Технология литьевого производства
Содержание
Введение ………………………………………………………………………….…
1. Способы литья …………………………………………………………………...5
2. Обычные способы литья
2. 1. Литьё в песчано-глинистые формы………………………………………..8
3. Специальные виды литья
3. 1. Литьё по выплавляемым моделям……………………………………….....9
3. 2. Литье в кокиль…………………………………………………………….
3. 3. Литьё под давлением ………………………………………………………13
3. 4. Литьё под регулируемым давлением……………………………………...16
3. 5. Центробежное литье ……………………………………………………….20
4. Другие специальные виды литья
4. 1. Литье по газифицируемым моделям ……………………………………...23
4. 2. Литье по моделям, полученным методом лазерной
стереолитографии ………………………………………………………….25
4. 3. Непрерывная разливка металла …………………………………………...26
4. 4. Литье выжиманием……………………………………………………
4. 5. Электрошлаковое литье …………………………………………………...29
5. Выбор
способа литья……………………………………………………………..
Список литературы ………………………………………………………………….31
Введение
Литейное производство – один из старейших способов получения металлических изделий и заготовок для различных отраслей промышленности. Литые детали используется не только в машиностроении и приборостроении, они применяются в домостроении и дорожном строительстве, являются предметами быта и культуры. Это обусловлено тем, что этот способ позволяет получать заготовки и детали из разных сплавов практически любой конфигурации с минимальными припусками на механическую обработку, хорошими механическими свойствами, массой от нескольких граммов до сотен тонн, с любыми эксплуатационными свойствами.
Основным направлением совершенствования любого производства является модернизация известных и создание новых технологических процессов, позволяющих уменьшить расход материалов, снизит затраты труда и энергии, улучшить условия труда, устранить или уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и, в конечном счёте, повысить эффективность производства и качество продукции. В этом отношении литейное производство не является исключением.
В настоящее время
для получения литых деталей уж
В производстве литых заготовок специальные виды литья в настоящее время занимают уже значительное место, хотя 70…75% общего объёма производства отливок ( в тоннах) получают обычным методом литья в песчаную форму и только 25…30% «специальными» методами. Методами специального литья изготавливают некрупные отливки из чёрных сплавов и подавляющее большинство, как правило, более лёгких отливок из цветных сплавов. Поэтому по числу получаемых отливок специальные методы не уступают обычному методу литья в песчаные формы. Преимущества специальных видов литья заключаются в том, что с их помощью можно получить точные отливки с поверхностью хорошего качества.
Конечно, удельное влияние специальных видов литья в промышленности не одинаково, они обладаю разной универсальностью, а отдельные методы находятся в стадии разработки или освоения.
1. Способы литья.
Из многочисленных разнообразных специальных видов литья в первую очередь целесообразно выделить способы, обладающие характерными признаками, отличными от обычной традиционной технологии литья в песчано-глинистые формы.
Сначала отметим процессы с резко отличными признаками литейной формы.
Первая группа – литье в разовые неразъемные литейные формы из дисперсных материалов с сохранением гравитационного метода заполнения формы сверху из ковша через литниковую систему, как в традиционной способе.
Отличительной особенностью этих методов является использование разовой модели, которую для удаления из неразъемной формы разрушают каким-либо способом до заполнения формы расплавом или даже в процессе заполнения формы. В эту группу входят методы литья по выплавляемым, выжигаемым, растворимым и газифицируемым моделям. Наиболее распространенным в настоящее время в этой группе является литье по выплавляемым моделям, а новым и развивающимся процессом – литье с использованием моделей из фотополимерных материалов.
Вторая группа – литье в полупостоянные или постоянные разъемные формы с сохранением гравитационного метода заполнения формы сверху из ковша через литниковую систему.
Общим признаком этих методов является использование разборной литейная форма, состоящей из полупостоянных или постоянных и разовых элементов. Конструкция формы должна позволять извлекать из нее отливку без повреждения многократно используемых элементов формы. Основной метод в данной группе – литье в кокиль. Известен также метод литья в углеродные (графитовые) формы. Для многократно используемых элементов литейной формы могут, видимо, применяться и другие материалы.
Характерным признаком третьей группы методов является наличие дополнительного воздействия на расплав при заполнении формы и затвердевании отливок. Тип и конструкция литейной формы при этом определяются требованиями к отливкам и способами воздействия на расплав и кристаллизующиеся отливки. В числе этих способов следующие:
а) запрессовка металла в форму с высокими скоростями поршневой системой – литье под давлением. Этот способ предусматривает применение лишь металлических разъемных литейных форм (пресс-форм), не исключается применение стержней и формообразующих вставок из дисперсных огнеупорных материалов;
б) способы литья при регулируемом, относительно невысоком газовом давлении – литье под низким давлением, с противодавлением, вакуумным всасыванием и др. В этих способах можно использовать разъемные и неразъемные литейные формы из любых материалов, обладающих достаточными огнеупорностью и прочностью;
в) центробежное литье фасонных отливок также связано с возможностью использования разнообразных известных конструкций литейных форм. Однако при центробежном литье тел вращения (труб, втулок, гильз и др.) обычно применяются формы специальной конструкции – изложницы;
г) к способам, основанным на других принципах заполнения форм, относятся литье выжиманием, литье погружением форм в расплав и др.
Воздействия на заливаемый в форму расплав, отмеченные в пунктах а), б), в) и г), продолжаются и после заполнения формы. Это способствует определенному повышению плотности отливок и улучшению качества их поверхности.
Аналогично можно выделить методы, в которых наиболее значимо воздействие на расплав в период кристаллизации. Их используют для получения особо плотных отливок и отливок со специальной микроструктурой.
Четвертая группа – литье под всесторонним газовым давлением (автоклавное литье) с использованием литейных форм из различных материалов; литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка), в котором чаще всего используют металлические формы.
Пятая группа – способы литья, использующие воздействие на расплав, оказывающее существенное влияние на формирование микроструктуры отливок. К их числу относятся методы с использованием электрического и электромагнитного воздействия на расплав до, во время или после поступления расплава в форму, обработка его ультразвуком и др.
Шестую группу образуют методы, основанные на формировании свойств отливок при непрерывных и полунепрерывных процессах литья. К этим процессам можно отнести: непрерывное литье с использованием стационарных и подвижных кристаллизаторов; литье вытягиванием из расплава и полунепрерывное литье, используемые для получения отливок постоянного профиля по длине; электрошлаковое литье, литье с последовательным заполнением; литье намораживанием и др. для получения фасонных отливок.
Седьмая группа – методы получения отливок с различными специальными свойствами, к которым можно отнести: армирование отливок, изготовление отливок из композиционных материалов и пр.
В производстве литых заготовок специальные виды литья занимают значительное место. В настоящее время 70 – 75% общего объема производства отливок (в тоннах) получают обычным методом литья в песчаную форму и только 25 – 30% «специальными» методами. Однако эти данные далеко не точно характеризуют объем производства отливок с использованием специальных видов литья. Методами специального литья изготовляют некрупные отливки из черных металлов и подавляющее большинство, как правило более легких, отливок из цветных сплавов. Поэтому по числу получаемых отливок специальные методы не уступают обычному методу литья в песчаные формы.
2. Обычные способы литья
2. 1. Литьё в песчано-глинистые формы
Главными признаками обычного традиционного метода литья в песчано-глинистые формы можно считать такие важнейшие характеристики литейной формы – основного инструмента технологического процесса, как то, что она является разовой и разъемной. Литейная форма выполняется из дисперсных огнеупорных материалов, упрочняемых при изготовлении механическими, химическими, физическими или комбинированными способами.
Литейная форма обычно состоит из верхней 1 и нижней 2 полуформ, которые изготавливаются в опоках 7, 8 – приспособлениях для удержания формовочной смеси.
Рис. 1
Полуформы скрепляют с помощью штырей 10, которые вставляют в отверстия ручек опок 11. Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 3, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки). Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему. Литниковая система – совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы. Основными элементами являются: литниковая чаша 5, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 6 – вертикальный или наклонный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабочую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 12, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 13 – один или несколько, через которые расплавленный металл подводится в полость литейной формы. Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным металлом и питания отливки при ее затвердевании служат прибыли или выпор 4. Для вывода газов предназначены и вентиляционные каналы 9. Дополнительным, но обязательным признаком литья в песчано-глинистые формы, является то, что заполнение формы расплавом ведется обычным гравитационным методом сверху из ковша через общепринятую литниковую систему.
После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), проводят термообработку.
3. Специальные виды литья
3. 1. Литьё по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям — это процесс, в котором для получения отливок применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Перед заливкой расплава модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием, растворением или испарением. Для удаления остатков модели и упрочнения формы ее нагревают до высоких температур. Прокалкой формы перед заливкой достигается практически полное исключение ее газотворности, улучшается заполняемость расплавом.
Основные операции технологического процесса показаны на рис. 2. Модель или звено моделей 2 изготовляют в разъемной пресс-форме 1, рабочая полость которой имеет конфигурацию и размеры отливки с припусками на усадку модельного состава и материала отливки, а также обработку резанием (рис. 2, а).
Рис. 2 – Последовательность изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым моделям: а – запрессовка модельного состава в пресс-форму; б – сборка блока; в – нанесение на блок суспензии; г – посыпка огнеупорным зернистым материалом: д – сушка; е – удаление модели; ж – засыпка опорным .материалом; з – прокалка в печи; и – заливка формы расплавом; 1 – пресс-форма; 2 – модель; 3 – блок моделей отливок и литниковой системы; 4 – слой суспензии; 5 – огнеупорный зернистый материал; 6 – пары аммиака; 7 – горячая вода; 8 – опорный материал; 9 – печь; 10 – прокаленная форма; Q – подвод теплоты
Модель изготовляют из материалов, либо имеющих невысокую температуру плавления (воск, стеарин, парафин), либо способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол).
Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки 3 (рис. 2, б), имеющие модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель отливки. Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателей и стояка. Модели чаши и нижней части стояка изготавливают отдельно и устанавливают в блок при его сборке. Блок моделей погружают в ёмкость с жидкой формовочной смесью – суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидного огнеупорного материала, например пылевидного кварца или электрокорунда, и связующего (рис. 2, в). В результате на поверхности модели образуется тонкий (менее 1 мм.) слой 4 суспензии. Для упрочнения этого слоя и увеличения его толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рис. 2, г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3 – 10 слоев).
Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что зависит от связующего (рис. 2, д). После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. В качестве примера на рисунке 2. показано, как в процессе удаления выплавляемой модели в горячей воде 7 при температуре (t = 100 ºC) получают многослойную оболочковую форму (рис. 2, е). С целью упрочнения формы перед заливкой ее (форму) помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рис. 2, ж). Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещают в печь 9 для прокаливания (рис. 2, з). Прокалку формы ведут при температуре 900 – 1100 ºC, далее прокаленную форму 10 извлекают из печи и заливают расплавом (рис. 2, и). После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники. Во многих случаях оболочки прокаливают в печи до засыпки огнеупорным материалом, а затем для упрочнения их засыпают предварительно нагретым огнеупорным материалом. Это позволяет уменьшить продолжительность прокаливания формы перед заливкой и сократить энергозатраты. Так, например, организован технологический процесс на автоматических линиях для массового производства отливок.
3. 2. Литье в кокиль
Кокильным литьем называют процесс получения отливок посредством свободной заливки расплавленного металла в многократно используемые металлические формы – кокили.
Особенность литья в кокиль состоит в многократном использовании металлической формы (кокиля). Высокая прочность материала металлической формы (кокиля). Высокая прочность материала металлической формы позволяет более точно выполнять рабочие поверхности формы, что обеспечивает высокое качество литой поверхности. Благодаря высокой теплопроводности формы отливка быстро затвердевает.
Основные элементы кокиля – полуформы, плиты, вставки, стержни и т.д. – обычно изготовляют из чугуна или стали. Выше рассмотрен кокиль простой конструкции, но в производственной практике часто используют кокили весьма сложных конфигураций.
Основные операции технологического процесса. Перед заливкой расплава новый кокиль подготовляют к работе: поверхность рабочей полости и разъем тщательно очищают от следов загрязнений, ржавчины, масла, проверяют легкость перемещения подвижных частей, точность их центрирования, надежность крепления. Затем на поверхность рабочей полости и металлических стержней наносят слой огнеупорного покрытия – облицовки и краски (рис. 3, а). Состав облицовок и красок зависит в основном от типа заливаемого сплава, а их толщина – от требуемой скорости охлаждения отливки: чем толще слой огнеупорного покрытия, тем медленнее отливка охлаждается. Вместе с тем слой огнеупорного покрытия предохраняет рабочую поверхность формы от резкого повышения ее температуры при заливке, оплавления и схватывания с металлом отливки.
Перед нанесением огнеупорного покрытия кокиль нагревают газовыми горелками или электрическими нагревателями до температуры 150 – 280 ºC. Краски наносят на кокиль обычно в виде водной суспензии через пульверизатор. Вода капель водной суспензии, попадающих на поверхность нагретого кокиля, испаряется, а огнеупорная составляющая ровным слоем покрывает поверхность.
После нанесения огнеупорного покрытия кокиль нагревают до рабочей температуры, зависящей в основном от состава заливаемого сплава, толщины стенки отливки, ее размеров и требуемых свойств. Затем в кокиль устанавливают в песчаные или керамические стержни (рис. 3, б), если таковые необходимы для получения отливки, половины кокиля соединяют (рис.3, в) и скрепляют специальными зажимами, а при установки кокиля на кокильной машине - с помощью её механизма запирания, после чего заливают расплав в кокиль. Часто в процессе затвердевания и охлаждения отливки, после того как она приобретет
Рис. 3 – Последовательность изготовления отливки в кокиле (стрелки – направление движения деталей кокиля): а – окраска кокиля; б – установка стержней; в – сборка и заливка формы; г – затвердевание отливки;
д – разборка кокиля
достаточную прочность (рис. 3, г), металлические стержни «подрывают», т.е. частично извлекают из отливки. Это делают для того, чтобы уменьшить давление затвердевающей отливки на металлический стержень и облегчить последующее извлечение его из отливки. После охлаждения отливки до заданной температуры кокиль раскрывают, полностью извлекают металлический стержень и удаляют из кокиля отливку (рисунок 3, д). Из отливки выбивают песчаный стержень, обрезают литники, прибыли, выпоры, контролируют качество отливки. Затем описанный выше цикл повторяется.
3. 3. Литьё под давлением
Принцип процесса литья под давлением основан на принудительном заполнении рабочей полости металлической пресс-формы расплавом и формировании отливки под действием давления пресс-поршня, перемещающегося в камере прессования, заполненной расплавом.
Литье под давлением является одним из высокопроизводительных способов изготовления отливок, обеспечивающим высокое качество поверхности. Литьем под давлением обычно изготавливают отливки из цинковых, магниевых и медных сплавов. Этот метод применяется для массового производства тонкостенных отливок из цветных сплавов сравнительно простой конфигурации. Толщина стенки отливок может быть менее I ,0 мм, а масса – от нескольких граммов до десятков килограммов.
В отличие от кокиля рабочие поверхности пресс-формы, контактирующие с отливкой, не имеют огнеупорного покрытия. Это приводит к необходимости кратковременного заполнения пресс-формы расплавом и действия на кристаллизующуюся отливку избыточного давления, в сотни раз превосходящего гравитационное. Современный процесс, реализуемый на специальных гидравлических машинах, обеспечивает получение от нескольких десятков до нескольких тысяч отливок разного назначения в час с высокими механическими свойствами, низкой шероховатостью поверхности и размерами, соответствующими или максимально приближенными к размерам готовой детали.
В зависимости от конструкции камеры прессования различают машины с холодной (рис. 4) и горячей (рис. 5) камерами прессования.
Основные операции технологического процесса зависят от конструктивного решения камер прессования.
На машинах с холодной камерой прессования после подготовки пресс-формы 1 (рис. 4, а) к очередному циклу, ее сборки и запирания с помощью запирающего механизма литейной машины в камеру прессования 3 подается доза расплава. Затем под действием пресс-поршня 2, перемещающегося в этой камере посредством механизма прессования, через каналы литниковой системы расплав заполняет рабочую полость пресс-формы (рис. 4, б). После затвердевания и охлаждения отливки до определенной температуры извлекают стержни 4 и раскрывают пресс-форму (рис. 4, в), а затем механизмом выталкивания и толкателями 5 отливку удаляют из пресс-формы (рис. 4, г). Механизмы машины приходят в исходное состояние. Литники и заливы отделяются, от отливки, как правило, с помощью обрезного пресса, расположенного около литейной машины, либо механизмами
пресс-формы. На этом рабочий цикл завершается.
Рис. 4. Схема технологического процесса литья под давлением на машине с холодной камерой прессования: а – подача расплава в камеру прессования; б – запрессовка; в – раскрытие пресс-формы; г – выталкивание отливки; 1 – пресс-форма; 2 – пресс-поршень; 3 – камера прессования; 4 – стержень; 5 – толкатель
На машинах с горячей
камерой прессования
Таким образом, процесс литья под давлением реализуется только на специальных машинах, что обеспечивает возможность комплексной автоматизации технологического процесса, способствует существенному улучшению
Рис. 5 Схема технологического процесса литья под давлением на машине с горячей камерой прессования: а – заполнение камеры прессования расплавом; б – запрессовка; в – раскрытие пресс-формы и выталкивание отливки; 1 – камера прессования; 2 – заливочное отверстие; 3 – тигель с расплавом; 4 – обогреваемый канал; 5 – пресс-форма; 6 – пресс-поршень; 7 – отливка; 8 – толкатели
санитарно-гигиенических условий труда, уменьшению вредного воздействия литейного производства на окружающую среду.
3. 4. Литьё под регулируемым давлением
Методы литья под регулируемым низким давлением основаны на использовании для заполнения формы и кристаллизации расплава разницы давления газа, действующего на зеркало расплава в печи установки и в полости литейной формы (регулируемое газовое давление), или давления в металле, создаваемого электромагнитным насосом. По величине скоростей течения металла в форме литье под регулируемым давлением занимает промежуточное место между обычным литьем в кокиль и литьем под давлением.
Общим технологическим признаком этих методов является заполнение формы расплавом посредствам выдавливания его снизу вверх из тигля установки
через металлопровод под действием газового давления.
Литье под регулируемым давлением осуществляется на специальных установках, в которых процесс заполнения формы расплавом выполняется автоматиче-
ски. Конструкции установок и машин для этих литейных процессов часто предусматривают и автоматизацию операций сборки и раскрытия форм, выталкивания отливки и ее удаления из формы. Таким образом, процессы литья под регулируемым давлением обеспечивают, наряду с высоким качеством отливок, возможность автоматизации их производства.
В практике наибольшее применение нашли следующие процессы литья под регулируемым давлением: литье под низким давлением; литье под низким давлением с противодавлением; литье вакуумным всасыванием; литье вакуумным всасыванием с кристаллизацией под давлением, т. е. вакуумно-компрессионное литье.
Литье под низким давлением
Установки для литья под низким давлением обычно состоят из механизмов сборки и разборки форм, отделения отливок от формы и стержней (по существу это элементы кокильной машины), агрегата заливки (печи-металлораздатчика), гидравлической, пневматической и электрической систем управления. Многочисленные конструкции разработанных универсальных и специализированных установок различаются: размерами рабочей зоны для размещения формы, числом подвижных элементов для сборки и разборки формы, типами печей-металлораздатчиков, компоновочной схемой, реализующей варианты обслуживания отдельных агрегатов установки, степенью автоматизации вспомогательных операций.
Воздух или инертный газ под давлением до 0,05 МПа через систему регулирования поступает по трубопроводу внутрь камеры установки и давит на зеркало расплава. Вследствие разности давления в камере установки и атмосферного давления расплав поступает в форму снизу через металлопровод со скоростью, регулируемой давлением в камере установки. После окончания заполнения формы давление в системе можно увеличивать до конца затвердевания отливки, после чего автоматически открывается клапан, соединяющий камеру установки с атмосферой. Давление воздуха в камере снижается до атмосферного и незатвердевший
Рис. 6 Установка литья под низким давлением для получения отливок из алюминиевых сплавов; 1 – гидроцилиндр; 2 – штанги для движения плиты толкателей; 3 – подвижная траверса; 4 – металлопровод; 5 – плита; 6 – крышка заливочного окна; 7 – металлораздатчик; 8 – рама печи; 9 – нижняя половина формы; 10 – верхняя половина формы; 11 – плита толкателей; 12 – неподвижная траверса; 13 – рычажный механизм; 14 – отливка; 15 – приемный лоток; 16 – склиз
расплав из металлопровода сливается в тигель. После охлаждения отливки до заданной температуры форма раскрывается, отливка выталкивается и цикл повторяется.
Литье под низким давлением применяется и самостоятельно, и как дополнение к другим способам литья в качестве эффективного метода автоматического заполнения формы жидким металлом. В последнем случае удобство способа связано с отсутствием необходимости герметизации формы. Его используют для получения отливок в песчаные, металлические и графитовые формы. Самостоятельно способ литья под низким давлением используют чаще для литья в кокили или в
кокили с песчаными оболочковыми стержнями, так как процесс сборки кокиля
легче автоматизировать.
Заполнение форм расплавом при
этом способе литья может
со скоростями потока, которые можно регулировать. Для получения качественных
отливок предпочтительно заполнять форму сплошным потоком при скоростях, обеспечивающих последовательное заполнение формы, исключающее захват воздуха расплавом, образование в отливках газовых раковин, попадание в них оксидных плен и неметаллических включений. Однако неизбежное при этом уменьшение скорости потока, необходимое для сохранения его сплошности, сопряжено с возможностью преждевременного охлаждения и затвердевания расплава, т.е. с процессами, недопустимыми в период до полного заполнения формы. Поэтому, как и в других литейных процессах, при литье под низшим давлением важно согласование гидравлических и тепловых режимов заполнения формы расплавом.
Литье с противодавлением
Данный способ литья является развитием способа литья под низким давлением.
В начале процесса сжатый воздух или инертный газ при требуемом по технологии давлении, например 0,12 МПа, поступает через вентили 8 – 10 в камеры I и II. Вентиль 1 при этом закрыт, и расплав в тигле 7 остается неподвижным. По достижении заданного давления вентиль 10 закрывается, а вентиль 1 постепенно открывается. В результате давление в камере II понижается, и под действием разности давлений в камерах I и II расплав поднимается по металлопроводу и заполняет форму.
