СУЩНОСТЬ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

I.ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Краткая характеристика процесса получения отливок и работы отделений литейного цеха.







СУЩНОСТЬ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Литейное производство — отрасль машиностроения, за­нимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость ко­торой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет кон­фигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продук­цию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок.

Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких граммов до 300 т, длиной от нескольких сантиметров до 20 м, со стенками толщиной 0,5—500 мм (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые колеса, станины станков, станины прокатных станов, турбинные лопатки и т. д.).

Для изготовления отливок применяют множество способов литья:

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

ТИПЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

  Всякое производство, в том числе и литейное, характеризуется трудоемкостью и номенклатурой            выпускаемой продукции.

Различают следующие основные типы литейного производства:

единичное, серийное и массовое.

  Единичное производство характеризуется выпуском в небольших количествах самого разнообразного литья. Производство отдельных отливок может периодически повторяться.

  Серийное производство характеризуется периодичным выпуском литья ограниченной или широкой номенклатуры значительными или небольшими партиями.

  Массовое производство характеризуется непрерывным выпуском в больших количествах определенной номенклатуры литья. Примером массового производства может служить выпуск в огромных количествах однообразных отливок литейными цехами автомобильных и тракторных заводов.

  Серийность производства оказывает большое влияние на выбор методов изготовления форм, на характер применяемого оборудования и работу литейного цеха. Если единичное производство характеризуется применением ручных методов труда, малой механизацией производственных процессов, незначительным количеством применяемой оснастки, то в массовом и серийном рационально применять наиболее технически совершенное и высокопроизводительное оборудование, большое количество специальных приспособлений.
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛОВ.

     Наиболее широкое применение в машиностроительном производстве имеют сплавы Fe с C, т.е. конструкционная и инструментальная стали, серый и ковкий чугун, а также цветные сплавы.

     Металлы отличаются характерным металлическим блеском, ковкостью, высокой теплопроводностью и электропроводностью, непрозрачностью.

     При нормальной комнатной температуре все металлы(кроме ртути) являются твердыми веществами. Примерно 2/3 всех элементов представляют металлы.

     В технике химически чистые металлы не используются. Это объясняется двумя причинами: во-первых, трудностью получения их в промышленном производстве и во-вторых, отсутствием в них технически полезных свойств.

      Значительно большее распространение получили так называемые металлические материалы.

  Металлические материалы можно разделить на 2 группы:

1.         Технически чистые металлы.

2.         Сплавы.

     Технически чистые металлы – металлы, в состав которых, помимо химически чистого элемента, в небольших количествах входят другие элементы.

     Важнейшим промышленным металлом является железо, которое в сплавах с углеродом и другими элементами относят к группе черных металлов: сталь, чугун и ферросплавы. Из общего количества выплавляемых во всем мире металлов около 94% приходится на черные. Все остальные металлы и сплавы относятся к группе цветных металлов. Их принято делить на легкие(плотность до 3г/см³ и тяжелые. Различают также благородные и редкие металлы. 

     Сплавы – сложные материалы, получаемые путем сплавления одного металла с другими металлами.

     Сплавам можно придать самые разнообразные свойства. Поэтому в технике они находят большее применение, чем технически чистые металлы.

     В состав металлических сплавов могут входит также и неметаллические вещества, например, углерод, сера, фосфор, бор. Вещества, входящие в состав сплава, принято называть компонентами.

     Помимо основных компонентов, в каждом сплаве всегда имеются в небольших количествахпосторонние химические вещества – металлические или неметаллические. Эти вещества в большинстве случаев нежелательные и называются примесями.


ЭЛЕМЕНТЫ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

Литейная форма — это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. На рис. 2, а показана литейная форма для тройника (рис. 2, б). Форма обычно состоит из нижней 2 и верхней б полуформ, которые изготовляют по литейным моделям 7 (рис. 2, г) в литейных опоках 5, 5. 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 7, которые фиксируют с помощью выступов (стержневых знаков), входящих в соответствующие впадины в форме. Литейные стержни изготовляют по стержневым ящикам (рис. 2, д). Для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему 8—11. После заливки расплавленного металла, его затвердевания и охлаждения форму разрушают, извлекая отливку (рис. 2, е).

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

     Для производства отливок используются сплавы черных металлов: серые, высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов;

углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов;

медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые

сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые, вольфрамовые и др.
Рис.2 Литейная форма и ее элементы:

а – литейная форма; б – тройник; в – литейный стержень; г – литейная модель; д – стержневой ящик; е –отливка с литниковой системой.
     Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свой­ствами (высокой жидкотекучестью, малыми усадкой и склонностью к образованию трещин и др.); требуемыми физическими и эксплуатационными свойствами. Выбор сплава для тех или иных литых деталей сложной задачей, поскольку все требования в реальном учесть не представляется возможным.

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК

      Возможность получения тонкостенных, сложных до форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склон­ность к образованию трещин, склонность к поглощению      и об­разованию газовых раковин и пористости в отливках и др.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.

      Различают физические, механические, технологические и химические свойства металлов.

      Физические свойства. К ним относят плотность, теплопроводность, электропроводность и температуру плавления. Перечисленные свойства называются физическими потому, что они обнаруживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением химического состава вещества. Чистые металлы плавятся при t=const, а сплавы в интервале t-p.

     Механические свойства. Характеризуют способность детали, изготовленной из определенного материала, выдерживать различные нагрузки или хорошо сопротивляться истиранию при работе машины. К механическим свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность и др.

      Прочность сплава определяется величиной усилия, необходимого для разрушения стандартного образца. При этом стальные, алюминиевые и другие образцы испытывают на растяжение (разрыв) и относительное удлинение, а чугунные на изгиб. Кроме того, все литейные сплавы испытывают на твердость.
Твердость сплавов определяют на приборе Бринелля непосредственно на деталях или не отливках (НВ).

      Твердость закаленных сталей определяют на приборе Роквелла путем вдавливания в изделие алмазной пирамиды(HRC).

      Упругость – способность металла принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

       Пластичность(вязкость) – способность металла изменять первоначальную форму и размеры под действием нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения ее действия. Это свойство особенно важно при выборе сплавов для ковки, штамповки и прокатки.

Обрабатываемость резанием – способность металла изменять свою форму под действием режущего инструмента.

  Ковкость – способность металла принимать новую форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без нарушения его целости (малоуглеродистая сталь).

  Свариваемость – способность металлов образовывать прочные соединения при нагреве свариваемых частей до расплавленного или до пластического состояния. Хорошей свариваемостью обладают стали с низким содержанием углерода. Плохо свариваются чугун, медные и алюминиевеы сплавы.

  Жидкотекучесть – способность металла заполнять тонкие очертания полости формы. При недостаточной жидкотекучести расплавленный металл заполняет форму и отливка становится браком. Жидкотекучесть прежде всего зависит о химического состава, от температуры перегрева: чем она выше, тем больше жидкотекучесть.

  Величину жидкотекучести определяют по технологической пробе – длин заполненной сплавом части полости контрольной литейной формы.

          Усадка— свойство  литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных еди­ницах.

Линейная усадка - линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку опре­деляют   соотношением, %:

Eлин=(lф - lот)100/lот,

где lф и lот  - размеры полости формы и отливки при температуре 20°С.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, темпера­тура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

          Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют соотношением, %,

Eоб=(Vф – Vот)100/Vот,

где Vф и Vот – объем полости формы и объем отливки при температуре 20⁰С.

Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними.

Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания.

Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристалли­зации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кисло­рода), серы и других примесей.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаж­даются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность.

Коробление — изменение формы и размеров отливки под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении.
ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЕ

  При центробежном литье жидкий металл заливается во вращающуюся  форму,  в

которой под воздействием  центробежной  силы  распределяется  по  внутренней

поверхности и затвердевает. Центробежным литьем отливки изготовляют в металлических, песчаных, оболочковых формах и в формах для литья по выплавляемы моделям на центробежных машинах с горизонтальной или вертикальной осью вращения.Величина центробежной  силы,  которая  действует на металл при вращении формы, центробежная сила прямо пропорциональна массе вращающегося расстоянию  от  оси  вращения  и  квадрату  числа 

 Вращение  формы  может производиться вокруг  вертикальной  горизонтальной  или  наклонной  оси  и, таким образом,  применяется  также  при  отливке  фасонных  Деталей,  телами вращения.  В  этом  случае  ось  вращения   падать  с геометрической   осью отливаемых деталей  формами для отливки деталей,  располагаются  симметрично по периферии  вращающейся  планшайбы,  а  заливка  производится  при  помощи радиальных или тангенциальных питателей,  литейным  каналом.
  Способом центробежного литья с вертикальной осью вращения отливают детали небольшой длины: венцы червячных шестерен, бандажи  и  др.  На центробежных машинах с  горизонтальной  осью  вращения  отливают  детали  большой  длины: чугунные  водопроводные,  канализационные  трубы,  стальные  стволы  орудий,гильзы цилиндров двигателей, втулки и др.

  При  центробежном  литье  применяют  металлические  формы  (изложницы)  и земляные формы.

       При заливке в  металлические  формы  чугунные  отливки  получаются  с поверхностным отделом  на  некоторую  глубину  и  поэтому  они  подвергаются последующему отжигу. Их нагревают  до  температуры  850—   950°  и  медленно охлаждают до 300—350е. При заливке земляные  формы  отливки  получаются  без отдела и не требуют отжига

При получении чугунных водопроводных труб на машинах с гс ризонтальной осью вращения  изложницу  устанавливают на опорные ролики  и закрывают кожухом . Изложница приводится во вращение электродвигателем .
Расплавленный чугун из ковша заливают через жело, который в процессе заливки чугуна перемещается в направлении, показанном стрелкой, что обеспечивает получение равностенной отливки . Для образования рас труба трубы используют либо песчаный, либо оболочковый стержень . После затвердевания залитого чугуна трубу извлекают из изложницы. На этих машинах изготовляют втулки, кольца и т. п.
При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вертикальной оси расплавленный металл из разливочного ковша 4 заливают в литейную форму , укрепленную на шпинделе , который вращается от электродвигателя. Расплавленный металл центробежными силами прижимается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания. После остановки формы отливка  извлекается. На этих машинах изготовляют кольца большого диаметра высотой не более 500 мм.
На рис. , в показана схема процесса литья сложных тонкостенных рабочих колес на машинах с вертикальной осью вращения. Здесь , 6половины кокиля;
стержень, который формирует канал рабочего колеса и его лопасти;  стол машиныстержень, воспринимающий удар струи заливаемого металла;
— шпиндель центробежной машины. Частота вращения изложницы при центробежном литье составляет 150—1200 об/мин. Изложницы перед заливкой нагревают до температуры 150—200 °С. Температуру заливки сплавов назначают на 100—150 °С выше температуры ликвидуса.
Преимущества центробежного литья — получение внутренних полостей трубных заготовок без применения стержней; большая экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы; возможность получения двухслойных заготовок, что достигается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь и чугун, чугун и бронза и т. д.)

ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Основные задачи технического контроля: выявление причин отклонения качества отливок от заданного и нарушений технологического процесса, разработка мероприятий по повышению качества продукции; установление соответствия режи­мов и последовательности выполнения технологических операций, предусмотренных технической документацией; установление соответствия качества материалов, тре­буемых для производства отливок и т. д.

Контроль отливок прежде всего осуществляют визуально для выявлениябракаили отливок, подлежащих исправлению. Правильность конфигурации и размеров проверяют разметкой, плотность металла отливки — гидравлическими испытаниями под давлением воды до 200 МПа. Внутренние дефекты выявляют в специализиро­ванных лабораториях. Технический контроль возложен на отдел технического кон­троля завода.

Тщательному контролю подвергают литейную оснастку (модели, модельные

плиты и др.) и весь технологический процесс на всех этапах производства отливок (контроль свойств формовочных и стержневых смесей, уплотнения в форме, каче­ства стержней и правильности их установки, химического состава и технологиче­ских свойств сплава, температуры заливки и т. д.).

ДЕФЕКТЫ ОТЛИВОК И ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

Дефекты отливок по внешним признакам подразделяют на наружные (песчаные раковины, перекос, недолив и др.); внутренние (усадочные и газовые рако­вины, трещины горячие и холодные и др.).

   Песчаные раковины — открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы, недостаточного крепления выступающих частей формы и прочих причин.

Перекос—смещение одной части отливки относительно другой, возникающий в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответ­ствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной

•установки стержня в форму и других причин.

Недолив — некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низкой температурой заливки, недостаточной жидкотекучестью, недостаточным сечением элементов литниковой системы, неправильной конструкцией отливки (например, малая толщина стенки отливки) и др.

Усадочные раковины — открытые или закрытые пустоты в теле отливки с шеро­ховатой поверхностью и грубокристаллическим строением. Эти дефекты возникают при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной конструкции отливки, неправильной установке прибылей, заливке перегретым металлом.

Газовые раковины — открытые или закрытые пустоты в теле отливки с чистой и гладкой поверхностью, которые возникают из-за недостаточной газопроницаемо­сти формы и стержней, повышенной влажности формовочных смесей и стержней, насыщенности расплавленного металла газами и др.

  Трещины горячие и холодные — разрывы в теле отливки, возникающие при заливке чрезмерно перегретым металлом, из-за неправильной конструкции литниковой системы и прибылей, неправильной конструкции отливки, повышенной неравномерной усадки, низкой податливости форм и стержней и др.

МЕТОДЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ ОТЛИВОК

Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром не­посредственно после извлечения отливок из формы или после их очистки.

 Внутренние дефекты отливок выявляются радиографическими или ультразвуковыми методами дефектоскопии.

   При использовании радиографических методов (рентгеноскопии, гамма-дефектоскопии) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, размеры и глубину его залегания.

   При ультразвуковом контроле ультразвуковая волна, проходящая через стенку

отливки, при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной и др.) частично и отражается. По интенсивности отражения волны судят о наличии, размерах и глубине залегания дефектов.    Трещины в отливках выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией.

МЕТОДЫ ИСПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ОТЛИВКАХ

Незначительные дефекты в ответственных местах отливок исправляют заделкой замазками или мастиками, пропиткой различными составами, газовой или электрической сваркой

Заделка дефектов замазками или мастиками — декоративное исправление мел­ких поверхностных раковин на отливках. Перед заполнением мастикой дефектные места очищают от грязи и обезжиривают. После заполнения раковин мастикой исправленное место заглаживают, подсушивают и затирают пемзой или графитом.

Пропитывание составами применяют для устранения пористости отливок. С этой целью их погружают на 8—12 ч в водный раствор хлористого аммония. Про­никая в промежутки между кристаллами металла, раствор образует оксиды, запол­няющие поры отливок. Для устранения течи отливки из цветных сплавов пропиты­вают бакелитовым лаком.

Газовую и электрическую сварку применяют для исправления дефектовнанеобрабатываемых поверхностях (раковины, сквозные отверстия, трещины). Де­фекты в чугунных отливках заваривают с использованием чугунных электродов и присадочных прутков, в стальных отливках — электродами соответствующего состава. Чугунные отливки перед заваркой нагревают до температуры 350—600 °С, а после заварки их медленно охлаждают до температуры окружающей среды. Для лучшей обрабатываемости отливки подвергают отжигу.