на качество отливок. Опытным путём уста-новлены следующие температуры заливки металла для сплавов: для бронз – 1100…1170 ºС; для серого чугуна – 1380…1400 ºС; для углеродистой стали – 1550…1570 ºС. Температура подогрева формы составляет 200…250 ºС.
Центробежные машины. Промышленностью выпускаются центробежные машины с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Для изготовления коротких литых деталей (втулок, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шкивов, зубчатых колёс и др.) применяют машины консольного типа с горизон-тальной (рис. 2.4) и с вертикальной осями вращения (рис. 2.5). Отливки значительной протяжённости в виде труб получают на машинах роликового типа с горизонтальной осью вращения (см. ниже, рис. 2.6).
Наиболее распространен способ литья пустотелых цилиндри-ческих отливок в металлические формы с горизонтальной осью вращения. По этому способу (см. рис. 2.4) отливка формируется в поле центробежных сил со свободной внутренней цилиндрической поверхностью, а формообразующей поверхностью служит внутрен-няя поверхность изложницы. Расплав из ковша 1 заливают во вра-щающуюся форму 3 через заливочный желоб 2. Расплав 4 расте-кается по внутренней поверхности формы, образуя под действием поля центробежных сил пустотелый цилиндр. После затвердевания металла и остановки формы отливку извлекают. Данный способ характеризуется наиболее высоким технологическим выходом годного (ТВГ≈100 %) и с высоким значением коэффициента весовой точности[5] (КВТ), так как отсутствует расход металла на литниковую систему.
При получении отливок со свободной параболической поверх-ностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (см.рис. 2.5) расплав из ковша 2 заливают в форму 3, закрепленную на шпинделе 1, приводимом во вращение электродвигателем 5. Расплав 4 под действием центробежных и гравитационных сил распределяется по стенкам формы и затвердевает, после чего вращение формы пре-кращают и извлекают из нее затвердевшую отливку.
Во всех этих случаях ось вращения совпадает с осью отливки, и внутренние её очертания достигаются без применения стержней. Толщина стенки отливки определяется количеством подаваемого в форму металла. Этот метод применяют при получении отливок, имеющих форму тел вращения.
Центробежное литье труб. Наибольшее распространение центробежное литье получило при производстве литых чугунных труб. Для труб характерны большая длина и сравнительно малая толщина стенки. Водопроводные и канализационные трубы получают в основном в металлических интенсивно охлаждаемых подвижных формах на машинах роликового типа [4]. Такая машина представлена на рис. 2.6. Металлическая форма 2 без футеровки устанавливается на опорные ролики 8 и закрывается кожухом 6. Форма вращается от электродвигателя 1. Для облегче-ния течения металла и извлечения отливки форма имеет уклон до 5°. Расплавленный металл из ковша 4 заливают через желоб 3, который в процессе заливки металла перемещается, что обеспечивает получение равностенной отливки 5. Для образования раструба трубы используют песчаный или оболочковый стержень 7. После затвердевания металла готовую отливку извлекают специальным приспособлением. Центробежным литьем изготавли-вают отливки из чугуна, стали, сплавов титана, алюминия, магния и цинка (трубы, втулки, кольца, подшипники качения, бандажи железнодорожных и трамвайных вагонов).
Рис. 2.6. Схема центробежного литья труб на машинах роликового типа: 1 – электродвигатель; 2 – вращающаяся форма; 3 – жёлоб; 4 – ковш;
5 – отливка; 6 – кожух; 7 – стержень; 8 – опора
Масса отливок колеблется от нескольких килограммов до десятков тонн. Толщина стенок от нескольких миллиметров до 350 мм.
Центробежное литьё фасонных отливок (рис. 2.7). Этим способом получают фасонные отливки в тех случаях когда литьём в разовые формы не могут быть получены или получаются с плохими технико-экономическими показателями. Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней в формах с вертикальной осью вращения. При этом могут использоваться металлические формы и формы, изготовленные из других материалов. В металлических формах, например, могут быть отлиты колёса центробежных насосов (рис. 2.7, а), венцы зубчатых колес (рис. 2.7, б).
Форма собирается на специальной планшайбе 7, закреплённой к шпинделю. На планшайбу устанавливают нижнюю полуформу 5 с песчаной вставкой 4. Полость формируется песчаной вставками 3 и 4. Сборка завершается установкой и закреплением верхней полу-формы 6. Расплав из ковша через заливочное отверстие и стояк 1 поступает в центральную полость формы 2 и затвердевает во вращающейся форме.
При получении фасонных отливок ось вращения может не совпадать с геометрической осью отливки (рис. 2.7, в, г).Для получения фасонных отливок конструкция формы зависит также от характера производства (единичное, серийное, массовое) и конфигурации отливок.
Рис. 2.7. Формы для получения фасонных отливок: а, б – металлические формы: 1 – стояк; 2 –центральная часть формы; 3, 4 – стержни; 5 – нижняя форма; 6 – верхняя форма; 7 – планшайба; в, г – песчаные формы:
1 – нижняя форма; 2 – верхняя форма; 3 – полость формы; 4 – стержень
Практическая часть
Задания:
1. Изучить особенности конструкции различных кокилей, принцип работы центробежных машин и машин для литья под давлением
2. Сравнить точность отливок и шероховатость их поверх-ностей, получаемых различными способами (см. приложение 3) и подготовить ответы на контрольные вопросы.
|
|
|
