Литье в разовые объемные песчаные формы

1 Литье в разовые  объемные песчаные  формы 

    В настоящее время 80 % отливок производится литьем в разовые объемные песчаные формы, также часто называемым литьем в землю. Материалом для получения отливок служат чугун, сталь и цветные сплавы. Преимущества способа: неограниченные размеры и сложность конфигурации заготовки, относительно невысокая стоимость. Недостатки: невозможно получить тонкостенные отливки, невысокая точность размеров и формы литой заготовки. Применяется во всех типах производства от единичного до массового.

    Последовательность  технологического процесса получения  отливок приведена на рис.1.1. Весь цикл изготовления отливки состоит  из ряда основных и вспомогательных  операций, осуществляемых как параллельно, так и последовательно в различных  отделениях литейного цеха и в модельных цехах.

    Литейная  разовая песчаная форма  (рис.1.2) в  большинстве случаев состоит  из двух полуформ: верхней 4 и нижней 3, которые получают уплотнением  формовочной смеси вокруг соответствующих  частей (верхней и нижней) деревянной или металлической модели в специальных металлических рамках – опоках 5. Модель отличается от отливки размерами, наличием формовочных уклонов, облегчающих извлечение модели из формы, и знаковых частей 7, предназначенных для установки стержня 10, образующего отверстие в отливке. В верхней полуформе с помощью соответствующих моделей выполняется воронка и система каналов 1, по которым из ковша поступает литейный сплав в полость формы 2, и дополнительные полости – прибыли 6.

    После уплотнения смеси модели извлекают из полуформ. Затем в нижнюю полуформу устанавливают стержень и накрывают верхней полуформой. Необходимая точность соединения обеспечивается штырями и втулками в опоках.  
 
 

    Рис. 1.1 Технологический процесс получения отливок

                        в разовой песчаной форме 
 

    Рис. 1.2. Литейная разовая песчаная форма 

    Формовочные смеси для производства форм состоят  в основном из кварцевого песка, глины, связующего, влаги и различных  добавок. Кроме исходных материалов, для приготовления формовочных  смесей используют отработанные (бывшие в употреблении) смеси. Подготовка смеси к использованию включает извлечение из смеси металлических включений, размол комьев, просев, охлаждение, регенерацию. Для размола формовочных материалов широко используются дробилки различных типов: щековые, молотковые, валковые, роторные, вибрационные и др. В них происходит измельчение крупных частей использованных литейных смесей. Производительность дробилок от 8 до 125 м³ смеси в час.

      Для более тонкого измельчения смеси могут обрабатываться в шаровых мельницах и просеиваться через вибрационные или барабанные сита. Для сушки песка применяют барабанные и трубные сушила.

    При многократном использовании формовочных  и стержневых смесей происходит чередование  нагрева и охлаждения. При этом в смесях протекают различные химические реакции, изменяющие свойства смесей. Регенерация (восстановление) отработанных смесей позволяет получить песок, годный для повторного изготовления смеси. Наиболее универсальны и эффективны системы гидрорегенерации, в которых зерна песка интенсивно промываются в потоке воды. Их производительность до 60 тонн смеси в час. Кроме них применяются комплексы пневматической и термической регенерации.

    Процесс приготовления смеси состоит  из дозирования всех компонентов смеси, загрузки их в смесители в определенной последовательности, перемешивания для обеспечения однородности и заданных свойств готовых смесей. Для этих целей применяются преимущественно литейные чашечные смесители.

    Основной  способ получения литейных форм – машинная формовка. По сравнению с ручной она обладает более высокой производительностью, меньшей трудоемкостью, позволяет получать отливки более высокой точности, улучшает условия труда. К основным способам уплотнения формовочных смесей относятся встряхивание, прессование, пескометание, пескодувное и пескодувно-прессовое уплотнение, импульсное, гравитационное, вакуумно-прессовое уплотнения. Все способы осуществляются с применением формовочных литейных машин.

    Состав  оборудования и оснастки для производства стержней зависит от серийности, размеров, конструкции стержней и требований по их прочности, точности и качеству поверхности. В единичном и мелкосерийном производстве формы для изготовления стержней - стержневые ящики - делают из дерева, смесь уплотняют вручную или пневматическими трамбовками. При достаточно большом объеме производства применяют металлические стержневые ящики. Мелкие и средние стержни, имеющие сложные очертания, которые невозможно изготовить целиком, изготовляют по частям, а затем склеивают.

    Для плавки чугуна в литейных цехах широко применяются вагранки – это шахтные печи, выложенные огнеупорным шамотным кирпичом внутри металлического кожуха.

    Дуговые сталеплавильные с поворотным сводом печи ДСП-0,5 ... ДСП-50 (цифры указывают на номинальную емкость в тоннах) плавят металл за счет теплоты трех электрических дуг, горящих между графитовыми электродами и шихтой .

    Дуговые  медеплавильные качающиеся печи  ДМК-0,1 ... ДМК-2,0 производят плавку за счет дуги косвенного действия, горящей между двумя графитовыми электродами. Для слива сплава эти печи могут наклоняться на роликах. Применяются для плавки медных сплавов; нежелательна плавка в них алюминиевых бронз и латуней из-за местного перегрева в зоне дуги, приводящего к испарению летучих элементов и загрязнению металла оксидами. У ДМК-2,0 производительность равна 1,3 - 1,5 т./ч, расход электроэнергии 180 - 230 кВт-ч/т.

    Индукционные  тигельные плавильные печи характеризуются непосредственным нагревом (теплота генерируется прямо в шихте), отсутствием контактных устройств (что облегчает автоматизацию и создание вакуума или защитных сред), улучшенными условиями труда. Разогрев металла  происходит в тигле за счет переменного электрического тока, возбуждаемого токами в индукторе печи, образованном полой медной трубкой, охлаждаемой проточной водой. Для слива металла печь может наклоняться.

    Индукционные  канальные печи имеют по сравнению с тигельными более высокий КПД -75 % (у тигельных 50 %); коэффициент мощности выше в 3 раза, поэтому меньше расход энергии и мощность конденсаторной батареи. Применяются для плавки медных и алюминиевых сплавов.

    Для плавки алюминиевых сплавов применяют  электрические отражательные печи сопротивления камерные САК-0,15 и САК-0,25 и наклоняемые САН-0,ЗА ... САН-ЗА. Угар металла в этих печах невысок (около 1 %). Расход электроэнергии в печах емкостью 1,5 - 2 т около 550 кВт-ч/т. Расход электроэнергии у этих печей 550 - 600 кВт-ч/т.

    Электропечи сопротивления для плавки алюминиевых  сплавов позволяют лучше рафинировать сплавы и получать высококачественные отливки, однако обладают низкой производительностью, низкой стойкостью нагревателей (нихромовых или других) и кладки. При получении ответственных отливок применяют вакуумно-дуговые,  индукционно-дуговые, плазменно-дуговые, электронно-лучевые печи, электрошлаковый переплав и т. д.

    Заливка форм сплавами в индивидуальном и  мелкосерийном производстве выполняется  на плацу, а в поточном массовом и крупносерийном – на конвейере.

    Широко  распространена заливка литейных форм из ковшей .  Заливка из ручных ковшей сопряжена с опасным и тяжелым ручным трудом и поэтому крайне нежелательна. Она может быть заменена заливкой с помощью манипуляторов. Широко применяются монорельсовые конические ковши емкостью 100 -800 кг и крановые: конические емкостью 1 - 20 т и барабанные емкостью 1 - 5 т.

    Барабанные ковши хорошо сохраняют температуру сплава, поэтому их применяют при производстве тонкостенных мелких и средних отливок из бронзы, стали и чугуна и в качестве раздаточных, для наполнения более мелких ковшей. Они также могут обеспечить наименьшую высоту падения струи металла при заливке; недостатком их является трудность футеровки. Чайниковые  и стопорные ковши обеспечивают заливку форм металлом из нижней части ковша, что предотвращает попадание в форму шлака. Широко применяются обычные конические ковши (без перегородки ). Стопорные ковши применяют при заливке стали и высокопрочного чугуна. Разливка из них осуществляется через огнеупорный стакан , вставляемый в дно. Отверстие в стакане открывают и закрывают облицованным огнеупорными втулками стопором с помощью рычажного механизма .

    При заливке на плацу емкость ковшей выбирают достаточной для заливки 4 - 10 мелких форм или 2 - 4 крупных форм. При конвейерной заливке емкость ковша выбирается достаточной для заливки 5 - 20 форм. Особо крупные формы заливают из двух и более ковшей.

    Магнитодинамическая установка (МДУ) МДН-6 представляет собой индукционную канальную печь с электрическим насосом.

    МДУ 99411 и 99413 предназначены для поддержания температуры и дозированной заливки чугуна в неподвижные формы, кокильные машины и другие агрегаты в цехах массового и серийного производства. Оптимальный развес отливок 5 - 150 кг и 50 - 350 кг соответственно. У этих установок в процессе заливки ванна наклоняется относительно оси, проходящей через точку слива, путем движения люльки по круговым рельсам под действием двух качающихся гидроцилиндров для поддержания постоянства положения струи и расхода.

    Основным  видом оборудования для выбивки  литейных форм и стержней являются выбивные решетки грузоподъемностью до 40 тонн, применяется в единичном и мелкосерийном производстве. Под действием вибрации и ударов форма разрушается, смесь проваливается сквозь ячейки решетки на транспортер, доставляющий ее в землеприготовительное отделение на переработку, а отливка снимается с решетки и отправляется на обрубку. Для выбивки особо крупных форм предназначены установки литейные выбивные, представляющие собой счетверенные решетки грузоподъемностью до 160 тонн.

    Обрубка заключается в отделении от отливок элементов литниковой системы, удалении заливов по разъему формы и неровностей поверхности. Обработка отливок массой до 100 кг производится в галтовочных барабанах, отрезка литниковых систем осуществляется также дисковыми пилами трения, газокислородной резкой, воздушно-дуговой резкой, резкой абразивными кругами. Литники мелких отливок удаляют на ленточно-отрезных станках. В крупносерийном и массовом производстве литники отламывают на прессах. Выпускаются механизированные установки ОС500 для абразивной отрезки литников и прибылей, и механизированный комплекс модели 98516, снабженный манипуляторами. Очистка литья происходит в очистных галтовочных барабанах, дробеметными,  дробеструйными и гидропескоструйными аппаратами, а также с помощью очистных вибрационных машин.

    Барабаны  очистные галтовочные  предназначены для очистки мелкого и среднего литья.

    Широкое применение находит очистка поверхности  отливок от пригара и окалины  потоком стальной или чугунной дроби. При дробеструйной очистке  дробь  направляется на отливку потоком сжатого воздуха. В дробеметных аппаратах  поток дроби создается  за счет центробежных сил, возникающих при подаче дроби на радиально направленные лопатки вращающегося диска. Дробеметная очистка в 10 раз эффективнее дробеструйной при значительно меньшем расходе электроэнергии. 

2.Плазменная  сварка 

   Плазма -значительно ионизированный и нагретый                    до 6000 - 30000°С газ, смесь нейтральных молекул, электронов и ионов с высокой электропроводностью. Под действием магнитных полей плазма образует поток, которым производится сварка, резка, напыление, термическая обработка металла, стекла, керамики и др. Плазма получается нагревом плазмообразующего газа в дуговом разряде или нагревом в индукторе. Мощность плазмотронов может достигать тысячи киловатт, что превышает потребности. При плазменной дуговой сварке (рис. 2.1) дуга 2 горит между неплавящимся электродом 1 горелки и изделием 5. Канал 4 сопла 3 охлаждается водой. Плазменная струя 6 образуется за счет подаваемого в горелку газа: аргона или его, смеси с водородом или гелием, азота, воздуха. При сварке плазменной струёй дуга горит между вольфрамовым электродом и соплом горелки.  
 

Рис. 2.1. Плазменная горелка 

   Сварка  плазменной дугой применяется для  коррозионно-стойкой стали, титана, никелевых сплавов, молибдена, вольфрама и других материалов и по проплавляющему действию стоит между аргонодуговой и электронно-лучевой сваркой. Возможность стабилизировать проплавление (поскольку этот процесс менее чувствителен к изменению длины дуги, чем аргонодуговая сварка) позволяет применять плазменную дугу для сварки тонких листов. Плазменная дуга может обеспечить сварку встык без разделки и присадочного материала листов толщиной до 9,5 мм, а иногда и больше, требует меньше присадочного материала, обладает высокой производительностью. Для сварки материалов толщиной 0,025-0,8 мм применяют микроплазменную дугу (сила тока 0,1 -10 А).

   Для плазменной сварки применяются те же автоматы, что и для дуговой  с заменой горелки, для микроплазменной - аппараты серий МПИ и МПУ. Для ручной плазменной и аргонодуговой сварки выпускается установка УПС 

   3 Токарные станки 

   Токарные  станки по сравнению с другими  группами металлорежущих станков наиболее распространены на машиностроительных заводах. Станки токарной группы предназначены для выполнения самых разнообразных операций обработки поверхностей вращения: обтачивания наружных и растачивания внутренних цилиндрических, конических и фасонных поверхностей; подрезания торцов и уступов; прорезания круговых канавок; сверления, рассверливания, зенкерования и развертывания отверстий; нарезания наружных и внутренних резьб.

   В состав станков токарной группы входят универсальные токарные и токарно-винторезные  станки, револьверные, лобовые, карусельные  и затыловочные станки, одношпиндельные и многошпиндельные автоматы, многорезцовые, копировальные полуавтоматы, а также специализированные станки, применяемые для обработки деталей определенных типов.

   Универсальные токарные и токарно-винторезные  станки предназначены для обработки валов, втулок, колец, дисков и др., а также поверхностей вращения у деталей некруглой формы. Выпускаются различные модели – от настольных до тяжелых. Наибольший диаметр обрабатываемых заготовок от 100 до 6000 мм при длине заготовки от 125 до 24000 мм. Применяются чаще в единичном и мелкосерийном производстве.

   Токарно-револьверные станки применяют в мелко- и среднесерийном производстве для изготовления деталей сложной формы, требующих при обработке последовательного применения разнообразного режущего инструмента. На этих станках можно выполнять все основные токарные работы. Применение револьверных станков считают рациональным при размере партии обрабатываемых заготовок не менее 10-20 штук.

   Конструктивно револьверные станки отличаются от универсальных отсутствием задней бабки, гитары сменных шестерен и ходового винта и наличием револьверной головки с отверстиями, в которых устанавливают различный режущий инструмент. В процессе выполнения операции револьверную головку периодически поворачивают вокруг ее оси. При этом инструменты, последовательно занимающие рабочую позицию, обрабатывают заготовку за несколько переходов.

   Револьверные  станки более производительны. Сокращение оперативного времени, складывающегося  из основного и вспомогательного, достигается за счет уменьшения обоих слагаемых. Основное время сокращается за счет применения многоинструментных державок и одновременной обработки заготовки инструментом, установленном на револьверной головке и поперечном суппорте. Вспомогательное время сокращается за счет предварительной наладки станка на обработку заготовки многими инструментами и быстрой смены инструмента поворотом головки.

   В зависимости от вида заготовок различают  прутковые и патронные револьверные станки. Обычно станки малого размера  – прутковые, среднего – прутковые и патронные, крупные – патронные. Прутки разного сечения и трубы обычно закрепляют в цанговых патронах. Выпускаются револьверные станки для обработки прутков диаметром 10-100 мм и для обработки штучных заготовок (отливки, штамповки) диаметром 25-630 мм.

   По  конструкции револьверной головки  различают станки с вертикальной и горизонтальной осью вращения головки.

   Токарно-лобовые и токарно-карусельные станки применяют для обработки заготовок большого диаметра и сравнительной малой длины (шкивов, маховиков, колец, крупных зубчатых колес и т. п.). На лобовых станках обрабатывают заготовки массой до 5 т, а на карусельных - без ограничения массы и диаметром до 10 м.

   Лобовые токарные станки применяют в единичном  и мелкосерийном производствах. От универсальных токарных станков лобовые станки отличаются более низкой и короткой станиной, наличием планшайбы большого диаметра (до 4м) и отсутствием задней бабки. Недостатки: установка, выверка и закрепление тяжелой заготовки на вертикальной лобовой плоскости планшайбы представляет значительные трудности, возникают вибрации. Поэтому обработка производится на малых частотах вращения шпинделя при низкой производительности и невысокой точности. По этим причинам чаще применяются карусельные станки, лишенные перечисленных недостатков.

   В карусельных станках ось шпинделя расположена вертикально, а лобовая  плоскость планшайбы - горизонтально. Облегчается установка, выверка  и закрепление заготовки. Токарно-карусельные  станки изготовляют двух типов: одностоечные (планшайба диаметром до 1600 мм) и двухстоечные (до 25000 мм и более). Карусельные станки могут оснащаться приспособлениями для шлифования и фрезерования. Тогда кроме токарной обработки можно выполнять и эти операции.

   Автоматом называется станок, в котором все рабочие и вспомогательные движения, необходимые для обработки заготовки, включая ее установку и снятие обработанной детали, осуществляется автоматически. Обслуживание автомата сводится к периодической наладке, подаче материала на станок и контролю обработанных деталей. Полуавтоматом называется автоматический станок, в котором часть вспомогательных движений (обычно связанных с установкой заготовок и снятием обработанных деталей) выполняется вручную.

   По  виду заготовки автоматы и полуавтоматы делят на прутковые и патронные. Прутковые станки служат для обработки деталей из прутков (круглых, квадратных или шестигранных) и труб, закрепляемых в цанговом патроне, а патронные – для обработки штучных (литых или штампованных) заготовок, устанавливаемых в кулачковых патронах или центрах. Как правило, автоматы являются прутковыми, а полуавтоматы – патронными.

   Токарные  автоматы и полуавтоматы применяют для обработки деталей сложной формы несколькими инструментами, которые устанавливаются на суппортах и в специальных приспособлениях. По степени универсальности токарные автоматы и полуавтоматы делят на универсальные, предназначенные для обработки разных деталей, и специализированные, имеющие более узкое назначение. По числу шпинделей токарные автоматы и полуавтоматы делят на одно- и многошпиндельные, по расположению шпинделей – на горизонтальные и вертикальные.

   Одношпиндельные токарные автоматы применяют в крупносерийном и массовом производствах для изготовления мелких деталей из прутков и труб. По технологическому назначению они делятся на фасонно-отрезные, продольного точения и револьверные.

   Фасонно-отрезные автоматы предназначены для изготовления коротких деталей сравнительно простой формы из прутка диаметром до 40 мм.

   Продольной  подачи эти автоматы не имеют. Перед закреплением в патроне пруток с помощью специального устройства подается отводимого упора 6.

   На  автоматах продольного точения изготовляют сравнительно длинные детали диаметром до 32 мм. Особенностью этих автоматов является то, что движение продольной подачи осуществляется в них не резцами, как обычно в станках токарной группы, а обраба-тываемым прутком.

   Одношпиндельные токарные полуавтоматы выпускаются с горизонтальным (реже вертикальным) расположением оси шпинделя. Все они являются многорезцовыми станками. Общее число режущих инструментов в наладке доходит до нескольких десятков.  Все полуавтоматы этого типа делят на три вида: многорезцовые,  копировальные и многорезцово-копировальные.

   Многорезцовые токарные полуавтоматы применяют в крупносерийном и массовом производствах для обработки ступенчатых валов, втулок, поршней, шкивов, шестерен, блоков зубчатых колес и тому подобных деталей, устанавливаемых в центрах, в патроне или на оправке. Идея многорезцовой обработки заключается в том,  что обрабатываемая поверхность заготовки разбивается по длине  на ряд участков, каждый из которых обрабатывается своим резцом. Это позволяет существенно сократить машинное время.

   По  компоновке многорезцовые полуавтоматы аналогичны универсальным токарным станкам, но отличаются наличием двух  суппортов: продольного и поперечного. На продольном суппорте устанавливают проходные резцы, которые, врезаясь на определенную глубину резания, производят затем совместное обтачивание различных поверхностей заготовки. На поперечном суппорте, совершающем движение поперечной подачи, устанавливают подрезные, фасонные и канавочные резцы.

   Копировальные полуавтоматы (моделей 1712, 1722 и др.) позволяют вести обработку при меньших мощностях привода, поскольку основной профиль заготовки обрабатывается всего одним резцом. Полуавтомат имеет гидравлический привод для перемещения суппортов и зажима заготовки, а также гидрокопировальное устройство для воспроизведения профиля детали по копиру. 

   На  копировальных полуавтоматах все  движения, кроме вращения заготовки, осуществляются от гидропривода, который обеспечивает рабочие подачи и быстрый отвод суппортов, движение копирования, поджим пиноли задней бабки, растормаживание и торможение шпинделя. Эти полуавтоматы имеют значительные преимущества перед многорезцовыми полуавтоматами, снабженными ку-лачковыми распределительными валами, так как гидравлический  Привод облегчает и упрощает автоматизацию, снижая продолжи- тельность наладочных работ и уменьшая подготовительно-заключи- тельное время.

   Третья  разновидность одношпиндельных токарных полуавтоматов - многорезцово-копироеальные (модели 1708, 1713) - сочетает  в себе лучшие качества двух предыдущих видов полуавтоматов. Это гидрофицированные станки, на которых копирование может вестись с одного-двух верхних копировальных суппортов, независимо каждым от своего копира, а один-два нижних поперечных суппорта также могут производить обработку независимо многими резцами.

   На  одношпиндельных токарных полуавтоматах  обрабатывают заготовки с наибольшим диаметром от 160 до 800 мм и длиной от 100 до 2800 мм. Эти станки могут быть оснащены автоматическими  загрузочными устройствами (т. е. превращены в автоматы) и встроены в автоматические линии.

   С целью повышения производительности в условиях крупносерийного и массового производств применяют многошпиндельные токарные автоматы и полуавтоматы, имеющие несколько (4 - 12, чаще 4, 6 или 8) одновременно работающих шпинделей. У многошпиндельных автоматов шпиндели расположены горизонтально, у многошпиндельных полуавтоматов — горизонтально или вертикально.

   На  многошпиндельных токарных автоматах производят цен-трование, черновое, чистовое и фасонное обтачивание, подрезку торцов и уступов, снятие фасок, проточку канавок, сверление, зенкерование и развертывание отверстий, нарезание внутренних и наружных резьб, фрезерование шлицев, отрезку. Кроме того, можно выполнять обработку без снятия стружки: накатку рифлении, резьбы, раскатку отверстий и т. п.

   Многошпиндельные токарные автоматы выпускаются для обработки прутка максимальным диаметром от 36 до 125 мм.

   Многошпиндельные  токарные полуавтоматы предназначены для изготовления деталей из литых или штампованных заготовок, а также из кусков проката. На этих станках производят точение и растачивание цилиндрических, конических и фасонных поверхностей сверление, зенкерование. развертывание, нарезание резьбы и другие виды токарной обработки,

   Горизонтальные  многошпиндельные полуавтоматы обычно проектируют на базе шестишпиндельных автоматов. Главное отличие этих полуавтоматов состоит в том, что установку в патрон штучных заготовок производят вручную. Поэтому шпиндель, попадающий в загрузочную позицию, останавливаются для снятия готовой детали и установки новой заготовки, в то время как все остальные шпиндели продолжают вращаться, производя обработку деталей. По окончании загрузки шпиндель начинает вращаться, и после поворота шпиндельного блока заготовка, попадая в очередную позицию, обрабатывается. В загрузочной позиции имеются устройства для включения и выключения вращения шпинделя и зажима заготовки в патроне. В остальном устройство горизонтальных многошпиндельных полуавтоматов не отличается от устройства автоматов. На этих полуавтоматах отрабатывают заготовки диаметром 100 - 250 мм.

   Токарную  обработку средних и крупных  штучных заготовок удобно производить на вертикальных многошпиндельных полуавтоматах. Их вертикальная компоновка облегчает загрузку тяжелых заготовок и снятие обработанных деталей. Шпиндели станка разгружены от изгибающей нагрузки, создаваемой весом заготовки. Станок занимает мало места.

   Различают вертикальные многошпиндельные полуавтоматы параллельного и последовательного  действия. Станки параллельного действия представляют собой как бы несколько одношпиндельных станков, соединенных в единый агрегат.

   В вертикальных многошпиндельных полуавтоматах последовательного действия каждый шпиндель последовательно занимает ряд позиций, в которых производятся различные переходы в соответствии с принятым технологическим процессом.