Технологія виготовлення виробів литтям

  Державний вищий навчальний заклад

  «Українська академія банківської справи

  Національного банку України»

  Кафедра менеджменту 
 
 
 
 

  Реферат

  з дисципліни «Системи технологій»

  на  тему:

  «Виготовлення виробів литтям» 
 
 

                                                                                         Виконала: ст. гр. БС-03

                                                                 Нікитіна Інна

                                                                Перевірив:

                                                                 канд. наук з держ. упр.,   доц. Мартиненко В.О.  
 
 
 
 

  Суми – 2011

  Зміст

Вступ

     Суть  ливарного виробництва полягає в тому, що фасонні заготовки (іноді деталі) виготовляють заливанням розплаву в ливарні форми, порожнини яких за розмірами і конфігурацією відповідають цим заготовкам. Такі заготовки називають відливками (виробами).

     Ливарні сплави повинні мати такі властивості, як: добра рідкотекучість (здатність добре заповнювати форму), невелика усадка, мала ліквація (неоднорідність хімічного складу в різних частинах відливка). Для виплавлення ливарних сплавів використовують ливарні печі (для чавуну - вагранки, для сталі – конвертери, мартенівські, електричні печі, для кольорових металів та їх сплавів – електричні печі). Іноді використовують раніше виплавлені метали і сплави. Їх переплавляють і використовують для заливки.

       Спосіб лиття має багато переваг в порівнянні з іншими методами виготовлення відливків, тому одержав значне поширення в машинобудуванні та приладобудуванні. Тільки методами лиття можливо отримати складні за конфігурацією і геометрією заготівки із чорних та кольорових сплавів з високим (75-98%) коефіцієнтом використання металу.

     Лиття часто не тільки простіший, але й економічніший за інші способи виробництва. Зазначені можливості методу дозволяють максимально наблизити відливок до готової деталі, а в ряді випадків одержати литу деталь, додаткова обробка якої перед складанням не потрібно. Внаслідок цього різко знижуються трудомісткість і вартість виготовлення виробів, зменшується витрата металу й інструмента, заощаджуються енергетичні ресурси, скорочується потреба в робітників високої кваліфікації, в устаткуванні, пристосуваннях, виробничих площах.          
 

1. Загальні  відомості про виготовлення виробів  литтям

     Лиття - один з найдавніших і найпоширеніших способів виготовлення виробів і  заготівок для деталей машин  і механізмів.             Литтям називають виготовлення заготівок для виробів заповненням, наперед виготовлених ливарних форм, розплавленим металом, сплавом або іншим конструкційним матеріалом.

     Після кристалізації й охолодження  металу або сплаву виріб витягують  з форми та передають на механічне  оброблення.Відливками називають вироби, виготовленні литтям.

     Ливарні форми можуть бути разовими та багаторазовими. Разові форми використовують лише один раз; для звільнення відливка від  форми останню руйнують. Багаторазові форми використовують сотні й  тисячі разів; відливки витягають з  форми витрушуванням або виштовхуванням.

     Перші вироби, отримані литтям, належать до ІІІ-ІІ тис. до н. е. Спочатку вироби виливали з бронзи, потім із чавуну. Значного розвитку чавунне лиття набуло в  ХІІІ-ХІУ ст. Деталі, вилиті зі сталі, отримали лише в XIX ст., з алюмінієвих  і магнієвих сплавів - кілька десятків років тому. Тепер виливають відливки з нержавіючих і жароміцних сталей, магнітних та інших сплавів з особливими властивостями.

     Найдавнішим виробом, отриманим литтям, який маємо  в Україні, є дзвін. Його відлито у 1341 р. Тепер він знаходиться на дзвіниці Свято-Юрського собору у Львові. Маса цього дзвону становить 415 кг. 

     Галузь  машинобудування, яка займається виготовленням  виробів литтям, називають ливарним виробництвом.

     Жодна галузь машино - та приладобудування не обходиться без деталей, виготовлених литтям. Частка деталей, виготовлених литтям, у машинах становить близько 50%, а у верстатах - близько 80%. Литтям виготовляють блоки циліндрів і  поршні двигунів внутрішнього згоряння, лопаті газових турбін тощо.          Найбільшу кількість відливків - близько 70% загальної маси - виливають із сірого чавуну, далі йдуть сталеві відливки, відливки з мідних, алюмінієвих та інших сплавів. 

     2. Ливарні сплави та їх властивості

     Чисті метали мають незначні ливарні властивості, тому з них не виготовляють відливків. Із сплавів для виготовлення відливків  використовують лише ті, які мають  добрі ливарні властивості.

     Ливарними сплавами називають ті сплави, які  мають добрі ливарні властивості.

     До  них належать чавуни, сталі, бронзи, сілюміни тощо.

     Найважливіші  ливарні властивості сплавів - текучість  розплаву, усадка, ліквація, температура  плавлення.

     Текучістю називають здатність розплаву швидко заповнювати порожнину ливарної форми. За доброї текучості розплав точніше відтворює внутрішню конфігурацію форми, ніж за поганої. Найтекучішими є евтектичні сплави.     Текучість сплавів залежить від температури нагрівання: з підвищенням температури текучість розплавів зростає. У процесі виготовлення відливків використовують сплави з оптимальною економічно вигідною температурою плавлення.

     Усадкою називають властивість розплавів  зменшувати свій об'єм при охолодженні  від температури заливання до кімнатної.

     Усадка  залежить від хімічного складу сплаву, температури заливання розплаву та інших чинників. Розрізняють усадку об'ємну та лінійну. Так, лінійна усадка сірого чавуну дорівнює 1%, сталі – 2%. Усадка спричиняє утворення раковин, пор, тріщин у відливках.

     Ліквацією (від лат. “liquatio" - розтоплення, розплавлення) називають неоднорідність хімічного складу сплаву в різних частинах відливка після кристалізації й охолодження до кімнатної температури.

     Ліквація  залежить від хімічного складу сплавів  і швидкості охолодження відливка. Так, у чавунах і сталях сірка, фосфор і вуглець збираються у  верхній і центральній частинах відливка. Важкі компоненти сплавів  (Pb, Sn та ін.) збираються у нижній частині відливка. Ліквації запобігають перемішуванням розплавів перед заливанням у форми та прискореним охолодженням у процесі кристалізації.

     Ліквація  істотно впливає на властивості  відливка: чим вона менша, тим кращі  механічні властивості відливка.

     Чавуни. Для виготовлення відливків використовують сірий і білий чавуни. Основну  масу відливків виробляють із сірого чавуну. Це пояснюється його невеликою вартістю (порівняно з іншими сплавами), добрими ливарними властивостями, відносно невисокою температурою плавлення (1100-1200^оС); великою текучістю розплаву, незначною усадкою (близько 1%). Відливки, отримані із сірого чавуну, майже в 1,5 рази дешевші, ніж зі сталі, і в кілька разів дешевші, ніж відливки із сплавів кольорових металів. Із чавуну виготовляють деталі машин і механізмів, які не зазнають великих ударних навантажень.

     Шихта складається з твердого чавуну або сталевого або сталевого скрапу, феросплавів, палива (коксу) і флюсів у певних пропорціях. У ливарних цехах чавун плавлять переважно в печах стовбурного типу, які називають вагранками.

     Сталі. Порівняно з чавунами розплавлені  сталі мають гірші ливарні  властивості: меншу текучість, що утруднює заповнення ливарної форми, більшу усадку, вищу температуру плавлення (1400-1540^оС). Проте добрі механічні властивості сталевих відливок надають сталі широкого використання в ливарному виробництві.

     Відливки  виробляють із доевтектоїдних вуглецевих сталей, які містять до 0,8% С.

     Крім  вуглецевих сталей відливки виробляють із конструкційних легованих сталей, зносостійких та інших сталей з особливими властивостями.

     Для ливарних цехів сталь виплавляють  у кисневих конвертерах, мартенівських  та електричних печах.

     Сплави  кольорових металів. Для виготовлення відливків використовують  мідні, алюмінієві та інші сплави, які мають добрі ливарні властивості. Мідні сплави розплавляють у дугових, індукційних і полуменевих печах. Полуменеві печі використовують рідше, оскільки в них витрачається багато палива, а пічні гази окислюють мідні сплави.

     Для розплавлення алюмінієвих сплавів  використовують електричні печі спеціальної  конструкції. 

3. Підготовлення металевих форм до заливання розплавом

     Перед заливанням розплаву у форму на її внутрішню поверхню, яка контактує  з розплавом, наносять вогнетривке  покриття або спеціальну фарбу, щоб  збільшити тривалість використання форми, поліпшити поверхню відливка, полегшити звільнення відливка від  форми, а в разі отримання сталевих відливків - запобігти поверхневому гартуванню.   Потім форми нагрівають до температури 100-300°С. Нагрівання форми полегшує заповнення її розплавом і. захищає від передчасного руйнування внаслідок великої різниці температури форми та розплаву.  Металеві форми на відміну від разових не газопроникні, тому для запобігання утворенню браку у форми вставляють газовиводи у вигляді трубок або форму чи розплав вакуумують. 

4. Лиття в  разові ливарні форми

     Найпоширенішими способами лиття в разові форми  є лиття в піщано-глиняні форми; лиття в оболонкові форми та у  форми, виготовлені за моделями, які  витоплюються, розчиняються або перетворюються на газ. Найбільшу кількість відливків  виробляють у піщано-глиняних формах.

       Такі форми є одноразовими, їх виготовляють зі спеціальної піщано-глиняної (формової) суміші. До складу цієї суміші в певних пропорціях входять кварцовий пісок, глина та різні домішки (протипригарні, зв'язуючі, пороутворюючі та ін.). При цьому способі для кожної відливки потрібно виготовляти форму. Щоб її виготовити необхідно мати: модель (аналог) деталі та ливникової системи; підмодельну плиту, на яку буде встановлюватися модель деталі; стрижень, для утворення у відливку отвору або заглибини (виготовляють стрижні з піщано-глиняної суміші); опоку (ящик), в якій виготовляється сама форма. Крім цього потрібні ливарні інструменти, за допомогою яких виконуються всі операції при виготовленні форми.          

     Процес  виготовлення форми називається  формуванням. Розрізняють формування ручне і машинне. Ручне формування трудомістке і вимагає багато часу. До того ж, під час виготовлення форми дуже часто виникають дефекти, тоді форму руйнують і виготовляють знову. Більше 90% разових форм виготовляють машинним формуванням.     

     При машинному формуванні процеси наповнення та ущільнення формової суміші, виймання моделі з форми механізовано. Машинне  формування застосовують у серійному  і масовому виробництвах. Воно забезпечує кращу якість відливка, поліпшення умов праці, підвищення продуктивності, не вимагає високої кваліфікації робітників. Для машинного формування використовують пресові, струшувальні, піскометальні, комбіновані машини.  Виготовляють разові форми з двох (іноді більше) частин. Спочатку виробляють нижню півформу, потім верхню, а далі їх складають. Перед складанням внутрішні поверхні півформ очищають від випадкових частинок формової суміші стисненим повітрям (обдувають) і, якщо у відливку має бути отвір, вставляють стрижень 1 (рис. 1). Далі верхню півформу накладають на нижню. Положення опок у процесі складання форми фіксується штирями 2. Форма готова до заливання.

     Рис. 1. Відливок (а) і форма для його виготовлення (б)    Для підвищення міцності форм, їх іноді підсушують. Це роблять при виготовленні великих відливків.

     Заливають форми металом за допомогою ковшів. Заливання потрібно проводити безперервно і рівномірно. Ливникова чаша має бути повною, струмина металу однакового поперечного перерізу. Форми розміщують зручно для заливання - на підлозі, на конвейєрі, на візках. Далі залиті металом форми подають на охолодження, час якого залежить від маси відливка, виду сплаву, властивостей формової суміші.

     Після охолодження відливки вибивають із форм. Для цього використовують вибивні решітки, коромисла, вібраційні столи. Стрижні вибивають на пневматичних вібраційних машинах. Великі стрижні вимивають сильним струменем води під тиском 3-10 МПа. 

     Відливки, звільнені від форм і стрижнів, подають на обрубування, де видаляють  ливникову систему. А далі їх очищають (щітками, пневматичними зубилами, в обертових барабанах, дробом, піском, водою, стисненим повітрям).             Техніко-економічні показники.

     При такому способі можна виготовляти  будь-які відливки (за формою, розмірами, конфігурацією), технологія виготовлення відливків проста, такий процес можна  організувати на будь-якому підприємстві, відливки мають низьку собівартість. Не можна не наголосити на негативних моментах. Це невисока продуктивність, низька якість відливків, великі припуски на механічну обробку, великі витрати  ливарних матеріалів, низький рівень механізації й автоматизації, велика кількість браку. 

5. Лиття в багаторазові ливарні форми

     Недоліком способів лиття в разові ливарні форми є те, що форми використовують лише один раз і для того, щоб витягнути відливок, форму руйнують.

     У формах багаторазового використання можна  виготовити сотні тисяч штук відливків. Ці форми виготовляють із чавуну, сталі, алюмінієвих та інших сплавів.

       Використання багаторазових форм у ливарному виробництві має ряд переваг порівняно з литтям у разові форми: відсутність стрижневих і фермових сумішей, модельно-опокового обладнання, дільниць для звільнення форми від моделі та вибування форм; зменшення кількості пилу в ливарному цеху та поліпшення санітарних умов праці; обслуговування багаторазових форм не потребує фахових робітників; вища продуктивність праці; отримані відливки мають велику щільність, а також точність розмірів і малу шорсткість поверхні, що скорочує або зовсім вилучає механічне оброблення їх на різальних верстатах.

       Проте лиття в металеві форми має недоліки: велику вартість металевих форм, через що їх застосовують лише в серійному та масовому виробництві; деякі форми трудно виготовити для відливків складної конфігурації тощо.

       Серед відомих способів лиття в багаторазові форми найширше застосовують лиття в кокіль, відцентрове лиття, лиття під тиском тощо. 

1. Лиття в кокіль

     Кокіль - це металева багаторазова форма, для  виготовлення якої використовують чавун  або сталь. У такій формі можна  виготовляти сотні тисяч відливків.

       Кокіль (рис. 2) складається з двох половин 7 і 8, які центруються напрямними штирями 3. У зовнішніх стінках кожної половини для швидкого охолодження кокілю вилито пальці 9. Розплав заливають у чашу 4, і стояком 2 та живильниками 1 він надходить до порожнини форми 10. Для виходу газів зроблено винор 5. Для утворення у відливку отвору служить стрижень 6. Стрижні тут можуть бути металеві та зі стрижневої суміші. Для виходу повітря з форми під час заповнення її рідким металом у площині рознімання на різній висоті прорізують вентиляційні канали завглибшки 0,3-0,5 мм. Перед заливанням поверхню металевої форми ретельно очищають від попереднього облицювання і покривають протипригарними покриттями, щоб ізолювати від стикання з рідким розплавом і збільшити термін її служби, поліпшити поверхню відливка, зменшити швидкість охолодження і запобігти відбілюванню чавуну. Крім того, перед заливанням кокіль нагрівають до 250-300°С.

       Техніко-економічні показники.

     Лиття в кокіль - високопродуктивний процес. У кокілях одержують точні  за розмірами відливки із дрібнозернистою  структурою і хорошими механічними  властивостями. При такому литті  зменшуються площі цеху, поліпшуються умови праці робітників. Цим способом можна одержувати відливки з чавуну, сталі, сплавів кольорових металів. Разом з тим кокілі дорогі, мають низьку газопроникність і піддатливість, що призводить до утворення тріщин, газових раковин. Відливки з сірого чавуну мають відбілену поверхню, що погано обробляється і такі відливки перед обробкою різанням потребують термічної обробки. Такий спосіб лиття вигідний у випадку простих форм відливків. 

       Рис. 2. Металева форма (кокіль) 

     5.2. Відцентрове лиття

      При відцентровому  литті розплав заливають у  форму, що обертається навколо горизонтальної або вертикальної осі (рис. 3). Розплав  відтісняється до стінок форми відцентровою силою. Форму обертають до повного  затвердіння розплаву.

           Рис. 3. Схеми відцентрового  лиття       Процес відцентрового лиття відбувається на машинах з горизонтальною і вертикальною осями обертання. На машинах з горизонтальною віссю обертання отримують відливки значної довжини (труби, гільзи). Швидкість обертання форми забезпечує однакову товщину стінок по довжині. На машинах з вертикальною віссю обертання отримують відливки невеликої висоти, через різницю товщини стінок по висоті.     Техніко-економічні показники.

     При відцентровому литті виготовляють якісні відливки з дрібнозернистою  структурою. Відливки мають підвищену  щільність і міцність у поверхневому шарі. Цим способом можна виготовляти  тонкостінні відливки, безшовні труби  з непластичних сплавів. Цей процес високопродуктивний. Проте відцентровим литтям виготовляють тільки такі відливки, що мають форму тіл обертання. Важко отримувати відливки зі сплавів, схильних до ліквації, а труби із сірого чавуну мають відбілену поверхню. 
 

     5.3. Лиття під тиском

       При цьому способі лиття розплав  заповнює металеву форму під  тиском поршня або стисненого  повітря (рис. 4).

      Рис. 4. Схема  лиття під тиском      Розплав подається порціями у вертикальну камеру пресування 2. При русі вниз поршень 1 тисне на розплав, котрий через живильний канал 3 заповнює порожнину прес-форми 5. Дається невелике витримування до 30 секунд. Залишок розплаву 6 виштовхується п'ятою 4. Далі рухома частина прес-форми 8 відводиться і відливок 7 легко вилучається. Для отримання отворів і внутрішніх порожнин використовують металеві стрижні. Прес-форму, як і кокіль, перед початком роботи підігрівають і змащують. Тиск поршня при пресуванні досягає 200МПа. Машини для лиття під тиском мають холодну і гарячу камеру пресування.

       Техніко-економічні показники. При литті під тиском одержують відливки високої точності (11-13 квалітети), з малою шорсткістю поверхні, складної конфігурації, з тонкими стінками, зі сплавів з поганою рідкотекучістю. Цим способом можна одержувати відливки з різьбою, отворами до 2мм, написами. Процес високопродуктивний: продуктивність сучасних машин при роботі в автоматичному режимі сягає 3000 відливків за годину.

     Лиття під тиском застосовують лише для  сплавів легких металів (алюмінієвих, магнієвих), рідше для цинкових і  мідних, не використовують для сталі  та чавуну. Процес дорогий, тому що прес-форми  виготовляють із дорогих легованих  сталей (вони дорожчі за кокілі у 3-5 разів). Маса відливків не більша 50 кг.

       Якісні відливки можна виготовляти й іншими прогресивними способами - литтям за виплавлюваними моделями, в оболонкові форми, вакуумним засмоктуванням, електрошлаковим.

       Кожен із цих способів має свої особливості, галузі використання, переваги і недоліки.  

6. Дефекти відливків та їх виправлення

     Контроль  якості відливків починають із зовнішнього  їх огляду, потім перевіряють їх розміри, механічні властивості, хімічний; склад та структуру.

     Якщо  відливки не відповідають вимогам; кажуть, що вони браковані. Основними причинами  отримання бракованих відливків  є порушення технології виготовлення ливарних форм, заливання їх розплавом  та звільнення відливків від форм.

     Браковані відливки мають дефекти, основними  з яких є раковини (газові, усадкові, шлакові та ін), тріщини (гарячі, холодні), пошкодження поверхні відливків (пригар,, оксидні плівки, спаї тощо), невідповідність форми, розмірів і маси відливка кресленню виробу (перекіс, недоливи, переливи, короблення тощо). 

     Раковини  виникають з різних причин. Так, газові раковини мають відливки, виготовлені  в сирих формах або у формах, які мають велику здатність виділяти гази та низьку здатність пропускати їх. Погано розкиснений розплав також спричинює утворення газових раковин. Під час різкого переходу від тонкої частини виливка до товстої виникають усадкові раковини та нещільність. Причиною утворення усадкових раковин є надто перегрітий розплав, шлакові раковини спричинені недосконалістю конструкції шлаковловлювачів.

       Тріщини у відливках виникають унаслідок недостатньої податливості форм і стрижнів та нерівномірного охолодження. У першому випадку утворюються гарячі тріщини, у другому-холодні.

     Дефекти поверхні спричинені недостатньою вогнетривкістю фермової та стрижневої сумішей. Унаслідок  цього виникає пригар.

     Доливання форми прохолодним розплавом  призводить до утворення спаю, який погіршує міцність виробу.

     Невідповідність форми, розмірів і маси відливка кресленню  виробу може виникнути з багатьох причин: неточно складена форма і  вставлені стрижні (буде перекіс), заливання  форми прохолодним розплавом (зменшиться його текучість), нерівномірне охолодження  окремих частин відливка (спричинить виникнення внутрішніх напружень і, як наслідок, - короблення). Дефекти поділяють на виправні та невиправні.

       Не виправні дефекти мають великі розміри. Виправляти такі дефекти економічно невигідно. Відливки з такими дефектами переплавляють. Виправні дефекти мають малі розміри, їх економічно, вигідно виправляти. 

7. Високі  технології лиття в Україні

     Україна споконвіку славилася мистецтвом ливарництва. За радянських часів чи не перше місце в світі займали по литтю металу на душу населення. Системна інтеграція вітчизняної економіки в світовий економічний простір, про що свідчить недавній вступ України у ВТО, стимулює розвиток конкурентноздатних технологій в наший країні, зокрема в машинобудуванні при зниженні металоємності і собівартості продукції за рахунок виробництва високоточних деталей-виливків. Статистика випереджаючого зростання оброблювальної промисловості в Україні свідчить про необхідність розвитку металозаготівельної бази на інноваційно-інвестиційній основі.   Інвестиції тоді вигідні, коли вони вкладаються в нову технологію. У ливарній справі стає все популярнішою зручна технологія, коли отримати модель виливка означає вже наполовину отримати виливок. Модель виливка з пінополістиролу (пінопласту), така, як упаковка від телевізора, або разова харчова тарілка, яких штампують мільйонами на автоматах, а плитами пінополістиролу утеплюють зовнішні стіни висотних будинків.