Литейное производство в современной России

-  -

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Камская государственная  инженерно-экономическая академия

РЕФЕРАТ

на тему: «Литейное производство в современной России.»

Выполнил:

Студент гр. 4131

Хасанов И. А.

Проверил:

Козин В.А

Набережные  Челны 2009. 
Содержание

1. Сущность литейного производства и его развитие

Литейным производством  называют процессы получения фасонных изделий (отливок) путем заливки  расплавленного металла в полую  форму, воспроизводящую форму и размеры будущей детали. После затвердевания металла в форме получается отливка — заготовка или деталь. Отливки широко применяют в машиностроении, металлургии и строительстве.

Можно получать отливки  различной массы (от нескольких граммов  до сотен тонн), простой и сложной формы из чугуна, стали, сплавов меди и алюминия, цинка и магния и т.д. Особенно эффективно применение отливок для получения фасонных изделий сложной конфигурации, которые невозможно или экономически нецелесообразно изготавливать другими методами обработки металлов (давлением, сваркой, резанием), а также для получения изделий из малопластичных металлов и сплавов.

При всем разнообразии приемов  литья, сложившихся за длительный период развития его технологии, принципиальная схема технологического процесса литья практически не изменилась за более чем 70 веков его развития и включает четыре основных этапа: плавку металла, изготовление формы, заливку жидкого металла в форму, извлечение затвердевшей отливки из формы.

До середины нашего столетия литейный способ считался одним из важнейших методов получения фасонных заготовок. Масса литых деталей составляла около 60 % от массы тракторов и сельскохозяйственных машин, до 70 % — прокатных станов, до 85 % — металлорежущих станков и полиграфических машин. Однако наряду с такими достоинствами литейного производства, как относительная простота получения и низкая стоимость отливок (особенно из чугуна), возможность изготовления сложных деталей из хрупких металлов и сплавов, он имеет и ряд существенных недостатков: прежде всего довольно низкая производительность труда, неоднородность состава и пониженная плотность материала заготовок, а следовательно, и их более низкие, чем заготовок, полученных обработкой давлением, прочностные характеристики.

За годы XI пятилетки  в СССР значительно возрос выпуск литейного оборудования. Освоено производство автоматических линий формовки, заливки и выбивки отливок, созданы комплекты современного смесеприготовительного оборудования, освоен выпуск целой гаммы машин для специальных способов литья, существенно возрос уровень механизации и автоматизации технологических процессов.

Основными направлениями  экономического развития СССР на период до 2000 года предусматривается значительное ускорение развития машиностроения. Немалый вклад в решение поставленных задач может внести реконструкция и модернизация литейного производства, замена устаревшего оборудования высокопроизводительными литейными автоматами и полуавтоматами, робототехническими комплексами. Большой резерв экономии металла, снижения материалоемкости продукции машиностроения состоит в увеличении доли литья из легированных сталей и высокопрочного чугуна, а также точного литья, получаемого специальными способами.

Основными технико-экономическими показателями работы литейных цехов  являются: годовой выпуск отливок  в тоннах; выпуск отливок на одного работающего (производственного); съем литья с 1м² производственной площади цеха; выход годного металла (в процентах от массы металлозавалки и жидкого металла); доля брака литья (в процентах), уровень механизации; доля литья, получаемого специальными способами; себестоимость 1т литья.

В структуре себестоимости  литья основную долю составляют затраты  на металл (до 80%). Производя технико-экономический анализ литейного производства, особое внимание необходимо обращать на те стадии и элементы технологического процесса, которые непосредственно связаны с возможными потерями металла на угар, разбрызгивание, брак и т. п.

Себестоимость литья  зависит от объема производства, уровня механизации и автоматизации технологических процессов.

2. Литье в разовые песчано-глинистые формы

Литье в разовые песчано-глинистые  формы является наиболее распространенным и относительно простым способом получения отливок. Разовые песчано-глинистые формы могут быть приготовлены либо непосредственно в почве (в полу литейного цеха) по шаблонам, либо в специальных ящиках-опоках по моделям. В почве получают отливки крупногабаритных деталей (станин, колонн и т.д.), более мелкие отливки обычно получают в опочных формах.

Внешнее очертание отливок  соответствует углублениям формы, отверстия получают за счет стержней, вставляемых в полость формы.

Технологический процесс  производства отливок в опочных  формах (рис.1) состоит из трех стадий: подготовительной, основной и заключительной.

Модельная оснастка, изготовленная  в модельных цехах, представляет собой приспособления, с помощью которых изготовляют формы и стержни. К оснастке относятся модели деталей, подмодельные щитки, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и опоки.

Модели (рис.2, а) служат для  получения полости в земляной форме, которая по размерам и внешним очертаниям соответствует будущей отливке. Так как металл после затвердевания усаживается (уменьшается в объеме), размеры модели делают несколько большими.

Изготовляют модели из дерева, пластмассы или металла. Выбор материала  зависит от условий производства и требований, которые предъявляют к отливке в отношении точности размеров и чистоты поверхности. Для того чтобы модели легко извлекались из формы, их делают с формовочными уклонами и часто разъемными, из двух и более частей, легко скрепляемых при помощи шипов.

Для получения отливок  с отверстиями или углублениями на моделях в соответствующих местах предусматривают выступы — стержневые знаки, которые оставляют в форме отпечатки для установки стержней. Место, занимаемое в форме стержнем, не заполняется металлом и в отливке после удаления стержня образуется отверстие или углубление. Стержни изготовляют из особой стержневой смеси, набивая ее вручную или машинным способом в стержневые ящики (рис.2, б). При этом учитывают изменение размеров отливки при затвердевании металла. Размеры стержней должны быть меньше отверстий на величину усадки металла. В зависимости от сложности изготовления стержневые ящики делают цельными и разъемными. При небольших партиях стержней ящики делают из дерева, в массовом производстве, особенно при повышенных требованиях к точности литья, применяют металлические ящики (чугунные или из алюминиевых сплавов).

Модели литниковой системы  предназначены для образования  в форме каналов и полостей, служащих для подачи металла, задержки шлака и выхода воздуха из полости формы (рис.2, в). Устройство литниковой системы обеспечивает спокойное, безударное поступление металла в форму, предохраняя ее от повреждения.

Подмодельные щитки-плиты  служат для размещения на них моделей  и установки опоки при изготовлении литейной формы вручную.

В массовом производстве при машинной формовке эффективно применение тщательно обработанных деревянных или металлических модельных  плит с прочно укрепленными на них  или выполненными за одно целое, моделями деталей и элементами литниковой системы (рис.2, г).

Опоки — деревянные или  металлические рамки, каркасы, основное назначение которых состоит в удерживании песчано-глинистой смеси, обеспечении достаточной прочности и жесткости формы при ее изготовлении, транспортировке и заливке металла.

Формовочные и стержневые смеси в основном состоят из кварцевого песка определенной зернистости  и жароупорности.

Рис.1 Технологический  процесс производства отливок в  опочных формах

Формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью и газопроницаемостью, а формы и стержни, изготовленные из них,— достаточной прочностью. Эти свойства достигаются добавкой к основному материалу глины, льняного масла, декстрина, жидкого стекла, а также деревянных опилок или торфяной крошки. Увлажненная глина добавляется как связующее вещество.

Опилки, торфяная крошка, выгорая после заливки металла  в формы, образуют дополнительные поры, увеличивающие газопроницаемость смеси.

Рис.2 Модельная оснастка:

а – модель детали; б  – стержневой ящик; в – модель литниковой системы; 
г – подмодельная плита; д – опока.

Масляные крепители (олифа, льняное масло) обычно добавляют  в стержневые смеси, которые должны обладать более высокой, по сравнению с формовочными, прочностью. Приготовление формовочных и стержневых смесей производится в землеприготовительных отделениях литейного цеха и включает операции предварительной подготовки (подсушивания, помола), дозирования исходных материалов и тщательного перемешивания их до получения однородного состава. В современных литейных цехах эти операции механизированы. Приготовленные смеси подвергают вылеживанию в бункере для более равномерного распределения влаги, а затем после разрыхления и контроля полученных свойств, транспортируют к рабочим местам формовщиков.

По назначению формовочные  смеси подразделяют на облицовочные, наполнительные и единые. Облицовочные смеси, непосредственно соприкасающиеся с жидким металлом, приготавливают из более качественных свежих материалов. Наполнительной служит бывшая в употреблении (горелая) смесь. В массовом производстве формы изготовляют из единой смеси, материалом для которой является бывшая в употреблении смесь со свежими добавками песка, глины, крепителей и пр.

Изготовление стержней может производиться набивкой стержневой смеси в ящик и трамбовкой вручную или машинным способом. Машинное приготовление стержней осуществляется на прессовых, встряхивающих, пескометных и других стержневых машинах. В массовом производстве стержни изготовляют на поточных линиях, состоящих из стержневых машин, сушильных печей и различных транспортирующих устройств. Отформованные сырые стержни сушат при температуре 160...300 °С в сушильных печах или камерах для придания им высокой прочности.

В последнее время  на большинстве заводов применяется  метод изготовления стержней из быстросохнущих смесей на жидком стекле. Сушка или химическое твердение стержней в этом случае достигается продувкой их углекислым газом в течение двух-трех минут. На некоторых заводах внедрена скоростная сушка стержней с помощью токов высокой частоты.

Применение указанных  методов сушки способствует сокращению производственного цикла изготовления отливок в 2...5 раз, увеличению съема отливок с Гм² производственной площади цеха, снижению расходов на транспорт и энергию.

Рис.3 Технологический процесс формовки втулки

Формовка — наиболее сложная и трудоемкая операция производства отливок в разовых песчано-глинистых  формах. Трудоемкость изготовления литейных форм составляет 40...60 % от общей трудоемкости получения отливок.

В условиях массового и крупносерийного производства мелких и средних по массе отливок применяется машинная формовка. Ручная формовка находит применение в индивидуальном и мелкосерийном производстве, а также при производстве крупных отливок. Понятие «ручная формовка» несколько устарело, так как многие работы (подача формовочной смеси, трамбовка, извлечение моделей, поворот и перемещение опок) в настоящее время механизированы.

Рассмотрим последовательность ручной формовки для отливок детали типа втулки.

На подмодельный щит 3 (рис.3, а) укладывается половина модели 2 и устанавливается нижняя опока, затем сквозь сито 4 на поверхность модели наносится противопригарный припыл — древесно-угольная пыль, графитовый порошок (рис.3, б). Лопатой 5 наносят на модель облицовочную формовочную смесь, а затем засыпают всю опоку наполнительной формовочной смесью (рис.3, в). Ручной или пневматической трамбовкой 6 уплотняют смесь (рис.3, г), сгребают ее остатки и накалывают душником (шилом) 7 отверстия для лучшего выхода газов (рис.3, д). Затем нижнюю опоку с заформованной моделью переворачивают на 180° устанавливают вторую половину модели 8 и верхнюю опоку 9 (рис.3, е). После установки моделей литниковой системы 10 в той же последовательности заформовывают верхнюю опоку (рис.3, ж). По окончании формовки опоки разнимают, осторожно удаляют модели, поправляют обрушившиеся места формы припыливают ее изнутри и, уложив в нижнюю полуформу на место знаков 11 стержень 12 (рис.3, з), вновь устанавливают верхнюю полуформу на нижнюю и скрепляют их при помощи болтов, струбцин или просто придавливают грузом, чтобы предотвратить прорыв металла по плоскости разъема формы. В таком виде литейная форма готова для заливки металла.

Для получения крупных  отливок полуформы перед сборкой  сушат при температуре 350 °С в течение 6...20 ч в зависимости от габаритов формы.

Машинная формовка экономически целесообразна в условиях серийного  и массового производства, когда  формовочные машины загружены в  течение не менее 40...60 % рабочего времени. Однако опыт передовых заводов нашей страны показывает, что машинная формовка экономически оправдывает себя и в индивидуальном производстве, если применяются быстросменные модельные плиты. В этом случае смена моделей производится за 1,5...2 мин, т.е. за короткое время можно перестраиваться на получение новых отливок.

Сущность машинной формовки заключается  в механизации основных операций: установки модельных плит и опок, наполнения опок формовочной смесью, уплотнения смеси и удаления моделей из форм. Отдельные конструкции формовочных машин позволяют также механизировать некоторые вспомогательные операции: поворот опок, снятие готовых полуформ со стола машины, передачу их на сборку и т. п.

По способу уплотнения смеси  формовочные машины делятся на прессовые, встряхивающие, пескометные (рис.4) и комбинированные (встряхивающие с подпрессовкой или прессовые с вибратором).

Прессовые машины являются наиболее простыми и производительными, но дают неравномерное уплотнение смеси  по высоте опоки, встряхивающие машины менее производительны, но в сочетании с подпрессовкой позволяют более равномерно уплотнять землю даже в высоких и больших по площади опоках. Пескометы применяют для набивки средних и крупных опок. Они отличаются большой производительностью (до 50...70 м³/ч) и обеспечивают наиболее равномерное уплотнение земли по высоте опоки.

Формовочные машины, объединенные транспортными  устройствами с другими машинами и механизмами, позволяют создавать поточные (механизированные, полуавтоматические и автоматические) участки формовки.

Рис.4 Формовочные машины:

а – прессовые; б –  встряхивающие; в – пескометные.

Машинная формовка не только облегчает  труд рабочих-формовщиков, но и дает возможность повышать производительность труда, получать более точные отливки с меньшими припусками на механическую обработку, снижать брак.

В общей трудоемкости изготовления отливок на процессы плавки и заливки  металла в формы приходится около 7...10 %. Тем не менее, эти процессы являются особо ответственными, так как оказывают решающее влияние на качество и себестоимость отливок.

Важнейшими литейными сплавами являются чугун (серый, высокопрочный), сталь (углеродистая, легированная), медные сплавы (бронза, латунь), алюминиевые, магниевые, цинковые сплавы и др.

Наилучшим комплексом литейных свойств  обладают серый чугун, бронза, сплавы алюминия с кремнием (силумины). Плавка чугуна производится преимущественно в вагранках и шахтных печах. Вагранка представляет собой вертикальную шахту-печь непрерывного действия, работающую на литейном каменноугольном коксе и воздушном дутье. Производительность вагранки в зависимости от ее размеров составляет 1...30 т/ч, максимально достижимая температура— 3400...1420 °С. Интенсификация процесса плавки в вагранке осуществляется применением горячего (400...500 °С) дутья воздухом, обогащенным кислородом.

В последнее время получили распространение  коксогазовые и газовые вагранки, которые позволяют еще более повысить технико-экономические показатели процессов за счет улучшения качества металла, лучшего использования шихтовых материалов и снижения продолжительности плавки.

Индукционные печи для выплавки чугуна, работающие на токах промышленной частоты, являются наиболее перспективными плавильными агрегатами. Их применение позволяет выплавлять чугун однородного состава с высокими механическими свойствами и тем самым значительно снизить массу отливок. Высокая температура нагрева в индукционных печах дает возможность использовать недорогостоящие стальные отходы и путем науглероживания их получать чугун необходимого химического состава.

В цехах крупного и среднего литья из углеродистой и низколегированной стали (частично высоколегированной) применяются кислые и основные мартеновские печи емкостью до 80 т, Для получения мелких и средних отливок из углеродистой и низколегированной стали используются электродуговые печи, для неответственных отливок — малые бессемеровские конвертеры, чугун в которые поступает из вагранок. В цехах особо ответственного стального литья применяются индукционные высокочастотные печи и установки электрошлакового переплава.

Сплавы цветных металлов в зависимости от их свойств (температуры плавления, химической активности и т, п.) и масштабов производства плавятся в тигельных печах, пламенных и электрических отражательных печах, индукционных, вакуумно-дуговых, вакуумных электронно-лучевых печах.

Все плавильные агрегаты, применяемые  в литейном производстве, должны отвечать определенным общим требованиям: обеспечивать необходимую для расплавления и перегрева металла температуру, обладать достаточной производительностью, быть экономичными (минимальный расход топлива и энергии на 1т жидкого металла и минимальный угар металла), более или менее надежно предохранять расплавленный металл от загрязнения газами и неметаллическими включениями.

На участок заливки форм расплавленный  металл подается в разливочных ковшах различной вместимости.

Качество отливок во многом зависит от соблюдения правил заливки. Металл в форму заливают плавно, непрерывной струей до тех пор, пока он не покажется в выпорах и прибылях. Температура заливки всегда выше температуры плавления сплава, однако, перегрев его должен быть минимальным для обеспечения хорошего заполнения формы. При слишком высокой температуре заливки происходит обильное газовыделение, формовочная смесь пригорает к поверхности отливки, увеличивается ее усадка. Контроль температуры заливаемого металла осуществляется оптическими пирометрами или термопарами.

После затвердевания  и охлаждения до определенной температуры, при которой отливки приобретают достаточную механическую прочность, производится выбивка их из форм; стержни выбиваются позднее, после дополнительного охлаждения отливок.

Выбивка отливок —  одна из самых тяжелых операций литейного  производства, сопровождающаяся большими выделениями теплоты и пыли. По трудоемкости операции выбивки, обрубки и очистки составляют 30.. .40 % от общей трудоемкости изготовления отливок.

Сущность процесса выбивки  заключается в разрушении формы, освобождении отливок от окружающей их формовочной земли. В современных литейных цехах процесс выбивки механизирован и осуществляется на различных вибрационных машинах, чаще всего, на встряхивающих решетках. Формовочная смесь проваливается через решетку, попадает на ленточный конвейер и транспортируется в формовочное отделение для повторного использования.

После выбивки производится обрубка и очистка отливок. Обрубка  заключается в отделении от отливок прибылей, выпоров и заливов.

Обрубка — тяжелая  операция, трудно поддающаяся механизации. Ее производят с помощью пневматических зубил, ленточных и дисковых пил, прессов, газовой резки.

Очистка отливок, осуществляемая после обрубки, заключается в  удалении пригара формовочной земли (корки), окалины, мелких заусениц. Основная цель очистки — уменьшение трудоемкости последующей механической обработки и снижение интенсивности изнашивания режущего инструмента. Очистку отливок от пригоревшей земли и окалины производят во вращающихся (галтовочных) барабанах, на пескогидравлических и дробеметных аппаратах, а также химической и электрохимической обработкой внутренних поверхностей отливок, труднодоступных при других способах очистки.

Зачистка мелких заусениц, неровностей, оставшихся после обрубки, производится на переносных и стационарных шлифовальных станках крупнозернистыми абразивными кругами.

Перед отправкой в  механические цехи стальные отливки  обязательно подвергаются термической обработке — отжигу или нормализации—для снятия внутренних напряжений и измельчения зерна металла. В отдельных случаях термической обработке подвергаются отливки и из других сплавов.

Брак может возникать  по различным причинам на всех стадиях  литейного производства, при этом бывает брак исправимый и неисправимый. Основными видами дефектов в отливках являются: коробление; газовые, усадочные, земельные и шлаковые раковины; трещины; недолив металла и спай; отбел поверхности (У чугунных отливок). Поверхностные неглубокие дефекты устраняются заваркой, запрессовкой (эпоксидными смолами), металлизацией. Коробление иногда можно исправить правкой. Отбел ликвидируют дополнительным отжигом отливок.

При внутренних и глубоких наружных дефектах отливки отправляют на переплавку. Годные отливки направляют в механические цехи для дальнейшей обработки или на склад готовой продукции.

3. Специальные способы литья

В последние годы в  литейном производстве повсеместно  внедряются специальные способы литья, имеющие ряд преимуществ по сравнению с традиционным литьем в разовые песчано-глинистые формы. Удельный вес отливок, получаемых специальными способами, неуклонно увеличивается.

К специальным способам относят литье: а) в постоянные металлические  формы (кокиль), б) центробежное, в) под  давлением, г) в тонкостенные разовые  формы, д) по выплавляемым моделям, е) корковое, или оболочковое, ж) электрошлаковое литье.

Специальные способы литья позволяют получать отливки более точных размеров с хорошим качеством поверхности, что способствует уменьшению расхода металла и трудоемкости механической обработки; повысить механические свойства отливок и уменьшить потери от брака; значительно снизить или исключить расход формовочных материалов; сократить производственные площади; улучшить санитарно-гигиенические условия и повысить производительность труда. ...

Большинство операций при  специальных способах литья легко  поддается механизации и автоматизации.

Экономическая целесообразность замены литья в разовые песчано-глинистые  формы тем или иным специальным  способом зависит от масштаба производства, формы и размеров отливок, применяемых литейных сплавов и т.п. Она определяется на основе тщательного технико-экономического анализа всех затрат, связанных с новым технологическим процессом.

Одним из наиболее распространенных является литье в кокиль. Кокилем называют цельную или разъемную металлическую форму, изготовленную из чугуна или стали.

Кокили предназначены для получения большого количества одинаковых отливок из цветных или железоуглеродистых сплавов. Стойкость кокилей зависит от материала и размеров отливки и самого кокиля, а также от соблюдения режима его эксплуатации. Ориентировочно стойкость чугунных кокилей составляет 200000 оловянно-свинцовых, 150000 цинковых, 50000 алюминиевых или 100...5000 чугунных отливок. Кокили целесообразно применять как в массовом, так и в серийном производстве (при партии отливок не менее 300...500 штук).

Перед заливкой металла кокили подогревают до температуры 100...300 °С, а рабочие поверхности, контактирующие с расплавленным металлом, покрывают защитными обмазками. Покрытие обеспечивает увеличение срока службы кокиля, предупреждение приваривания металла к стенкам кокиля и облегчение извлечения отливок. Подогрев предохраняет кокиль от растрескивания и облегчает заполнение формы металлом. В процессе работы необходимая температура кокиля поддерживается за счет теплоты, выделяемой заливаемым металлом. После затвердевания отливку извлекают вытряхиванием или при помощи выталкивателя.

Кокильное литье позволяет  снизить расход металла на прибыли  и выпоры, получать отливки более высокой точности и чистоты поверхности, улучшить их физико-механические свойства. Вместе с тем этот способ литья имеет и недостатки. Быстрое охлаждение металла затрудняет получение тонкостенных отливок сложной формы, вызывает опасность появления у чугунных отливок отбеленных труднообрабатываемых поверхностей.

Литье под давлением — один из наиболее производительных методов получения точных фасонных отливок из цветных металлов. Сущность способа заключается в том, что жидкий или кашицеобразный металл заполняет форму и кристаллизуется под избыточным давлением, после чего форму раскрывают и отливку удаляют.

По способу создания давления различают: литье под поршневым  и газовым давлением, вакуумное  всасывание, жидкую штамповку.

Наиболее распространено формообразование отливок под поршневым  давлением — в машинах с горячей или холодной камерой сжатия. Сплавы, применяемые для литья под давлением, должны обладать достаточной жидкотекучестью, узким температурно-временным интервалом кристаллизации и химически не взаимодействовать с материалом пресс-форм. Для получения отливок рассматриваемым способом используют цинковые, магниевые, алюминиевые сплавы и сплавы на основе меди (латуни).

Литьем под давлением  производят детали приборов: барабанчики  счетных машин, корпусы фотоаппаратов и корпусные детали массой до 50 кг, головки цилиндров мотоциклетных двигателей. В отливках можно получать отверстия, надписи, наружную и внутреннюю резьбу.

Рис.5 Специальные способы  литья

а – под давлением; б – центробежный.

На рис.5, а показана последовательность получения отливки  на поршневой машине (с холодной вертикальной камерой сжатия). Расплавленный металл подается порцией в вертикальную камеру прессования 2. При движении вниз поршень 1 давит на металл, перемещает вниз пяту 4, в результате чего открывается питательный канал 3 и металл поступает в полость пресс-формы 5. После заполнения пресс-формы и выдержки в течение 3...30 с поршень и пята поднимаются, при этом пята отрезает литник и выталкивает пресс-остаток б. Подвижная часть пресс-формы 8 отходит вправо, и отливка 7 легко извлекается. Внутренние полости и отверстия в отливках выполняются с помощью металлических стержней.

Перед началом работы пресс-форму подогревают и смазывают. В процессе работы поддерживается необходимая температура и пресс-форма периодически смазывается.

Пресс-формы изготовляют  из легированных инструментальных сталей (3Х2В8, ХВГ, Х12М и др.) и подвергают закалке с высоким отпуском. Стоимость пресс-формы в 3...5 раз превышает стоимость кокиля.