Глава I Общая характеристика литейного производства

1. СУЩНОСТЬ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Литейное производство - отрасль машиностроения, технологическими про­цессами которой получают литые заготов­ки (отливки) для деталей машин: станины прокатных станов, станины металлорежу­щих станков, корпуса гидротурбин и дру­гие отливки массой в десятки и сотни тонн и маленькие детали массой в несколько граммов для радиоэлектронной промыш­ленности, часовой промышленности и других отраслей. Характерной особенно­стью литейного производства является универсальность - возможность получе­ния самых разнообразных по массе, кон­фигурации, механическим и эксплуатаци­онным свойствам фасонных заготовок (отливок) из чугуна, стали и сплавов цвет­ных металлов.

Литейное производство - один из наибо­лее распространенных методов формообра­зования заготовок. По сравнению с другими методами получения заготовок литье позво­ляет получать отливки практически не огра­ниченных габаритных размеров и массы из всех сплавов, в том числе из сплавов, не поддающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием.

Сущность литейного про­изводства заключается в приготовле­нии расплавленного металла необходимо­го качества и заливке его в специальную литейную форму. При охлаждении зали­тый металл затвердевает и в твердом со-

стоянии сохраняет конфигурацию той по­лости, в которую он был залит. В процессе кристаллизации формируются механиче­ские и эксплуатационные свойства литых заготовок, определяемые макро- и микро­структурами сплава, его плотностью, на­личием и расположением в нем неметал­лических включений, развитием в отливке внутренних напряжений, вызываемых не­однородным охлаждением ее частей. Об­щая схема изготовления отливок пред­ставлена на рис. 4.1.

Для изготовления отливок применяют множество способов литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплав­ляемым моделям, в кокиль, под давлени­ем, центробежное литье и пр. Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, тре­бованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, эко­номической целесообразностью и другими факторами.

Теория и практика технологии литей­ного производства на современном этапе позволяют получать изделия с высокими эксплуатационными свойствами. Свиде­тельством тому является надежная работа отливок в реактивных двигателях, атом­ных энергетических установках и других машинах ответственного назначения. Ли­тые заготовки используются не только в различных отраслях машиностроения и приборостроения, но и при изготовлении различных строительных конструкций доменных печей и других металлургиче-

148

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Рис. 4.1. Общая технологическая схема изготовления отливок

ских агрегатов, морских и речных судов, деталей бытового оборудования и сантех­ники, художественных и ювелирных изде­лий. Современное состояние литейного производства определяется совершенство­ванием традиционных и появлением но­вых способов литья, непрерывно повы­шающимся уровнем механизации и авто­матизации технологических процессов, специализацией и централизацией произ­водства, а также вкладом российских уче­ных в теорию литейных процессов, созда­нием научных основ проектирования ли­тейных машин и механизмов.

Важнейшими направлениями повыше­ния эффективности производства являют­ся улучшение качества, надежности, точ­ности и шероховатости поверхностного слоя отливок с максимальным их прибли­жением к форме готовых деталей, сниже­ние на 15 ... 20 % массы литых деталей против существующих путем внедрения новых, прогрессивных технологических процессов получения отливок и улучше­ние качества литейных сплавов, устране­ние вредного воздействия на окружаю­щую среду и улучшение условий труда.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК

По условиям эксплуатации независимо от способа изготовления различают от­ливки общего, ответственного и особо ответственного назначений.

К группе общего назначения относят отливки для деталей, не рассчитываемых на прочность. Конфигурация и размеры их определяются только конструктивными и технологическими соображениями.

К группе ответственного назначения относят отливки для изготовления дета­лей, рассчитываемых на прочность и ра­ботающих при статических нагрузках.

Отливки особо ответственного назна­чения используют для изготовления дета­лей, рассчитываемых на прочность и ра­ботающих при циклических и динамиче­ских нагрузках.

В зависимости от способа изготовления, массы, конфигурации поверхностей, мак­симальных габаритных размеров, толщины стенок, количества стержней, назначения и особых технических требований отливки делят на шесть групп сложности.

Первая группа характеризуется глад­кими и прямолинейными наружными по-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

149

верхностями с наличием невысоких уси­ливающих ребер, буртов, фланцев, отвер­стий. Внутренние поверхности - простой формы. Типовые детали: крышки, рукоят­ки, диски, фланцы, муфты, колеса вагоне­ток, маховики для вентилей и др.

Вторая группа характеризуется сочета­нием плоских, цилиндрических и криво­линейных поверхностей с наличием ребер, буртов, бобышек, приливов, отверстий. Внутренняя поверхность - простой формы со свободными (минимум двумя) выхода­ми наружу. Детали-представители: махо­вики со спицами, корпуса патронов, зуб­чатые колеса, буксы, подпятники, корпуса редукторов и др.

К третьей группе относят детали ко­робчатой, цилиндрической формы в соче­тании с криволинейными поверхностями, ребрами, бобышками, фланцами с отвер­стиями и углублениями. Внутренние по­лости с незначительными выступами и углублениями на одной из поверхностей, с небольшими по высоте ребрами, бобыш­ками, со свободными широкими выходами полостей на поверхность детали. Типовые детали: цилиндры ребристые, шпиндели, зубчатые колеса с литым зубом, задние бабки, корпуса редукторов массой не ме­нее 500 кг и др.

Четвертая группа характеризуется от­ливками закрытой и частично открытой коробчатой или цилиндрической формы. Наружные поверхности - криволинейные и прямолинейные с выступающими час­тями и углублениями сложной конфигу­рации. Внутренние полости - сложной конфигурации с большим количеством выступов и углублений, ребер, перемычек, бобышек, со свободным выходом на по­верхность детали минимум в одну сторо­ну. К этой группе относят корпуса перед­ней бабки, траверсы, направляющие аппа­раты и лопасти гидротурбин, станины прессов, корпуса насосов и др.

Пятая группа включает детали закры­той коробчатой и цилиндрической форм с пересекающимися под различными уг­лами ребрами на наружной поверхности, а

также высокими выступающими и углуб­ленными местами. Внутренние полости сложной конфигурации со свободным или затрудненным выходом на поверхность детали. Детали-представители: станины металлорежущих станков, крышки цилин­дров крупных дизелей, литые коленчатые валы дизелей, блоки цилиндров, корпуса центробежных насосов и др.

Шестая группа характеризуется отлив­ками с особо сложными закрытыми ко­робчатыми и цилиндрическими формами. На наружных криволинейных поверхно­стях под различными углами пересекают­ся ребра, кронштейны и фланцы. Внут­ренние полости имеют особо сложные конфигурации с затрудненными выходами на поверхность отливки. К этой группе относят станины специальных металлоре­жущих станков, сложные корпуса центро­бежных насосов, детали воздуходувок, рабочие колеса гидротурбин и другие уникальные отливки.

В зависимости от способа изготовле­ния отливок, их габаритных размеров и типа сплава ГОСТ 26645-85 устанавлива­ет 22 класса точности. Так, литьем в пес­чаные формы и центробежным литьем получают отливки 6-14 классов точно­сти, в оболочковых формах и кокилях -4-11 классов точности, в формах по вы­плавляемым моделям - 3 - 8 классов точ­ности; литьем под давлением -3-7 клас­сов точности.

3. ЛИТЕЙНАЯ ФОРМА И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

При изготовлении отливок роль основ­ного инструмента выполняет литейная форма.

Литейная форма - это система эле­ментов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным ме­таллом формируется отливка. На рис. 4.2, а показана литейная форма для тройника (рис. 4.2, б). Форма обычно состоит из нижней 2 и верхней 6 полуформ, которые изготовляют по литейным моделям 7 (рис. 4.2, г) в литейных опоках 3, 5.

150

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

4 5 6

Рис. 4.2. Литейная форма и ее элементы:

а - литейная форма; б - тройник; в - лнтейный стержень; г - литейная модель; д - стержневой ящик;

е - отливка с литниковой системой

Литейная опока - приспособление для удержания формовочной смеси при изго­товлении формы. Верхнюю и нижнюю полуформы взаимно ориентируют с по­мощью цилиндрических металлических штырей 4, вставляемых в отверстия при­ливов у опок. Для образования полостей, отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни / (рис. 4.2, в), которые фиксируют с помо­щью выступов (стержневых знаков), вхо­дящих в соответствующие впадины в форме. Литейные стержни изготовляют по стержневым ящикам (рис. 4.2, д). Для под­вода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему 8 - 12. После заливки расплавленного металла, его затвердева­ния и охлаждения форму разрушают, из­влекая отливку (рис. 4.2, ё).

По виду материалов, используемых для изготовления литейных форм, их разделя­ют на две группы: формы из неметалличе­ских материалов и металлические формы.

К первой группе относят песчаные формы (сырые, сухие, подсушенные, хи-

мически твердеющие и т.д.); песчаные формы, изготовленные без связующего по пенополистироловым моделям или пле-ночно-вакуумной формовкой; формы, из­готовленные по разовым моделям, и др. Эти формы, как правило, используют для изготовления отливок один раз и разру­шают при извлечении отливок.

Вторая группа литейных форм пред­ставляет собой формы многократного ис­пользования. К этой группе относят коки-ли - металлические формы, пресс-формы для литья под давлением, кристаллизато­ры для непрерывного литья, изложницы для центробежного литья и др.

Многообразие современных литейных форм дает возможность изготовлять раз­личные по массе, конфигурации, точности и свойствам металла отливки из любых сплавов.

4. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

В период заливки расплавленного ме­талла, затвердевания и охлаждения отлив­ки происходят силовое, тепловое и хими-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

151

ческое взаимодействия между отливкой и формой.

Силовое воздействие на форму про­является в гидростатическом давлении залитого металла на стенки формы, что может приводить к ее разрушению. Вследствие трения заливаемого металла о стенки полости формы последние могут размываться. Кроме того, форма испыты­вает динамическое воздействие потока металла при смене им направления дви­жения. При усадке отливки отдельные части формы будут препятствовать ее усадке. Сопротивление формы усадке мо­жет вызвать в отливке такие напряжения, которые приведут к образованию трещин.

Тепловое воздействие во время залив­ки металла, его затвердевания и охлажде­ния отливки проявляется в переходе тепло­ты от отливки к форме. Отливка при этом охлаждается, а форма нагревается. Если огнеупорность формы ниже, чем темпера­тура расплава, то поверхность формы нач­нет расплавляться и спекаться с расплавом, образуя на поверхности отливки пригар. Пригар - трудноотделимый от поверх­ности отливки слой из металла, его оксидов и частиц формовочной смеси, который ухудшает поверхностный слой отливки, увеличивает трудоемкость ее очистки.

По сечению формы возникает перепад температур, который приводит к возник­новению в ней напряжений, вследствие чего форма подвергается дополнительным механическим нагрузкам.

В результате развития процессов теп­лопередачи начинает повышаться темпе­ратура наружной поверхности формы, и с этого момента теплота от формы отводит­ся в окружающую среду.

Химическое воздействие заливаемого металла с материалом формы проявляется в химических превращениях компонентов формовочной смеси под воздействием высокой температуры заливаемого метал­ла в форму и в химическом взаимодейст­вии оксидов залитого металла с формой. Например, оксиды железа взаимодейст­вуют с оксидами кремнезема формы, об­разуя жидкоподвижное соединение (файя-

лит) с низкой температурой плавления. Это приводит к снижению огнеупорности формы на границе контакта металла с формой. Особенно неблагоприятно прояв­ляется химическое взаимодействие на участках формы, через которые металл протекает длительное время.

При химическом взаимодействии ме­талла и формы испаряется влага и вокруг отливки образуется определенная газовая среда, состав которой оказывает сущест­венное влияние на образование пригара и газовых раковин.

Силовое, тепловое и химическое взаи­модействия заливаемого металла и формы позволяют сформулировать основные свойства, необходимые литейной форме.

Основные свойства литейной формы. Литейные формы должны обладать дос­таточной прочностью, при кото­рой конфигурация и размеры формы не изменяются в процессе заливки металла, во время кристаллизации отливки и ее последующего охлаждения; достаточ­ной податливостью, т.е. форма не должна оказывать сопротивления усадке отливки; достаточной огнеупор­ностью, т.е. форма должна обладать достаточной прочностью при высокой температуре и химической устойчивостью к заливаемому металлу; высокой га­зопроницаемостью, т.е. форма должна беспрепятственно пропускать че­рез себя газы и пары влаги, образуемые при заливке расплавленного металла.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. В чем состоит сущность литейного про­изводства?

2. За счет чего возможно получать отливки повышенного качества и устранить вредное воздействие на окружающую среду?

3. В чем состоит сущность классификации отливок по их назначению и группам сложно­сти?

4. Что такое литейная форма и какие эле­менты образуют ее?

5. На какие группы делятся литейные фор­мы? Укажите, какие формы относят к каждой из групп.

152 ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО