Особенности и разновидности литейных форм

Лекция №1

Тема. Введение. Общие сведения о процессах получения отливок.

Содержание. История развития литейного производства. Понятие о процессе получения отливок в разовых песчаных формах. Особенности и разновидности литейных форм. Модельно-опочная оснастка. Элементы литниковой системы, их взаимное расположение.

История развития литейного производства

Литье – один из древнейших способов обработки металлов, заключающийся в заливке расплавов металлов в специально приготовленные формы, внутренняя полость которых соответствует конфигурации, подлежащей изготовлению отливки.

Мастерством литья хорошо владели скифы, населявшие около 2,5 тысяч лет тому назад Приднепровье и Приазовье. Отлитые ими с большим искусством золотые и бронзовые украшения хранятся во многих музеях нашей страны.

Широкое развитие литье получило в древней Руси. Мастерство русских литейщиков ХIV-ХVII в., особенно в изготовлении колоколов и пушек, считалось непревзойденным. До настоящего времени вызывают изумление украшающие Московский Кремль «Царь-пушка» массой 38,4 т, отлитая Андреем Чоховым в 1586 г., и крупнейший в мире «Царь-колокол» массой около 200 т, изготовленный выдающимся мастером-литейщиком ХVIII в. Иваном Моториным (1735 г.).

Замечательными образцами монументального искусства являются отлитые в России памятники, например «Медный всадник» – памятник Петру Первому, установленный на площади декабристов в Ленинграде, или памятник Минину и Пожарскому на Краевой площади в Москве.

В середине ХVIII в. основы науки о металлах были заложены великим русским ученым М.В. Ломоносовым. Дальнейшее развитие эта наука получила в трудах основоположника металловедения и термообработки стали, крупнейшего специалиста в области теории металлургических процессов Д.К. Чернова (1839-1921).

Неоценим также вклад в науку о металлах металлургов А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого, изучивших причины образовании в отливках ликвации, газовых раковин, внутренних напряжений, впервые разработавших в нашей стране технологию получения высококачественных стальных отливок промышленного назначения

С началом развития машиностроения (около 100 лет тому назад) начинает создаваться обслуживающее его литейное производство, появляются оснащенные специальным оборудованием литейные цехи. Уже в 1930-1935 гг. на заводах крупносерийного и массового производства (автомобильных, тракторных и др.) появляются комплексно-механизированные цехи с литейными конвейерами.

Развитие литейной базы всех отраслей машиностроения нашей страны в предвоенные годы обеспечило в период Великой Отечественной войны выпуск необходимого количества отливок для самолетов, танков, пушек, боеприпасов.

Несмотря на развитие и совершенствование других способов изготовления заготовок промышленных деталей, например ковки, штамповки, производство отливок возрастает, а номенклатура их расширяется, в том числе в новейших областях техники: авиа- и ракетостроении, электронном машиностроении и приборостроении.

Это определяется большими возможностями литья. Еще в I в. до нашей эры римский поэт и философ Тит Лукреций Кар писал в поэме о природе вещей: «...металлам, расплавленным жаром, может дана быть фигура и форма какая угодно». Действительно, литьем можно получить практически любые по сложности конфигурации изделия, в том числе детали машин массой от нескольких граммов до сотен тонн, часто невыполнимые другими способами обработки металлов. Следует отметить, что изготовление деталей литьем является наиболее экономичным процессом, позволяющим получать их с наименьшими затратами рабочего времени, металла, электроэнергии и топлива. Применяемые в настоящее время способы литья повышенной точности обеспечивают получение отливок с минимальными припусками на механическую обработку, а в ряде случаев – готовых деталей без обработки их резанием.

В настоящее время отливки широко используют не только в машиностроении и приборостроении, но и при изготовлении отдельных частей строительных конструкций, доменных печей и других металлургических агрегатов, судов, деталей бытового оборудования, сантехники, художественных и ювелирных изделий.

Для современного состояния литейного производства характерны комплексная механизация и автоматизация технологических операций, а также использование разнообразнейших процессов литья: в разовые песчаные и многократные металлические формы, под давлением, центробежным способом, выжиманием, вакуумным всасыванием, с направленной кристаллизацией и т.д.

Понятие о процессе получения отливок в разовых песчаных формах

 Общая схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлена на рис.1.

Особенности и разновидности литейных форм

В литейном производстве роль основного инструмента для изготовления отливок выполняет литейная форма. Она представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

На рис.2-3 приведены основные разновидности современных литейных форм, однако они не отражают полностью их многообразия.

Так, только для одного вида неметаллических форм – неразъемных, оболочковых, получаемых по выплавляемым моделям, можно назвать свыше 10 разновидностей, существенно различающихся составом, структурой, способами изготовления и назначением.

Многообразие современных литейных форм (при правильном выборе их разновидности для каждого конкретного случая) открывает возможность экономично, в соответствии с требованиями к качеству, изготовлять различные по массе, конфигурации, точности и свойствам металла отливки практически из любых сплавов.

Наиболее распространены в мировой практике литейного производства песчаные формы, изготовленные из различных составов и различными способами и предназначенные для заливки под действием гравитационных сил свободно падающей струей расплава. В нашей стране в песчаных формах изготовляют около 80 % всех отливок.

Распространенность способа литья в песчаные формы связана с его дешевизной, применимостью для изготовления отливок из различных сплавов – легких и тяжелых, цветных, чугунов и сталей, а также со сравнительно невысокими затратами на оснастку и приспособления.

Изготовление отливок в разовых песчаных формах наряду со многими достоинствами обладает и рядом недостатков. Для получения каждой отливки необходимо выполнить ряд трудоемких, даже в условиях механизированного производства операций (рис.1). При заливке песчаных форм расплавом и охлаждении в них отливок происходят процессы испарения влаги и выгорания связующих, при формовке и выбивке отливок неизбежно образование пыли, что вызывает необходимость соблюдения специальных мер по технике безопасности и охране окружающей среды. Сами формы значительно подвержены силовому, тепловому и химическому воздействию заливаемого расплава, нередко приводящая к снижению размерной точности отливок и образованию на их поверхности трудноудаляемой корки пригара, состоящей из приварившегося формовочного материала и продуктов его взаимодействия с расплавом.

В последние годы более высокими темпами развиваются специальные способы литья, позволяющие значительно расширять области рационального использования литых заготовок, так как позволяют получать отливки сложной конфигурации с высокой размерной точностью и малой шероховатостью поверхности.

Следует отметить, что области каждого специального способа литья ограничены. Это связано обычно с высокой стоимостью технологической оснастки, например металлических пресс-форм для литья под давлением; необходимостью использования дорогостоящих материалов для изготовления форм, например этилсиликатного связующего, а также электрокорунда, муллита, циркона и других высокоогнеупорных материалов при литье по выплавляемым моделям, фенолоформальдегидных смол и обогащенных кварцевых песков при литье в оболочковые формы. Для многих специальных способов литья требуется сложное дорогостоящее оборудование, а сам технологический процесс получения отливки длителен (литье с направленной кристаллизацией жаропрочных сплавов, центробежное литые в вакууме титановых сплавов и др.).

Таким образом, перспективы развития литейного производства связаны с совершенствованием технологии литья как в песчаные формы, так и специальных способов получения отливок в металлических, керамических, графитовых и других формах с внедрением малоотходных и безлюдных автоматизированных технологических процессов на основе широкого использования АСУТП, ЭВМ и микропроцессорной техники.

Модельно-опочная оснастка

Под модельным комплектом понимают набор элементов технологической оснастки, необходимых для образования при формовке рабочей полости литейной формы.

В зависимости от способа формовки (ручной, машинный), размеров и сложности получаемых отливок в состав модельного комплекта входят модели, подмодельные и модельные плиты, модели элементов литниковых систем и питания отливок, прессовые модельные плиты.

При получении отливок, имеющих форму тел вращения, в качестве формообразующих видов оснастки (вместо моделей и стержневых ящиков) применяют формовочные и стержневые литейные шаблоны.

При наличии в отливках внутренних полостей и неформуемых элементов (выступающие бобышки и ребра, поднутрения и углубления) в состав модельного комплекта входят стержневые ящики. Число входящих в модельный комплект стержневых ящиков зависит от сложности конфигурации отливок.

Кроме указанных выше формообразующих видов модельной оснастки в модельные комплекты могут входить контрольные сборочные шаблоны (при получении конкретных отливок), контрольные стержневые шаблоны и кондукторы, а также вентиляционные и сушильные плиты.

Литейная модель служит для образования в литейной форме отпечатка, соответствующего конфигурации и размерам отливки. По конструкции, которая обусловливается удобством формовки. Модели подразделяют на неразъемные и разъемные (рис.4).

а – неразъемные; б – разъемные, в – с отъемными частями;

1 – шипы, 2 – знаки, 3 – отъемные части, 4 – гвозди

Рис.4. Типы моделей

Неразъемные модели (рис.4,а) применяют при получении не сложных по конфигурации отливок, преимущественно заформовываемых в одной половине формы. Разъемные модели (рис.4,б) широко используют при производстве отливок более сложной и разнообразной конфигурации, когда модель формуется в двух опоках и более. В единичном и мелкосерийном производстве, когда оформлять выступающие элементы отливок стержнями экономически нецелесообразно, в моделях предусматривают отъемные части (рис.4,в), которые остаются на рабочей поверхности формы после извлечения из нее модели, затем извлекают и отъемные части. Крепление отъемных частей на основании модели производят стальными гвоздями или шипами со скосами.

Точное соединение частей разъемных моделей осуществляется с помощью деревянных шипов или металлических дюбелей. Для легкого извлечения из полуформы боковые поверхности моделей снабжают уклонами. Удобство извлечения модели из полуформы при ручной формовке достигается с помощью металлических приспособлений, закрепляемых на модели, которые называют подъемами (рис.5).

Рис.5. Подъем в моделях

Подмодельные плиты служат для образования в форме плоскостей разъема. При ручной формовке применяют деревянные подмодельные плиты, склеиваемые из строганых досок, а при машинной – металлические фасонные, обычно отливаемые из серого чугуна, служащие основой для монтажа модельных плит (рис.6).

Модельные плиты применяют при машинной формовке. Модельные плиты представляют собой тщательно обработанные металлические фасонные плиты 1 с моделями отливок 2 и элементов 3 литниковых систем, а также двумя штырями 4, предназначенными для фиксации устанавливаемых опок. Для закрепления на столе формовочной машины в подмодельных плитах предусматривают приливы с пазами 5 или отверстиями.

Модельные плиты могут быть цельнолитыми (с размерами для опок в свету не более 500×600 мм) и наборными, на которых модели отливок и элементов литниковой системы крепятся болтами и винтами.

С учетом технологических особенностей машинной формовки различают несколько типовых конструкций модельных плит:

- односторонние (рис.6,а), применяемые при раздельном изготовлении полуформ на двух машинах;

- двусторонние (рис.6,б), предназначенные для формовки на одной машине;

- протяжные (рис.6,в), предназначенные для получения сложных по конфигурации отливок с малыми формовочными уклонами или без них (например, шестерня с литыми зубьями).

а – односторонняя; б – двусторонняя; в – протяжная; г – быстросменные;

1 – подмодельные плиты; 2 – модели отливок; 3 – модели элементов литниковых систем; 4 – штыри; 5 – приливы для крепления модельной

плиты на столе формовочной машины; 6 – замок; 7 – верхняя часть протяжной плиты, 8 – нижняя часть протяжной плиты, 9 – модельные вкладыши,

10 – винты

Рис.6. Модельная плита

В мелкосерийном производстве мелких отливок применяют быстросменные модельные плиты (рис.6,г), допускающие переналадку формовочной машины на производство других видов отливок; при этом на смену деревянных вкладышей с прочно закрепленными на них моделями отливок и элементов литниковой системы затрачивается небольшой промежуток времени.

К опочной оснастке относят опоки, штыри, крепежные приспособления литейные жакеты и подопочные плиты.

Опоки (рис.7) представляют собой жесткие металлические рамки, служащие для набивки и удержания смеси при изготовлении литейных форм, удобства их транспортирования на участки заливки и выбивки. Опока придает форме повышенную прочность, необходимую для противодействия давлению заливаемого в нее литейного расплава.

Размеры опок регламентируются ГОСТ 2133-75 и колеблются в пределах (в свету) от 500×400 до 3000×2500 мм при диапазоне высот 150-1500 мм. По конфигурации опоки подразделяют на прямоугольные, круглые и фасонные; в зависимости от размеров и массы – на ручные и крановые.

1 – верхняя опока; 2 – скоба; 3 – подопочная плита; 4 – крестовины, 5 – цапфы, 6 – буртики, 7 – нижняя опока, 8 – штырь

Рис.7. Крановые литые чугунные парные опоки

Штыри (рис.8) являются приспособлениями, с помощью которых осуществляется центрирование опок на модельной плите (рис.8, а) и полуформ при подготовке формы к заливке (рис.8, б). Штыри вытачиваются из прочной углеродистой инструментальной стали на металлорежущих станках. Учитывая их интенсивное изнашивание во время использования опок и модельных плит, их подвергают упрочнению – закалке.

а – неподвижные; б – съемные;

1 – подельиая плита; 2 – опока. 3 – штырь, 4 – пружинная шайба; 5 – гайка; 6 – втулка

Рис.8. Штыри

Крепежные приспособления (рис.9) предназначены для надежного соединения полуформ при подготовке формы к заливке, что предупреждает вытекание заливаемого расплава по плоскости ее разъема.

1 – грузом в виде чутки чугуна, 2 – плоским грузом (для безопочных форм);

3 – скобами, набиваемыми на конусные приливы опок; 4 – скобой с клином, 5 – болтами с винтовыми гайками, 6 – штырем с клином, 7, 8 – стальными стяжками; 9 – рамками с болтами (для стержневых форм)

Рис.9. Способы скрепления полуформ перед заливкой

Литейные жакеты выполняются в виде рамок, сваренных из листовой стали (рис.9,б). Литейные жакеты надевают на безопочные формы при подготовке их к заливке для повышения их прочности.

Подопочные плиты предназначены для установки на них готовых литейных форм, направляемых от формовочных машин на заливку и выбивку с помощью напольного тележечного конвейера в условиях массового и крупносерийного производства.

В массовом и крупносерийном производстве при ограниченной номенклатуре производимых отливок изготовление форм ведется с использованием модельно-опочных литейных комплектов, элементы которых спроектированы в расчете на конкретные отливки. В этом случае значительные затраты на проектирование и изготовление специализированной технологической оснастки окупаются высокой производительностью труда при формовке и повышением качества отливок, что обусловливается:

1. Высокой металлоемкостью литейной формы (расположением в ней максимального числа отливок).

2. Минимальным расходом смеси на форму, что обусловливает снижение трудоемкости ее уплотнения в опоке и повышение производительности формовочных машин.

3. Более высокой скоростью кристаллизации литейного расплава и формирования отливки в форме благодаря минимальной толщине слоя формовочной песчано-глинистой смеси, обладающего более высокой теплопроводностью.