Для разливки стали применяют ковши, имеющие отверстие в днище, закрываемое стопором. Расплавленный металл из такого ковша поступает в чугунные изложницы квадратного, круглого или прямоугольного сечения.

Практическое занятие № 3. Основы литейного производства

Литейное производство - отрасль машиностроения, изготавливающая заготовки или детали (отливки) заливкой расплавленного металла (расплава) заданного химического состава в полость литейной формы, имеющей конфигурацию отливки. При охлаждении расплав затвердевает и сохраняет конфигурацию полости формы. Литьем можно изготавливать изделия очень сложной конфигурации, которые другими видами обработки - ковкой, штамповкой, сваркой - получить трудно или невозможно. Литьем изготавливают: заготовки деталей общего назначения, к которым не предъявляются особые требования по механическим и эксплуатационным свойствам; заготовки ответственных деталей, таких как детали двигателей внутреннего сгорания (блоки цилиндров, поршни), рабочие колеса и лопасти газовых турбин и т.д. Масса отливок может быть от нескольких граммов (детали приборов) до десятков тонн (станины станков, роторы турбогенераторов).

Жидкий металл заливают в разовые формы (после изготовления отливки их разрушают) и многократные (в одной форме можно получить от десятка до нескольких десятков тысяч отливок). Разовые формы изготавливают из неметаллических материалов (формовочных смесей). Многократные формы изготавливают из сплавов на металлической основе.

Принципиальная схема литья (на примере разовой разъемной литейной формы) показана на рисунке 3.1, а. Жидкий металл 10 из ковша 11 заливается в литейную форму и через систему каналов поступает в полость 4 формы 3, заполняет ее и затвердевает. После затвердевания, извлечения из формы и обработки получается отливка (рисунок 3.1, б). Для получения отверстий, полостей и других усложнений конфигурации отливок применяют стержни 6, которые устанавливаются при сборке формы. Для получения отливки необходимо наличие трех технологических элементов: литейный материал, технологическое литейное оборудование и технологическая литейная оснастка.

Литейные материалы (металлические сплавы, пластмассы, резина, керамика) должны обладать высокими литейными (технологическими), механическими и эксплуатационными свойствами.

Литейные свойства сплавов

При проектировании любой детали в первую очередь учитываются механические свойства сплава. При конструировании литой детали и разработке технологии процесса литья дополнительно необходимо учитывать литейные свойства сплава, которые определяют возможность получения качественной отливки, т.е. отливки, отвечающей заданным требованиям.

а - принципиальная схема; б - отливка после выбивки; 1, 2 - нижняя и верхняя опоки; 3 - форма; 4 - полость формы; 5 - выпор; 6 - литейный стержень; 7 - вентиляционный канал; 8 - вертикальный канал (стояк); 9 - литниковая чаша (воронка); 10 - расплавленный металл; 11 - ковш; 12 - шлакоуловитель; 13 - горизонтальные каналы (питатели)

Рисунок 3.1 - Схема процесса литья в разовые разъемные формы

Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации и поглощению газов.

Жидкотекучесть - это способность жидких металлов и сплавов течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить рельеф отливки. Жидкотекучесть сплава зависит от его физико-химических свойств (прежде всего - температуры ликвидус) и технологических факторов, прежде всего - температуры заливки. Для сплавов, затвердевающих при постоянной температуре (чистые металлы и эвтектические сплавы) или в узком интервале температур (до 30 °С), характерно последовательное затвердевание с образованием сплошной твердой корки на поверхности канала формы. Внутри этой корки остается жидкая фаза, способная затекать в канал. Сплавы с широким интервалом температур кристаллизации затвердевают с образованием разветвленных дендритов по всему сечению потока. Эти расплавы теряют способность течь в канале формы при наличии твердой фазы 20…30 % от объема. С повышением температуры перегрева сплава жидкотекучесть увеличивается.

Усадка - это свойство литейных сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. На величину усадки влияют, прежде всего, химический состав сплава, температура заливки и свойства литейной формы. С повышением температуры заливаемого сплава усадка отливки увеличивается. Различают линейную и объемную усадку. Линейная усадка - это уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры заливки до температуры окружающей среды:

е_лин =100•(l_ф - l_от)/ l_от,

где е_лин - линейная усадка, %;

l_ф и l_от - размеры полости формы и отливки при температуре 20 °С, мм.

Величина линейной усадки может варьироваться от 1 % у серого чугуна до 1,5…2 % у сталей и цветных сплавов.

Объемная усадка - это уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме:

е_об =100•(V_ф - V_от)/ V_от,

где е_об -объемная усадка, %;

V_ф и V_от - размеры полости формы и отливки при температуре 20 °С, мм.

Объемная усадка приводит к образованию в отливках усадочных раковин, усадочной пористости, трещин и короблений. Усадочная раковина сравнительно крупная полость, расположенная в местах отливки, затвердевших последними. Вначале кристаллизации чистых металлов, эвтектических сплавов и сплавов с узким температурным интервалом кристаллизации около стенок отливки образуется металлическая твердая корка (слой). Усадка жидкой фазы больше усадки твердой фазы, поэтому уровень расплава понижается. Послойное затвердевание расплава приводит к появлению усадочной раковины.

В результате усадки появляются пустоты. Если в отливке имеются различные по толщине части (например, ступенчатый клин), то вначале затвердевает самая тонкая часть. Образующаяся в ней усадочная пустота заполняется жидким металлом из средней части, которая охлаждается медленнее. Объемная усадка средней части клина питается жидким металлом из самой массивной его части, затвердевающей в последнюю очередь. Поэтому усадочные пустоты образуются обычно в толстых областях отливки. Для питания усадочной раковины в толстых частях отливки в литейной форме предусматривают дополнительные резервуары с расплавом - прибыли. Размеры и форму прибыли подбирают так, чтобы она затвердевала в последнюю очередь, поэтому прибыль должна быть массивнее самой толстой части отливки.

В период затвердевания отливки из металла выделяются газы, которые растворены в расплаве. В результате этого в отливке образуются газовая пористость или газовые раковины, значительно понижающие комплекс механических свойств отливки. Источником газовых раковин может быть и форма при недостаточной ее газопроницаемости и при выделении ею большого количества газов. Газовые раковины чаще всего образуются около поверхности горизонтально расположенных стенок отливки, а также в местах, где затруднен газоотвод.

Литейная оснастка

Технологическая оснастка литейного производства - средства технологического оснащения, дополняющие литейное технологическое оборудование для выполнения определенной части процесса получения отливок. К литейной оснастке по ГОСТ 17819-84 относятся литейные формы, стержни, модели и другие средства технологического оснащения.

Литейная форма - это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой жидким металлом формируется отливка. Основные требования, предъявляемые к литейным формам, следующие:

1) прочность - чтобы под действием напора расплава форма не только не разрушилась, но и не изменила размеры;

2) газопроницаемость - чтобы газы, находящиеся как в полости формы, так и в расплаве, могли удаляться (во избежание газовой пористости и газовых раковин в отливках);

3) стойкость к химическому взаимодействию с расплавом - чтобы обеспечить простоту извлечения и очистки отливок.

Литейный стержень - элемент литейной формы, предназначенный для образования отверстия, полости или иного сложного контура в отливке. Во многом благодаря применению стержней при литье возможно получение заготовок самой сложной конфигурации. Стержни, как и формы, могут быть разовыми и многократными, целиковыми и сборными.

Литниковая система - система каналов и устройств для подвода в определенном режиме жидкого металла к полости литейной формы, отделения неметаллических включений и обеспечения питания отливки при затвердевании.

Основными элементами литниковой системы являются (рисунок 3.1, а): литниковая чаша 9 - элемент литниковой системы (ЭЛС) для приема струи жидкого металла и направления его движения в стояк 8 или непосредственно в литейную форму (для мелких отливок применяют литейные воронки); шлакоуловитель 12 - ЭЛС для задержания шлака и других неметаллических включений из потока заливаемого металла; питатель 13 - ЭЛС, примыкающий непосредственно к рабочей полости литейной формы для подвода расплава; выпор 5 - ЭЛС для вывода газов из полости литейной формы, наблюдения за заполнением литейной формы расплавом и для питания затвердевающей при усадке отливки жидким металлом. Прибыль - ЭЛС для питания отливки жидким металлом в период затвердевания и усадки.

Литниковые системы имеют разнообразное строение. В зависимости от применяемых сплавов и способов литья они могут быть горизонтальными и вертикальными, верхними и сифонными, по разъему литейной формы и вне разъема. При литье в разовые формы литниковая система выполняется при формовке. Для этого обычно используются модели элементов литниковой системы, которые собираются с моделями отливок и заформовываются вместе с ними. При литье в металлические формы элементы литниковой системы выполняются в форме в процессе ее изготовления литьем или обработкой резанием.

Для изготовления разовых форм применяются литейные модели, обеспечивающие образование в форме отпечатка, соответствующего конфигурации и размерам отливки. Чтобы получить отливку заданных размеров и качества, наружные размеры модели увеличивают на величину припусков на обработку резанием и линейную усадку, предусматривают скругления углов (галтели), формовочные уклоны и пр. Модели изготавливаются из дерева, пластмасс или металлических сплавов и могут быть разъемными и неразъемными, разовыми и многократными.

1 - плоскость разъема формы; 2, 3 - литейные уклоны и радиусы; 4 - знаки; 5, 8 - верхняя и нижняя полумодели; 6, 7 - базирующие элементы; 9 - стержень; в-н - направление «верх» и «низ» по отношению к плоскости разъема полуформ

Рисунок 3.2 - Эскизы детали и модели

Общая технология литья

Технология литья представляет собой совокупность большого количества отдельных процессов литейного производства, которые можно объединить в четыре этапа.

1. Технологическая подготовка процесса изготовления отливки. На основании конструкторской (чертеж детали, технические требования, условия работы детали в узле) и технологической документации (величина партии, технологический маршрут обработки) осуществляется: выбор способа литья, разработка чертежа отливки, проектирование технологической оснастки (модель, стержни, литейная форма) разработка технологии, включая определение последовательности и технологических параметров отдельных процессов, операций и переходов.

2. Изготовление формы. На основании разработанных чертежей изготавливаются модель, стержни, необходимая технологическая оснастка. При литье в неметаллические формы наиболее ответственным и трудоемким процессом является формовка - изготовление литейных форм и стержней из формовочных и стержневых смесей. Чаще всего литейная форма - разъемная (состоит из двух частей), что позволяет получать большинство отливок. Разовые формы, как и стержни, изготавливают уплотнением формовочной (стержневой) смеси в опоках (стержневых ящиках). Готовые части формы (полуформы) и стержни поступают на операцию сборки форм, которая включает установку, соединение и закрепление литейных стержней в литейной форме и частей формы между собой. Параллельно с формовкой и сборкой в плавильном отделении литейного цеха производится плавка - получение расплава нужного химического состава и температуры.

3. Заливка форм и охлаждение металла отливок. Собранные формы при помощи ковша или литейной машины заливают расплавом. Температура расплава равна: t заливки = t ликвидус + (100…150) єС. Заполнение формы расплавом требует определенного времени, что ограничивает производительность литья в целом. Свойства отливок формируются в результате кристаллизации и охлаждения отливки в форме, когда происходят сложные процессы в литейном сплаве (усадка, выделение растворенных газов и пр.), в форме (нагрев и разупрочнение, деформирование и пр.) и на их границе (взаимодействие материалов отливки и формы). Влияя на эти процессы, можно существенно повысить качество отливок. Для этого используется воздействие центробежных сил, электромагнитных полей, ультразвука и т.д. После кристаллизации отливка должна охладиться в форме до определенной температуры, для чего в составе конвейеров и автоматических линий по производству отливок предусматривают охладительные ветви. Литье в металлические формы обеспечивает более быстрое охлаждение отливок, что увеличивает производительность и эффективность использования производственных площадей.

4. Извлечение из форм и обработка отливок. Охлажденная до заданной температуры отливка удаляется из формы, и из нее извлекаются стержни. При литье в разовые формы эта операция называется выбивкой, которая осуществляется на вибрационных решетках. Последующая обработка отливок включает операции, обеспечивающие выполнение заданных требований к отливкам, придание товарного вида. К этим операциям относятся: обрубка - отделение от отливок элементов литниковой системы, заливов по разъёму формы и неровностей поверхности. Осуществляется с помощью пневмомолотков (отливки из чугуна) и пневмозубил, резкой газом или плазмой (стальные отливки), абразивным и другим инструментом. Очистка поверхности отливок от пригара, остатков формовочной и стержневой смеси. Для очистки применяют такие способы, как галтовка, дробеметный, электрохимический и др. Во вращающихся галтовочных барабанах пригар удаляется за счет трения поверхностей отливок друг о друга и о дополнительно загружаемые звездочки из белого чугуна. При дробеметном способе поверхность отливки очищается под воздействием потока чугунной или стальной дроби диаметром 1-3 мм. Скоростной поток дроби создается с помощью сжатого воздуха (в дробеструйных установках) или вращающихся лопаток (в дробеметных установках). Наиболее высокое качество очистки как наружных, так и внутренних поверхностей отливок, достигается при электрохимическом методе. В этом случае отливки подвергаются электролизу в электролите из расплавленного технического каустика (NaOH) при напряжении 5…10 В и температуре 400…500 єС. Зачистка - механическая обработка поверхности отливок с целью приведения ее в соответствие с требованиями по качеству поверхности. При этом удаляются остатки питателей, заливы по плоскости разъема формы и у знаковых частей стержней. Зачистку чаще всего осуществляют с помощью шлифовальных кругов и на обрезных прессах. Термообработка отливок производится при необходимости повышения прочности (закалка), пластичности, обрабатываемости резанием, снятия внутренних напряжений (отжиг). В последнем случае, часто ограничиваются длительным вылеживанием отливок на складе. Контроль качества отливок предусматривает проверку соответствия продукции техническим условиям, включая отсутствие дефектов строения. Внешний осмотр позволяет выявить наружные дефекты (раковины на поверхности, сквозные трещины, перекос и т.д.). Точность размеров и шероховатость поверхности определяют с помощью мерительного инструмента (штангенциркулей, шаблонов, калибров) и специального оборудования (профилометров, координатно-измерительных машин). Для контроля структуры отливок применяют металлографию. С помощью неразрушающих методов контроля, таких как ультразвуковой, вихретоковый, рентгеновский, контролируют внутреннее строение металла. Ответственным процессом является определение химического состава, которое необходимо, как для контроля за ходом плавки литейных сплавов, так и для оценки качества конечной продукции. Наибольшее применение нашли такие методы, как термографический, спектральный и химический.

Способы литья

В промышленности применяют множество способов литья, которые можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто все виды литья делят на литье в разовые формы (литье в песчаные формы, в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и т.д.) и литье в многократные формы (литьё в кокиль, под давлением, центробежное литье).

Выбор способа литья определяется типом литейного сплава (легкоплавкий, тугоплавкий), объемом производства, заданными параметрами точности размеров и шероховатости поверхности получаемых отливок и другими факторами.

Литье в песчаные формы

Литье в песчаную форму (ЛПФ) - это литье металла, осуществляемое заливкой разовой литейной формы, изготавливаемой из песчаной формовочной смеси. ЛПФ получило наибольшее распространение, как наиболее дешевый и универсальный способ получения отливок.

Формовка - технологический процесс изготовления литейной формы. В зависимости от степени механизации различают формовку: ручную, машинную и автоматизированную. Ручная формовка - тяжелый и малопроизводительный процесс. Ее применяют в единичном и мелкосерийном производстве при изготовлении штучных отливок. В серийном производстве ее применяют для производства крупных и сложных отливок. Машинная и автоматизированная формовка применяется в серийном и массовом производствах.

Для получения отливки детали (рисунок 3.2) разрабатывают чертеж отливки. На чертеже указывают: литейные радиусы 3 и литейные уклоны 2; положение плоскости разъема 1 формы. Далее изготавливают модель, состоящую из двух симметричных частей (полумоделей) 5 и 8. Полумодели имеют знаки 4, предназначенные для получения полостей, в которые при сборке формы будут установлены знаковые части 4 стержня 9.

Формовка (рисунок 3.3) осуществляется путем уплотнения формовочной смеси 1 вокруг полумодели 3 в опоках 2. Для облегчения выхода газов накалывают вентиляционные каналы. Опокой называют формовочное приспособление в виде жесткой рамы для удержания формовочной смеси при изготовлении формы, заливке расплава и транспортировке. Опоку изготавливают из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Отверстие в отливке формируется стержнем, который изготавливается уплотнением стержневой смеси в стержневом ящике.

После изготовления второй полуформы и извлечения (протяжки) моделей осуществляются нанесение противопригарных составов на рабочие поверхности полуформ и сборка литейной формы (рисунок 3.3).

1 - формовочная смесь; 2 - опока; 3 - нижняя полумодель;

4 - трамбовка; 5 - модельная плита

Рисунок 3.3 - Изготовление нижней полуформы

При этом в нижнюю полуформу устанавливается стержень 6, верхняя полуформа устанавливается на нижнюю по сборочным штырям. После соединения полуформ в литейной форме образуется рабочая полость 4, соответствующая наружным очертаниям отливки. Для предотвращения раскрытия формы под действием давления жидкого металла, полуформы скрепляют болтами, скобами или грузами. Заливка литейной формы производится из ковша 11 до заполнения дальнего от стояка выпора 5 или прибыли. Жидкий металл заполняет полость формы по каналам литниковой системы и затвердевает в ней.

Специальные виды литья

Применение специальных видов литья позволяет повысить производительность труда, точность размеров, качество поверхности и механические свойства отливок. Это достигается за счет каких-либо принципиальных изменений технологии (способа формовки, заливки) или средств технологического оснащения (моделей, форм), что увеличивает себестоимость отливок. Поэтому каждый из этих способов имеет определенные области применения, в которых достигается наибольшая эффективность.

Литьё в оболочковые формы (ЛОФ)

ЛОФ основано на применении горячетвердеющих формовочных смесей со связующими из термореактивных смол. При нанесении смеси на горячую модельной плиту смола переходит из твердого в вязкотекучее состояние, воспроизводит очертания моделей и затем необратимо затвердевает, сохраняя полученную конфигурацию.

Технологический процесс изготовления оболочковых полуформ, осуществляемый на одно - и многопозиционных машинах, состоит из нескольких этапов. Вначале (рисунок 3.4, а) производится нагрев модельной плиты 3 до температур 200…250 °С и покрытие ее разделительным составом для предупреждения прилипания оболочки. Затем производится засыпка нагретой модельной плиты термореактивной смесью, состоящей из кварцевого песка и связующего - термореактивной смолы, например фенолформальдегидной. Для этого бункер 2 со смесью 1 накрывают модельной плитой и переворачивают на 180° (рисунок 3.4, б). Формовочная смесь нагревается, смола переходит в вязко-текучее состояние, и смесь воспроизводит очертания модели, образуя оболочку 5, которая через 20…30 с отверждается. Затем бункер переворачивают, и незатвердевшая смесь ссыпается в него, а оболочка толщиной 6…12 мм остается на модельной плите (рисунок 3.4, в). Окончательное отверждение полуформы происходит при нагревании ее на модельной плите в печи при 280…320 °С. При этом процесс поликонденсации смолы завершается, и полуформа приобретает заданную прочность. Оболочковая полуформа 6 снимается с модельной плиты при помощи толкателей.

а - подготовка; б - обсыпка; в - переворот; 1 - формовочная смесь; 2 - бункер; 3 - модельная плита; 4 -модель; 5 - оболочка; 6 - готовая полуформа

Рисунок 3.4 - Схема формовки при литье в оболочковые формы

Вторую полуформу получают аналогично на другой модельной плите. Затем производится склеивание полуформ и заливка формы расплавом.

К достоинствам ЛОФ относятся: минимальный брак отливок по горячим трещинам и газовым раковинам, т.к. после заливки формы и ее прогрева расплавом, термореактивная смола начинает разлагаться (при t > 450 °С), чем обеспечивается как незатрудненная усадка отливки так и отвод газов; простота механизации и автоматизации процесса; повышенная точность размеров (IT 13…14) и качество поверхности отливок (Rz 40…10 мкм). К недостаткам относятся: высокая стоимость и вредность термореактивных смол, сложность регенерации смесей.

ЛОФ традиционно получают ответственные отливки, прежде всего из чугуна, такие как ребристые цилиндры двигателей воздушного охлаждения, коленчатые и распределительные валы и др. Однако, в связи с вредностью и энергоемкостью процесса, его все чаще заменяют на литье в песчаные формы из холоднотвердеющих смесей.

Литьё по выплавляемым моделям (ЛВМ)

ЛВМ основано на применении моделей из легкоплавкого состава, которые после формовки выплавляются из формы (не извлекаются механически), что позволяет получать отливки наиболее сложной конфигурации с высокой точностью размеров.

Технологический процесс литья, осуществляемый на автоматических линиях, состоит из следующих этапов. Модели отливок 1 (рисунок 3.5, а) с элементами литниковой системы изготавливают в разъемной пресс-форме 2 запрессовкой в нее легкоплавкого модельного состава, например 50% парафина и 50 % стеарина.

Полученные звенья моделей собирают в блоки с моделью воронки пайкой, сваркой или механически на металлической оправке. Формовка осуществляется погружением моделей в жидкую формовочную смесь. Блок моделей 3 (рисунок 3.5, б) окунают в сосуд с огнеупорной суспензией, содержащей около 90 % тонко измельченного огнеупорного материала (кварцевого песка, корунда) и жидкого связующего (раствора гидролизованного этилсиликата). На поверхности модели образуется тонкий слой суспензии 4 (рисунок 3.5, в). С целью увеличения толщины этого слоя его обсыпают огнеупором 5 (рисунок 3.5, г). Для получения необходимой толщины формы нанесение суспензии и обсыпку производят несколько раз с промежуточной сушкой. Каждый слой высушивают горячим воздухом (рисунок 3.5, д). Просушенную форму помещают в сосуд с горячей водой (рисунок 3.5, е) или ванну с модельным составом и выплавляют модели. После выплавления модельного состава форму сушат на воздухе, а затем помещают в металлический контейнер (опоку) и засыпают снаружи песком, который уплотняют вибрацией, что повышает жесткость формы (рисунок 3.5, ж). Для упрочнения формы ее прокаливают в нагревательной печи 6 (рисунок 3.5, з). Одновременно происходит выгорание остатков модельного состава, которые могли бы привести к образованию газовых раковин в отливках. Раскаленная форма заливается расплавом 7 (рисунок 3.5, и). Высокая температура формы обеспечивает повышение жидкотекучести расплава и получение тонкостенных отливок сложной конфигурации. После кристаллизации расплава и охлаждения отливки форму разрушают. Остатки растрескавшейся керамической оболочки на поверхности отливки удаляют выщелачиванием в растворе едкого натра при температуре 120 °С.

а - изготовление модельных звеньев; б - сборка модельного блока; в - формовка окунанием; г - обсыпка огнеупором; д - сушка; е - выплавление моделей; ж - засыпка; и - прокаливание формы; к - заливка; 1 - модель; 2 - пресс-форма; 3 - блок моделей; 4 - слой суспензии; 5 -огнеупор; 6 - нагревательная печь; 7 - расплав

Рисунок 3.5 - Технология литья по выплавляемым моделям

К достоинствам ЛВМ относятся: Возможность получения отливок самой сложной конфигурации с тонкими стенками - от 1 мм, т.к. нет механического извлечения моделей, а заливка осуществляется в горячую форму. Высокая точность размеров (IT 8…11) и качество поверхности (Rz 40…10 мкм), т.к. нет механического извлечения моделей и используется мелкий огнеупор. Отсутствие перекосов в отливках (форма неразъемная).

К недостаткам процесса можно отнести: сложность технологического процесса и, соответственно, высокую стоимость отливок; возможность окисления, обезуглероживания поверхностного слоя, крупнозернистость; газонасыщенность отливок из-за низкой газопроницаемости формы.

ЛВМ применяют, прежде всего, при производстве небольших отливок сложной конфигурации из стали и тугоплавких сплавов. Способ особенно эффективен, если отливки по качеству поверхности и точности удовлетворяют предъявляемым к детали требованиям и нет необходимости в последующей обработке резанием. Этим способом получают коромысла клапанов двигателей, детали швейных машин, стрелкового оружия, ювелирные изделия, а также лопатки газотурбинных двигателей, измерительный и режущий инструмент.

Кокильное литье (КЛ)

КЛ (или литье в кокиль) - это литье, осуществляемое свободной заливкой многократной металлической формы. Главной особенностью КЛ является высокая скорость охлаждения отливок из-за большой теплопроводности формы, что имеет весьма разнообразные последствия (высокие механические свойства продукции, но пониженная стойкость самого кокиля; высокая производительность, но ограниченность минимальной толщины стенки и т.д.).

Изготавливаются кокили литьем из чугуна (СЧ20, ВЧ40 и др.) или стали (15Л, 20Л и др.) с последующей обработкой резанием (для повышения точности размеров и получения вентиляционной системы для вывода газов). Кокили бывают разъемные и неразъемные (вытряхные), с горизонтальным и вертикальным разъемом. Для получения отверстий и полостей используют стержни, чаще всего металлические, изготовленные из жаропрочных легированных сталей (30ХГС, 35ХГСА и др.). При сложной конфигурации отверстий и полостей применяют песчаные или разъемные металлические стержни.

Технология ЛК включает следующие операции: подогрев кокиля перед заливкой до 150…350 єC и нанесение защитного огнеупорного покрытия толщиной 0,3…0,5 мм (например, окиси цинка на жидкостекольном связующем при литье алюминиевых сплавов). При литье чугуна наносят достаточно толстый слой огнеупорной футеровки (футерованные кокили); сборка кокиля, включающая соединение его частей, установку стержней; заливка расплава через литниковую систему; кристаллизация и охлаждение отливок до заданной температуры; раскрытие кокиля, извлечение стержней и отливок.

К достоинствам ЛК относятся: комплекс высоких механических свойств отливок (прочности, пластичности, ударной вязкости) благодаря образованию мелкозернистой структуры из-за высокой скорости охлаждения расплава; повышенные точность размеров (IT 12…15) и качество поверхности отливок (Rz 80…10 мкм); высокая производительность в результате автоматизации и сокращения трудоемких операций смесеприготовления, формовки, очистки отливок.

К недостаткам процесса можно отнести: трудность получения тонкостенных отливок из-за высокой скорости охлаждения расплава и плохой заполняемости кокиля; из-за интенсивного охлаждения возможно появление нежелательных структурных изменений, например отбела в отливках из чугуна; высокие внутренние напряжения в отливках из-за большой разности температур по сечению отливки и неподатливости кокиля; относительно высокая стоимость кокиля.

Наиболее широко ЛК применяется для получения ответственных отливок из цветных сплавов (на основе алюминия, меди и др.) в серийном и массовом производстве, например головок блоков цилиндров, поршней и т.д. отливки из чугуна ЛК получают при необходимости искусственно вызванного отбела на поверхности и, соответственно, высокой износостойкости у прокатных валков, распределительных валов и др.

Литьё под давлением (ЛД)

ЛД характеризуется принудительным заполнением формы расплавом под избыточным давлением. Металлические формы для ЛД, называемые пресс-формами, имеют более сложную конструкцию и изготавливаются более тщательно, чем кокили. Формы и стержни для литья под давлением делают стальными. Применение песчаных стержней исключено, т.к. струя металла под давлением может их разрушить. Для осуществления процесса необходимо применение специальных машин, которые могут быть с вертикальной и горизонтальной, с горячей и холодной камерой прессования.

Принципиальная схема получения отливки на машине для ЛД с холодной горизонтальной камерой прессования поршневого типа приведена на рисунке 3.6.

1 - стержень, 2 - неподвижная половина пресс-формы: 3 - рабочая полость;

4 - ковш; 5 - расплав; 6 - камера прессования; 7 - поршень; 8 - подвижная половина пресс-формы; 9 - выталкиватель

Рисунок 6 - Схема литья под давлением

Технология литья под давлением обычно включает следующие операции: подогрев пресс-формы до 120…300 °С для снижения температурного перепада и повышения разгаростойкости; смазка - опрыскивание полости пресс-формы разделительным составом; соединение половин пресс-формы 2 и 8, установка стержня 1. Заливка расплава 5 в окно камеры прессования 6 и подача металла под давлением поршня 7 в полость пресс-формы 3 (запрессовка); кристаллизация и охлаждение металла до заданной температуры; извлечение стержня из отливки, раскрытие пресс-формы, извлечение отливки из формы с помощью выталкивателей 9.

Преимущества ЛД перед другими способами: Наиболее высокая для литья производительность (до 1000 отливок/час). Наиболее высокие точность размеров (IT 8…13) и качество поверхности отливок (Rz 10…40 мкм). Наименьшая толщина стенок отливок (от 0,4 мм для сплавов на основе цинка). Недостатки способа: Газовая пористость отливок (из-за быстрого заполнения формы и затрудненного выхода газов), что ведет к снижению плотности, механических свойств и ограничивает возможности упрочнения сплавов термообработкой. Прочность повышают путем армирования отливок - установки в пресс-форму стальных упрочняющих элементов, которые остаются в отливке. Габаритные размеры отливок ограничиваются усилием запирания пресс-формы (до 12,5МН). С увеличением температуры заливки резко снижается стойкость пресс-форм, которые выдерживают: 150…300 тыс. запрессовок при литье сплавов алюминия; 50…80 тыс. - магния; 5…10 тыс. - меди.

ЛД широко применяется в серийном и массовом производстве тонкостенных отливок из цветных сплавов. В машиностроении способ применяют для изготовления широкой номенклатуры корпусных отливок, в том числе в автомобилестроении - для блоков цилиндров, картеров, а также крышек генераторов и других армированных отливок. Для решения проблем газонасыщенности отливок применяют вакуумирование пресс-формы, регулирование состава газов в ней.

Центробежное литьё (ЦЛ)

ЦЛ - это литье, осуществляемое при заливке расплава в металлическую вращающуюся форму. При ЦЛ заливка и кристаллизация расплава происходит в поле действия центробежных сил, что благоприятно сказывается на строении и свойствах отливок.

Для центробежного литья применяют специальные формы - центробежные изложницы, изготавливаемые обычно из чугуна с внутренней огнеупорной облицовкой.

Достоинства ЦЛ: Высокое качество металла отливки из-за плотной структуры, отсутствия неметаллических включений и пористости. Способ характеризуется наиболее высоким технологическим выходом годного из-за отсутствия затрат металла на литниковую систему. Отсутствие стержней для оформления центральных отверстий ведет к существенной экономии.

ЦЛ чаще всего применяется для получения отливок из чугуна и медных сплавов в форме тел вращения: труб, втулок, колец и др., например, гильз цилиндров и поршневых колец двигателей.

Кроме описанных выше применяют много других специальных видов литья: литье под регулируемым давлением, вакуумным всасыванием, электрошлаковое и др., которые позволяют повысить качество отливок.

Практическое занятие № 4. Обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением (ОМД) - технологический процесс формоизменения металлического тела (заготовки) за счет пластической деформации под воздействием на тело внешних сил.

Все технологические процессы ОМД принято делить на процессы, завершающие металлургический цикл (прокатка, прессование, волочение), и процессы производства заготовок деталей и готовых деталей, применяемые в машиностроении (ковка, горячая штамповка, холодная и полугорячая объёмная штамповка, штамповка с локальным нагружением, листовая штамповка, а также накатка и другие специализированные процессы).

Прокатка

Прокатка - процесс пластической деформации заготовки между вращающимися валками с целью получения заданных форм, размеров и физико-механических свойств.

Прокатку принято делить на продольную и специальную. Специальные виды прокатки: поперечная, поперечно-винтовая, поперечно-клиновая, а также профилирование плоского проката (листов и лент).

Продольной прокатке подвергают до 75…80 % всей выплавляемой стали и большую часть сплавов цветных металлов. При продольной прокатке (рисунок 4.1) заготовка 1 подается к двум вращающимся в разные стороны валкам 2. Оси валков параллельны, заготовка движется поступательно.

Процесс поперечной прокатки осуществляют на двух (рисунок 4.2, а) или трех вращающихся в одну сторону валках 1. Заготовка 2 в виде прутка, кольца или трубы круглого сечения в процессе прокатки вращается в другую сторону. Оси валков и заготовки параллельны, в процессе прокатки обычно сближаются. Процесс поперечно-винтовой прокатки осуществляют на двух или трех (рисунок 4.2, б) косорасположенных валках, вращающихся в одну сторону. Оси валков могут пересекаться или скрещиваться. В процессе прокатки заготовка получает вращательное, противоположную по отношению к валкам сторону, и поступательное движение. Если сил трения для обеспечения захвата металла валками при поперечно-винтовой прокатке недостаточно, то к заготовке прикладывают осевое усилие или на начальном этапе, или на протяжении всего процесса прокатки. При прокатке в двух валках для устойчивости положения заготовки устанавливают направляющие холостые валки или направляющие линейки.

а - установившийся процесс; б - силы, действующие на заготовку в момент захвата; 1 - заготовка; 2 - валок; N - нормальная сила; Т - сила трения; R - равнодействующая сила; А-В - дуга захвата; б - угол захвата; в - угол трения; h_n-1, b_n-1 - толщина и ширина заготовки; h_n, b_n - толщина и ширина изделия; D - диаметр валка

Рисунок 4.1 - Схема продольной прокатки

а - поперечной в двух валках; б - поперечно-винтовой прокатки профиля переменного по длине сечения с пересекающимися осями валков; 1 - валок; 2 - заготовка; 3 - изделие; щВ - направление вращения валков; щЗ, VЗ - вращательное и поступательное движения заготовки; Р - осевая сила

Рисунок 4.2 - Схемы прокатки

Процесс поперечно-клиновой осуществляют двумя валками с клиновыми ручьями (рисунок 4.3), оси валков и заготовки параллельны. Валки вращаются в одну сторону, заготовка в другую. Заготовка кроме вращательного получает поступательное движение, ручьи обычно вытачивают не на валке, а на сменных сегментах, закрепленных на валках.

Продукция, получаемая прокаткой, называется прокатом. Перечень выпускаемого проката с указанием профиля, размеров и допусков на них называется сортаментом. Сортамент проката принято делить на четыре группы: сортовой прокат, плоский прокат, трубы и специальные виды проката.

1 - нижний валок; 2, 3 - клиновые ручьи; 4 - верхний валок; 5 - заготовка; n_В - направление вращения валков; n_З - вращательное движение заготовки

Рисунок 4.3 - Схема поперечно-клиновой прокатки

Продольной прокаткой получают сортовой, плоский и трубный прокат. Сортовой прокат имеет постоянное по длине сечение простой или сложной формы. Его, как правило, получают горячей прокаткой. К профилям простой геометрической формы относятся блюм, квадрат (сторона квадрата 6…250 мм и более), круг (диаметр 4…300 мм), прямоугольник (толщина 1…60 мм, ширина 10…600 мм), правильный многоугольник (в т.ч. шестигранник), треугольник, овал, полукруг, сегмент, ромб. Простой сортовой прокат может служить исходным материалом для прокатки фасонных профилей, волочения прутков и проволоки, заготовок для горячей и холодной объемной штамповки и для изготовления деталей обработкой резанием. Прямолинейный прокат называют прутком. Прокат в виде проволоки, свернутой в бухту, называют катанкой. Катанку выпускают диаметром от 4 до 35 мм, используют для получения деталей обработкой резанием, производства проволоки волочением, для объемной штамповки. Катанку диаметром до 35 мм применяют для горячей и холодной объемной штамповкой на автоматах, что позволяет, по сравнению с прутками, увеличить производительность, сократить технологические отходы, улучшить условия работы автомата. Катанку и прутки, подвергнутые одной или нескольким протяжкам для повышения точности размеров сечения и качества поверхности, называют калиброванным прокатом. Калиброванный прокат необходим для холодной объемной штамповки. Фасонные профили (уголок равнобокий и неравнобокий, швеллер, двутавр, тавр, рельс, зетовый профиль, колонный профиль) широко применяют в строительстве, машиностроении, в тракторо- и сельхозмашиностроении. Плоский прокат - листы, ленты и фольга (листы или ленты толщиной менее 0,1 мм). Листы выпускают горячекатаные и холоднокатаные. Ленты и фольга, как правило, холоднокатаные. Наибольшее применение для листовой штамповки кузовных и других деталей в автостроении имеют ленты и листы (в рулонах) холоднокатаные толщиной от 0,05…4 мм и шириной 200…2300 мм. Применение лент и рулонного проката обеспечивает повышение: производительности штамповочного оборудования; качества изделий и улучшение условий работы инструмента (за счет использования при прокатке современных средств повышения качества и точности проката); уменьшение технологических отходов. Трубы выпускают бесшовные горячекатаные и холоднокатаные с наружным диаметром 5…650 мм при толщине стенок от 0,5 мм (холоднокатаные) до 40 мм, также трубы сварные, свернутые из листа или ленты, с наружным диаметром до 2000 мм и более при толщине стенки до 15 мм. Трубы сварные значительно уступают по надежности в эксплуатации трубам бесшовным, но они дешевле, их сортамент в области больших диаметров значительно шире. Надежность в эксплуатации сварных труб может быть значительно повышена специальными видами обработки давлением. Заготовки для продольной прокатки бесшовных труб из стали получают горячей поперечно-винтовой прокаткой; из алюминия, меди, никеля, титана и сплавов на их основе - прессованием; из вольфрама, молибдена и других тугоплавких металлов и сплавов - методами порошковой металлургии.

Продольной прокаткой изготавливают ограниченное количество по массе и сортаменту профилей переменного по длине сечения. Поперечной прокаткой получают заготовки цилиндрических шестерен с зубьями (модуль 7…15 мм при горячей деформации, модуль 5…7 мм при холодной), а также бочкообразные ролики подшипников и другие детали с заданным внешним и внутренним профилем. Поперечно-винтовой прокаткой получают гильзы, сортовой прокат, круглые сплошные и полые переменного по длине сечения профили, в том числе периодический прокат, заготовки деталей в виде сплошных и полых тел вращения (специальный прокат).

Прессование

Прессование - выдавливание металла из замкнутой полости через отверстие в инструменте. Применяют ряд методов прессования. Основные методы: прямой и обратный. При прямом прессовании (рисунок 4.4, а) металл заготовки 3 выдавливается пуансоном 2 и пресс-шайбой 5 через отверстие матрицы 4. При получении полого профиля прямым прессованием (рисунок 4.4, б) металл выдавливается через зазор, образованный отверстием в матрице и иглой 6. При обратном прессовании усилие пресса передается через пуансон (4.4, в) на матрицу. Матрица перемещается относительно стенок контейнера. Металл заготовки выдавливается через отверстие матрицы, образуя изделие 7. Аналогично осуществляется обратное прессование полого профиля.

При прямом прессовании направление движения пуансона и выдавливаемого металла совпадают. Отличительной особенностью прямого метода прессования является перемещение металла заготовки относительно стенок контейнера 1. Благодаря трению о стенки контейнера центральные слои металла опережают внешние. Это явление еще больше усиливается при охлаждении внешних слоев стенками контейнера. На некотором этапе прессования по центру со стороны пуансона (пресс-шайбы) образуется воронка, через которую в центральную часть изделия втягиваются поверхностные загрязненные окислами и смазкой слои, образуя так называемую пресс-утяжину. Наличие пресс-утяжины в изделии недопустимо. Поэтому прессование на этой стадии прекращают, годное изделие отделяют, а оставшийся в контейнере металл (пресс-остаток) направляется в переплавку.

а - прямое прессование сплошного профиля; б - прямое прессование полого профиля; в - обратное прессование сплошного профиля; 1 - контейнер; 2 - пуансон; 3 - заготовка; 4 - матрица; - пресс-шайба; 6- игла; 7 - прессованное изделие; P - усилие прессования

Рисунок 4.4 - Схемы прессования

При обратном прессовании направление движения выдавливаемого металла и пуансона противоположны. Относительное перемещение металла заготовки и стенок контейнера, следовательно, контактное трение между металлом и стенками контейнера практически отсутствует. При обратном прессовании течение металла более равномерно, чем при прямом, из-за сокращения потерь на трение усилие меньше прессования уменьшается на 25…30 %, уменьшается величина пресс-остатка, но конструктивное оформление рабочего инструмента (матрицы, пуансона) при обратном прессовании сложнее, чем при прямом.

Прессованием получают прутки диаметром 3…250 мм, проволоку диаметром 1…6 мм, трубы диаметром 20...600 мм с толщиной стенки 1,0…1,5 мм и более, сплошные и полые профили. Прессованию подвергают цинк, олово, свинец, алюминий и алюминиевые сплавы, магний и магниевые сплавы, медь и медные сплавы, никель и никелевые сплавы, углеродистые и легированные стали, титан и титановые сплавы. При прессовании наибольшее распространение получили специализированные гидравлические горизонтальные и вертикальные прессы. Вертикальные прессы с номинальным усилием до 30 МН применяют, главным образом, при производстве труб, горизонтальные прессы изготавливают с номинальным усилием до 100 МН.

К прессовым инструментам относятся: игла, матрица, контейнер, пресс-шайба (в порядке повышения температуры при эксплуатации). Температура заготовки на поверхности контакта с инструментом при прессовании легких сплавов достигает 500 °С, меди и медных сплавов - 900 °С, сталей, никеля и титана - 1250 °С. Напряжения достигают 150 МПа. Для изготовления инструмента применяют жаропрочные штамповые стали типа 3Х2В8, 4ХВС, 5ХВС и др. Для увеличения стойкости матриц иногда применяют вставки из твердых сплавов. Большое влияние на силу прессования и стойкость матриц оказывает профиль рабочей части матрицы. Обычно применяют конические матрицы с оптимальным для данных условий углом наклона.

Прессование, как правило, производится в условиях горячей деформации. Исходной заготовкой обычно служит слиток цилиндрической формы или многогранник, полученный непрерывным литьем, реже применяется катаная заготовка. Обычно отношение длины к диаметру слитка равно 1,5…2 для полых профилей и 2…3 для сплошных. Оптимальная температура нагрева выбирается в зависимости от пластичности и сопротивления деформации металла, окисления поверхности, схватывания (сварки) металла с инструментом и т.д. Для выравнивания скоростей течения металла применяют подогрев контейнера, матрицы и пресс-шайбы до 200…300 °С и иглы до 350…400 °С. Перед прессованием рабочие части инструмента покрываются технологической смазкой. Применяют также плакирование (покрытие) заготовок пластичными металлами.

Преимущества прессования перед другими видами обработки

Возможность получения сплошных и полых профилей сложного сечения, которые не могут быть получены другими методами, применяемыми в технике, в том числе прокаткой. Переналадка пресса на новый профиль производится значительно быстрее, чем при прокатке, точность размеров профиля при прессовании выше, шероховатость поверхности меньше. Возможность получения тонкостенных бесшовных труб большого диаметра с малой разностенностью. Возможность обработки давлением металлов и сплавов с пониженной пластичностью (высокопрочные алюминиевые сплавы, бронзы, жаропрочные стали и сплавы и др.). Пластичность при прессовании увеличивается, т.к. металл находится в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Возможность высоких степеней деформации (92 % по сечению и более), что обеспечивает высокие механические свойства, в том числе вибропрочность и сопротивление усталости.

Недостатки прессования

Значительный износ инструмента, матриц и особенно игл, из-за больших контактных напряжений и температур, особенно при прессовании никелевых сплавов, сталей и жаропрочных сталей и сплавов. Высокая стоимость инструмента. Неравномерность механических свойств по длине прессованного изделия из-за неравномерности течения металла. Большие технологические отходы, особенно при прессовании труб большого диаметра. Отходы состоят из малодеформированного переднего конца профиля и пресс-остатка, который достигает при прямом методе 12…15 %, при обратном - 5…6 % от массы заготовки.

Волочение

Волочение - процесс протягивания обрабатываемой заготовки через постепенно суживающееся отверстие инструмента (волоки). При волочении площадь поперечного сечения уменьшается, приобретая постоянное сечение по всей длине. Напряжение в вытягиваемом конце обрабатываемого металла во избежание обрыва не должно превышать его предела текучести. Таким образом, для устойчивости процесса волочения необходим определенный запас прочности в сечении после волочения. Приложение растягивающего усилия уменьшает пластичность и ограничивает величину деформации за одну протяжку и от отжига до отжига в целом.

а - волочение проволоки, прутка, сплошного профиля; б - волочение трубы на оправке; 1- заготовка; 2 - волока; 3 - оправка; 4 - обойма (бандаж); P - усилие волочения

Рисунок 4.5 - Схемы волочения

Волочением получают: проволоку (рисунок 4.5, а) диаметром от 6 до 0,008 мм; прутки; сплошные и полые профили; трубы (4.5, б) с наружным диаметром 1…360 мм и менее и толщиной стенки 10...0,1 мм и менее, имеющие точные по размерам сечения и низкую шероховатость поверхности.

Заготовку для волочения получают прокаткой или прессованием; заготовка должна иметь форму сечения, подобную форме сечения готового изделия. Исходными материалами для волочения проволоки являются: проволока - катанка и прессованная проволока диаметром 5…9 мм, для волочения прутков и профилей - сортовой прокат и прессованные профили диаметром 5…150 мм, для волочения труб - трубы сварные диаметром 6…200 мм, бесшовные катаные диаметром 40…200 мм и менее и прессованные диаметром 20…400 мм и менее. При производстве проволоки и прутков из труднодеформируемых и тугоплавких металлов и сплавов (вольфрам, молибден и др.) заготовки получают ковкой в горячем состоянии на ротационно-ковочных машинах и ковочных автоматах.

Волочение производят, как правило, в условиях холодной деформации. Волочение проволоки из вольфрама, молибдена, нихрома и цинка производят в горячем состоянии. Из-за возможности обрыва (разрушения) под действием растягивающего усилия деформация при волочении относительно невелика. Отношение сечений до и после волочения в среднем составляет 1,25...1,3, а при прессовании достигает 100 и более. В связи с этим особое внимание уделяется повышению пластичности исходной заготовки и снижению усилия волочения. Это достигается применением термообработки (отжига) для снятия упрочнения, высоким качеством поверхности заготовки, применением высокоэффективных смазочных материалов, оптимальным профилем и малой шероховатостью поверхности рабочих участков инструмента.