Производство чугунных отливок

Совокупность технологических  операций по изготовлению литейных форм и стержней, способных выдержать  воздействие расплавленного металла  и сообщить ему свои очертания, называется формовкой. Основными операциями ручной формовки являются наполнение опоки формовочной смесью, уплотнение ее, извлечение модели и сборка формы. Формовка в опоках отличается большим разнообразием приемов, позволяющих обеспечить минимальные затраты труда и расходы при заданной серийности отливок. Формовку рабочей полости литейной формы выполняют с помощью модельного комплекта.

Неразъемные модели просты и дешевы в изготовлении и поэтому достаточно широко используются на практике. При использовании неразъемных моделей обеспечивается более высокая производительность, улучшаются условия труда, повышается размерная точность форм и т.п. Процесс изготовления литейной формы при этом объединяет определенную совокупность операций, которая рассмотрена ниже.

1. Для формовки нижней полуформы модель отливки 1 и опоку 3 устанавливают на подмодельную (подопочную) плиту 2 (рис.5, а) так, чтобы расстояние между стенкой опоки и моделью было не менее 25-30 мм.
2. Модель припыливают ликоподием или серебристым графитом, чтобы предотвратить прилипание к ней формовочной смеси.
3. Модель покрывают слоем просеиваемой через сито облицовочной смеси толщиной 15-20 мм для мелких отливок и 30-40 мм для крупных отливок (рис.5, б).
4. Оставшийся объем опоки заполняют наполнительной смесью в несколько приемов слоями толщиной 50-70 мм (рис.5, в).
5. Уплотнение засыпанной формовочной смеси ручной набойкой 4 (рис.5, г), а верхний слой - башмаком трамбовки 5 (рис.5, д).
6. Излишек смеси очищают линейкой 6 вровень с кромками опок, образуя поверхность, называемую контрландом, и накалывают на ней вентиляционные каналы, не доходящие до поверхности модели на 10-15 мм (рис.5, е).

Рисунок 5 - Технологический процесс формовки по неразъемной модели

7. Готовую нижнюю полуформу вместе с заформованной в ней моделью поворачивают на 180 градусов (рис.5, ж).
8. На нижнюю полуформу по центрирующим штырям 8 устанавливают верхнюю опоку 9 (рис.5, з).
9. Плоскость разъема присыпают мелким разъединительным песком с целью предотвращения слипания формовочной смеси нижней и верхней полуформ.
10. В верхней опоке устанавливают модели элементов литниковой системы (коллектора 10, стояка 11 и выпора 11).
11. В верхнюю опоку засыпают слой просеянной облицовочной смеси с таким расчетом, чтобы он закрыл поверхность модели (рис.5, и).
12. Весь объем верхней опоки заполняют наполнительной формовочной смесью.
13. Уплотнение засыпанной формовочной смеси ручной набойкой 4, а верхний слой - башмаком трамбовки 5.
14. Излишек смеси очищают линейкой 6 вровень с кромками опок и накалывают на ней вентиляционные каналы, не доходящие до поверхности модели на 10-15 мм.
15. Прорезают литниковую чашу и извлекают модель стояка и выпора.
16. Готовую верхнюю полуформу 13 снимают (рис.5, к), поворачивают плоскостью разъема вверх и осматривают.
17. Специальным подъемником 14 извлекают модель из нижней полуформы, предварительно слегка расталкивая ее для облегчения процесса извлечения (рис.5, л).
18. Специальным инструментом прорезают каналы питателей литниковой системы, соединяющей стояк и полость литейной формы.
19. Производят контрольный осмотр поверхности формы 15 и плоскости разъема, исправление поврежденных мест специальным инструментом (гладилками, ланцетами и т.п.) и очистку полости формы от остатков смеси (рис.5, м).
20. Производят сборку полуформ по центрирующим штырям и устанавливают груз 16 (рис.5, н).

Полученная в результате выполнения технологических операций отливка с литниковой системой показана на рис.5, о.

Формовка по разъемной  модели является наиболее распространенной для изготовления различных по конфигурации отливок. Наиболее часто применяют  модели с горизонтальной плоскостью разъема формы. Последовательность выполнения основных технологических  операций формовки в этом случае достаточно близка к формовке по неразъемной модели, рассмотренной в предыдущем разделе. Исключение составляют дополнительные операции, связанные с установкой и извлечением верхней полумодели, а также установкой стержня в форму (при его наличии).

Схема процесса и последовательность выполнения основных технологических  операций формовки в двух опоках по разъемной модели показаны на рис.6.

Рисунок 6 – Технологический процесс формовки по разъемной модели: а, б – нижняя и верхняя полуформы; в – собранная под заливку форма; г - отливка с литниковой системой; 1 и 2 – верхняя и нижняя опоки; 3 – вентилляционные каналы; 4 – литниковая чаша; 5 – стержень; 6 – стояк; 7 – груз; 8 – штыри.

Машинная формовка является в настоящее время основным способом изготовления литейных форм. При машинной формовке механизируются наиболее трудоемкие операции уплотнения формовочной смеси и извлечения модели из формы, а также ряд вспомогательных операций. В результате этого резко повышается производительность труда по сравнению с ручной формовкой, возрастает точность отливок по размерам и массе, облегчается труд, и улучшаются санитарно-гигиенические условия работы, сокращается производственный цикл изготовления отливки.

Процесс изготовления форм в парных опоках может быть практически полностью механизирован за счет механического дозирования подачи формовочной смеси, уплотнения с использованием специальных машин, и т.п. Наиболее распространенным методом машинной формовки является уплотнение прессованием. Этот метод заключается в придании смеси определенной плотности посредством приложения регламентированного усилия, передаваемого через прессовую колодку. На практике используют как верхнее, так и нижнее прессование (рис. 7). Выбор метода прессования определяется в зависимости от целого ряда технологических факторов. В ряде случаев прессование осуществляют одновременно с вибрационным воздействием. В результате этого смесь уплотняется равномернее, а процесс прессования происходит более эффективно и качественно.

Кроме метода прессования  в литейном производстве используются пескометные, пескодувные и пескострельные агрегаты, а также импульсные и вакуумные технологии уплотнения. Характерной особенностью такого рода технологических агрегатов является высокая степень их автоматизации, универсальность, маневренность, а также высокая производительность.

При нарушении технологической  дисциплины в отливке возможно образование  дефектов. В ГОСТ 19200-92 дефекты разделяют  на следующие группы:

• дефекты по несоответствию размеров (недолив, разностенность, перекос, коробление);
• несплошность металла отливки (горячие трещины, холодные трещины, газовая пористость, усадочная раковина, усадочная пористость и др.);
• несоответствие металла отливок требованиям (состав, ликвация, отбел);
• наличие включений (металлических, неметаллических и др.).

Рисунок 7 – Методы верхнего (а) и нижнего (б) прессования при машинной формовке: 1 – неподвижная траверса; 2 – подмодельная плита; 3 – модель; 4 – опока; 5 – наполнительная рамка; 6 – прессовая колодка; 7 – прессовый стол.

Дефекты в общем случае делят на две группы - неисправимые и исправимые. Отливка с неисправимыми (обычно крупными) дефектами идет на переплавку. Исправимые (обычно мелкие) дефекты устраняют.

Наиболее распространенными  дефектами являются раковины и трещины. Газовые раковины – пузыри воздуха или газов, которые остались в теле отливки после ее затвердевания в форме. Газовые раковины образуются из-за недостаточной газопроницаемости и повышенной влажности формовочных смесей, плотной набивки смеси в форме, низкой температуры заливаемого металла, неправильной конструкции литниковой системы. Песчаные раковины образуются из-за разрушения или обвала отдельных частей формы при заливке металла.

Усадочные раковины – открытые или закрытые полости в теле отливки, имеющие неровную внутреннюю поверхность. Они могут образовываться при неправильном подводе металла расплава в полость формы или слишком высокой температуре расплава.

Усадочные трещины – разрывы тела отливки в местах небольшой толщины и значительной длины, в местах значительного перепада толщин. Холодные трещины образуются вследствие внутренних напряжений, возникающих из-за различий в скорости охлаждения тонких и толстых мест отливки.

Горячие трещины образуются в процессе формирования отливки при высокой температуре металла и потому имеют темную окисленную поверхность. Причины – плохое раскисление расплава, низкая податливость стержней, а также ранняя выбивка отливок из формы.

3. Специальные способы производства отливок

3.1 Кокиль. Литье  в кокиль

К специальным способам производства отливок обычно относятся такие  способы, которые отличаются от литья  в разовые песчаные формы по одному или нескольким следующим признакам: конструкция литейной формы; материал, из которого выполнена литейная форма; использование внешних вынуждающих  воздействий при заполнении литейной формы и в ходе затвердевания  отливок и др.

Кокилем называют металлическую литейную форму (из чугуна, стали и пр.), полость которой заполняется расплавом под действием силы тяжести или регулируемого давления. К достоинствам кокильного литья относят:

• возможность многократного использования кокилей (до нескольких десятков тысяч раз при литье алюминиевых сплавов и нескольких сотен заливок при литье чугуна и стали);
• повышенная точность размеров, следствием чего является снижение объема обработки резанием и повышение коэффициента использования металла по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы;
• улучшение механических свойств металла отливок, особенно в поверхностном слое;
• высокая производительность труда и снижение стоимости изготовления отливок;
• сокращение потребности в производственных площадях и улучшение условий труда (уменьшение пыле- и газовыделений);
• сокращение трудоемких и энергоемких операций очистки отливок, подготовки формовочных материалов и приготовления смесей, их транспортирования и пр.;
• широкие возможности комплексной механизации и полной автоматизации процесса литья.

К недостаткам кокильного литья обычно относят:

• трудоемкость и сравнительно высокую стоимость изготовления кокилей;
• быстрое (и не всегда желательное) охлаждение расплава при заполнении им металлической формы;
• резкое снижение стойкости кокилей по мере увеличения массы отливок.

3.2 Литье под давлением

При литье под давлением металлическая форма, называемая пресс-формой, заполняется расплавом под действием внешней силы, превосходящей силу тяжести, а затвердевание в ней отливки происходит под избыточным давлением. Последнее создают с помощью поршня в камере прессования, которая соединена с полостью пресс-формы.

Наиболее широко литье  под давлением используют при  изготовлении тонкостенных, в том  числе сложных по конфигурации отливок  из алюминиевых сплавов массой от нескольких граммов до 8-10 кг.

К преимуществам этого  метода литья можно отнести все  позиции, перечисленные в предыдущем разделе, а также улучшение условий заполнения литейной формы металлом и снижение усадочной пористости отливок.

К недостаткам метода помимо ограничений в выборе литейных сплавов, сложности изготовления и высокой стоимости пресс-форм, а также машин, обычно относят:

• возможность замешивания воздуха в расплав из-за высоких скоростей его движения и затрудненностью отвода воздуха из формы;
• неравномерность затвердевания различных зон отливки, вследствие их разного удаления от источника воздействия;
• ограниченность в выборе конфигурации отливок в связи с применением извлекаемых металлических стержней.

3.3 Литье в оболочковые формы

Способ литья  в оболочковые формы основан на получении разовых полуформ и стержней в виде оболочек толщиной 6-10 мм. Их изготавливают путем отверждения на металлической оснастке слоя смеси, в которой связующее вещество при нагреве вначале расплавляется, а затем затвердевает (необратимо), придавая оболочке высокую прочность.

Технология литья в  оболочковые формы включает ряд  операций, выполнение которых при  литье данным способом имеет ярко выраженные особенности. К ним относятся: приготовление специальной песчано-смоляной смеси; формирование на модельной оснастке тонкостенных оболочковых форм и  стержней; сборка форм и их подготовка к заливке. Для приготовления  оболочковых форм выпускают специальное  связующее, представляющее собой смеси  фенолформальдегидной смолы с катализатором  отверждения смолы, вводимым в количестве 7-8%.

Предварительное формирование оболочки наиболее часто производят, используя поворотный бункер 1, в  который засыпают песчано-смоляную смесь 2 (рис. 8, а). На верхнюю часть бункера, снабженную кольцевым каналом 3 для подачи охлаждающей воды, устанавливают моделями вниз и закрепляют нагретую до 200-240 ^oС металлическую модельную плиту 4. На ней закреплена с помощью четырех направляющих колонок 5 плита 6 толкателей 7.

Толкатели, равномерно распределенные по всей плите, выходят на рабочую  поверхность, как модели, так и  модельной плиты. Их фиксируют специальными хвостовиками в гнездах плиты 6 и закрепляют в ней прижимной плитой 8. Модельная плита с выталкивающим устройством помещена в корпус 9. Для фиксации плиты толкателей в исходном положении на направляющих колоннах 5 установлены пружины 10.

Рисунок 8 – Технология литья в оболочковые формы

Для предварительного формирования оболочки бункер 1, снабженный цапфами 11 и поворотным механизмом, поворачивают на 1800, и формовочный материал падает на горячую модельную плиту (рис.8, б), уплотняясь под действием гравитационных сил. В прилегающем к плите  слое смеси смола плавится (при  температуре 95-115 ^oС), смачивая зерна песка, а затем начинает полимеризоваться, загустевая и отверждаясь по мере прогрева до более высокой температуры. За 30-40 с выдержки смола успевает оплавиться в слое толщиной около 10 мм.