4.4. Получение заготовок способами литья

а) Литье в землю

Основное достоинство литья в землю — незначительные первоначальные затраты на оснастку. Недостатками этого вида литья, приобретающими и производстве радиоаппаратуры важное значение, являются низкая производительность, главным образом в сияли с большой трудоемкостью формовки, и невысокая точность размеров отливаемых деталей (по 7-9-му классам) из-за моделей и стержней, искажения их формы (коробления) и процессе эксплуатации и хранения, погрешностей при сборке форм (смещения стержней, несовпадения опок), раскачивания модели перед извлечением ее из формы, деформация формы при заливке, неопределенности усадки при охлаждении и коробления отливок в процессе термической обработки. При машинной формовке точность несколько выше, чем при ручной.

Низкая чистота поверхности заставляет в ряде случаев применяют, дополнительную механическую обработку отливок даже по несопрягаемым поверхностям.

При литье и землю велико количество отходов, так как, кроме значительных припусков на механическую обработку, происходят потерн металла на угар (например, при литье из бронзы и латуни эти потерн составляют около 7—8%); отходы на литники при литье мелких деталей достигают 50%; значительны так называемые деклассированные отходы, т. е. отходы, которые нельзя использовать в производстве без предварительной обработки (сплески, сор и т. п.). Сравнительно велик процент брака, обнаруживаемого иногда только и процессе механической обработки отливок. К тому же механические свойства отливок невысоки.

На заводах, изготовляющих радиоаппаратуру, литье в землю применяется лишь в индивидуальном и мелкосерийном производствах; в серийном производстве оно используется для получения деталей, например антенных отражателей из алюминиевого сплава.

б) Литье в кокиль

Литье в металлическую форму (кокиль) по сравнению с литьем и землю дает большую производительность и позволяет получать отливки с более высокой точностью размеров (в основном по 4-му и 5-му классам) при чистоте поверхности, соответствующей примерно 3-му классу. Вследствие ускоренного процесса кристаллизации благодаря охлаждению металла стенками кокиля получается более плотная и мелкозернистая структура металла, а следовательно, и более высокая (на 10—20%) прочность отливок.

Недостатком этого способа является высокая стоимость чугунных или стальных кокилей, которая окупается только при значительном объеме производства. Кроме того, литьем в кокиль трудно получать отливки сложной конфигурации.

Литье в кокиль применяют главным образом в серийном и массовом производстве деталей средней сложности из цветных сплавов и чугуна, если большинство размеров должно быть выдержано примерно по 5-му классу точности.

Проектируя детали, изготовляемые литьем в кокиль, надо иметь и виду следующее:

1. избегать большого количества выступающих частей на детали;

2. проектировать детали без впадин, идущих в направлении выемки отливки, которые мешают выбивать отливку из кокиля;

3. избегать резких переходов от толстой стенки отливки к тонкой;

4. наружные и внутренние углы между необрабатываемыми поверхностями отливки должны иметь закругления радиусом не менее 3 мм;

5. предусматривать литейные уклоны поверхностей отливаемых деталей под углом более 1°;

6. для мелких деталей (вес отливки до 1,0 кг) минимальная толщина необрабатываемых стенок должна быть не менее 5 мм для чугуна; 2,5—4 мм для латуни и бронзы и 2—2,5 мм для алюминия.

в) Литье под давлением

Основными достоинствами литья под давлением являются большая производительность и высокая степень точности получаемых отливок, что почти полностью исключает необходимость в их механической обработке. Отливки имеют высокую прочность. Уменьшаются отходы материала, так как отпадает необходимость оставлять припуски на обработку.

Повышенная прочность отливок и хорошее заполнение форм металлом позволяют проектировать тонкостенные отливки (толщина стенок алюминиевых отливок может быть доведена до 1 мм).

Поэтому литье под давлением целесообразно применять для получения небольших тонкостенных деталей сложной конфигурации, которые при других способах изготовления потребовали бы длительной и многооперационной механической обработки.

Вследствие высокой стоимости форм литье под давлением рентабельно славным образом в крупносерийном и массовом производствах, Однако в ряде случаев литье под давлением можно использовать и при изготовлении небольших партий деталей, если применяй, формы, собранные из нормализованных элементов. Основные, наиболее трудоемкие узлы (верхняя и нижняя плита, зубчатые передачи для привода системы выталкивателей и стержней) используются для получения ряда отливок различных конструкции с помощью сменных вставок — пуансонов и матриц.

При решении вопроса о целесообразности применения литья под давлением нужно учитывать, кроме стоимости форм, необходимость механической обработки отливок.

Детали, отлитые под давлением, подвергают механической обработке, если:

1. нужно выдержать точность размеров выше 4—5-го классов;

1. требуется точно выдержать расстояния между центрами отверстий; такие отверстия сверлят на станках, так как неравномерная усадка отливок не позволяет выдержать эти размеры с достаточной точностью;

2. необходимо получить в отливках отверстия, размеры которых выходят за предельные значения, указанные в табл. 4.3, так как поток металла, заполняющего форму со скоростью до 80 м/сек, может изогнуть и даже поломать длинные и тонкие стержни, оформляющие такие отверстия.

Таблица 4.3

Предельные размеры отверстия и резьб, мм

Сплавы	Предельные размеры отверстий				Предельные размеры резьб
	Минимальный диаметр		Максимальная глубина		Минимальный шаг резьбы	Минимальный диаметр
	применяемый на практике	технологически возможный	глухое отверстие	сквозное отверстие		наружный	внутренний
							применяемый на практике	технологически возможный
Оловянные…. Свинцовые…. Цинковые…... Магниевые…. Алюминиевые Медные……... Чугун ……….	1,0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,0	0,5 0,75 1,0 1,5 1,5 2,5 2,0	3 3 5 4 3 3 3	10 10 10 8 5 4 4	0,7 0,7 0,75 1,0 1,0 1,5 1,5	5 5 8 12 12 12 12	10 10 10 15 15 - -	5 5 10 12 12 - -

4) отливается резьбовая деталь. Необходимость механической обработки резьбы вызывается следующими обстоятельствами. Наружная резьба может быть получена либо в замкнутых, либо в разъемных частях формы. В первом случае отливка извлекается из формы путем вывинчивания; при этом резьба любого профиля получается чистой, без заусенцев; однако этот способ малопроизводителен. При оформлении резьбы в разъемных формах необходимо вводить добавочную операцию механической обработки для удаления следа разъема. Внутреннюю резьбу с вывинчиваемыми стержнями можно получить только при литье легкоплавких сплавов (цинковых, свинцовистых). Тугоплавкие сплавы (например, алюминиевые) имеют значительную усадку, поэтому приходится прилагать очень большие усилия для выпиливания стержней. В тугоплавких сплавах целесообразнее оформлять при литье гладкие отверстия, а затем нарезать их механическим способом;

5. литейные уклоны (конусность), облегчающие извлечение отливок из формы, не допускаются по конструктивным соображениям. Литье деталей без конусности сопряжено с быстрым износом форм и с повышением процента брака, поэтому целесообразнее! отливать детали с литейными уклонами, удаляя их механической обработкой;

Рис. 4.23. Изготовление детали с поднутрением

5. деталь должна иметь поднутрения, получение которых при литье связано с применением сложных форм и снижением производительности процесса. Поднутрения целесообразнее получать механической обработкой. Например, деталь, показанную на рис. 4.23, а, можно сначала отлипать без поднутрений (рис. 4.23, б), а излишен металла удалять растачиванием.

Литье мелких деталей средней точности из цинковых, свинцовистых и оловянных сплавов ведут на компрессорных машинах. Для литья деталей из алюминиевых, медных и магниевых сплавов, а также деталей высокой точности (независимо от материала) целесообразнее поршневые (гидравлические) машины, позволяющие:

1. получать отливки хорошего качества с небольшим количества воздушных включений (в поршневых машинах воздух не воздействует непосредственно на металл, как в компрессорных) и без окисления металла при литье магниевых сплавов;

2. развивать более высокое давление, чем компрессорные машины; это в свою очередь позволяет снизить рабочую температуру расплава, что уменьшает термическую усталость и износ формы;

3) получать более плотные отливки благодаря воздействию на расплав высокого конечного статического давления.

Для литья под давлением применяются одно- и многогнездные формы. Преимуществом последних является более высокая производительность. Однако производительность формы не пропорциональна числу гнезд. Так, производительность четырех-гнездной формы для литья одной из корпусных деталей средней сложности превышает производительность одногнездной формы для этой же детали ее в 4, а лишь в 2—2,5 раза. Это объясняется тем, что при применении многогнездной формы пропорционально числу гнезд уменьшается лини, время литья, составляющее незначительною часть общего штучного времени. Но время на уход за формой и ев смазку С увеличением числа гнезд увеличивается (а они Составляет большую часть штучного времени).

Применение многогнездных форм значительно снижает удельный расход металла и увеличивает выход отливок.

Конструкция деталей, изготовляемых литьем под давлением, должна отвечать следующим основным требованиям:

1. конфигурация детали должна быть такой, чтобы ее можно было быстро извлекать из формы, для чего следует предусматривать литейные уклоны наружных и внутренних поверхностей деталей;

2. для лучшего заполнения формы металлом и облегчения выбивки отливок из формы нужно закруглять наружные и внутренние углы;

3. не следует конструировать отливки с большой разницей в толщине стенок, так как вследствие неравномерного остывания металла могут образоваться усадочные трещины и раковины, а также возникнуть внутренние напряжения;

4. толщину стенок- необходимо выдерживать в пределах, допускаемых условиями литья. Минимальная предельная толщина стенок обусловлена текучестью металла; попадая в узкое пространство между стенками формы, расплав может застыть, не заполнив форму. Максимальная толщина стенок отливки зависит от типа литьевой машины; во избежание появления усадочных и газовых пор и раковин не рекомендуется конструировать детали со стенками толще 10 мм;

5. не следует проектировать их усиление утолщением стенок (рис. 4.24, а) в местах наибольших напряжений. Прочность деталей нужно повышать, предусматривая соответствующие ребра жесткости, уголки стенки таврового и коробчатого сечения и т. д. (рис 4.24, б). Вообще при конструировании деталей, изготовляемых литьем под давлением, следует избегать скопления материала в отдельных местах во избежание образования усадочных раковин. На рис. 4.25, а и б показан пример неправильного и правильного оформления отливок;

6. при конструировании отливок, особенно из цинковых сплавов, необходимо учитывать их последующую усадку. Следует избегать несимметричных деталей с тонкими кронштейнами или какими-либо другими частями, значительно вынесенными из основной массы металла;

7) следует избегать всякого рода выступов и выемов в детали, для оформления которых необходимо применение составных и подвижных стержней;

8) надписи и цифры на деталях следует делать выпуклыми. Для литья под давлением в основном применяются цинковые, алюминиевые, медные, свинцовистые и оловянистые сплавы. Литье под давлением деталей из чугуна широкого промышленного применения еще не получило.

Из цинковых сплавов можно отливать сложные и тонкостенные детали на высокопроизводительных автоматических машинах, так как эти сплавы не прилипают к форме.

Рис. 4.24. Повышение прочности детали, отливаемой под давлением, ребрами жесткости:

а – неправильно; б – правильно

Рис. 4.25. Оформление детали, отливаемой под давлением с целью исключить образование раковин:

а – неправильно; б – правильно

Отливки из цинковых сплавов хорошо воспринимают защитные декоративные и упрочняющие покрытия без предварительной отделки (обычно ограничиваются обработкой на пескоструйном аппарате), хорошо полируются, допускают пайку и обладают высокими механическими свойствами, особенно при работе на сжатие. Однако цинковые сплавы имеют большой удельный вес по сравнению с алюминием, недостаточную стойкость против коррозии, склонны к изменению размеров со временем.

Отливки из алюминиевых сплавов, содержащих в качестве основных присадок кремний и медь, легки, устойчивы против коррозии и не изменяют с течением времени размеров и механических свойств. Вместе с тем отливки из алюминиевых сплавов обладают меньшей точностью размеров, чем цинковые, что объясняется высокой рабочей температурой литья и большой усадкой при затвердевании. Из-за этого требуется дополнительная механическая обработка отливок. Отливки из этих сплавов имеют более высокую стоимость.

Магниевые сплавы не имеют большого распространения в производстве радиоаппаратуры.

Из медных сплавов в основном применяют латунь. Для литья деталей, подлежащих дополнительной механической обработке, применяют мунцевую (свинцовистую) латунь.

Из оловянистых сплавов получают отливки, обладающие большой точностью размеров. Недостатками оловянистых отливок являются малая прочность, плохая устойчивость против температурных воздействий и высокая стоимость. Поэтому оловянистые сплавы используют для литья точных деталей с малой шероховатостью поверхности, не испытывающих существенных механических нагрузок, например деталей вращающихся конденсаторов.

Свинцовистые сплавы дешевы и хорошо противостоят химическим воздействиям. Прочность отливок из этих сплавов невелика. Они могут быть использованы лишь для литья деталей, не испытывающих механических нагрузок. Твердость свинцовистых сплавов может быть повышена присадкой сурьмы. Прибавка олова улучшает п механические и литейные свойства.

Точность размеров деталей, отлитых под давлением, может быть получена в зависимости от сплава и конфигурации детали по 4-му и 5-му классам, а в отдельных случаях при тщательном изготовлении и доводке формы по 3-му классу точности. Ухудшение точности размеров отливок возникает из-за неточности изготовления формы п ее износа; расширения формы вследствие нагрева в процессе работы; неточности взаимного расположения подвижных частей формы в процессе литья; неравномерности давления, а также из за деформации отливок во время хранения.

Усадка отливок при неравномерной толщине стенок или наличии отдельных скоплений металла, кроме изменения размеров, вызывает коробление отлитой детали.

Чистота поверхности деталей, отлитых под давлением из алюминиевых и цинковых сплавов, соответствует 4-му классу, а деталей из медных сплавов — 2-му классу.

г) Литье по выплавляемым моделям

Способ литья по выплавляемым моделям (прецизионное литье) состоит в следующем. Изготовляют восковую модель (воск, парафин, канифоль), которую заформовывают в огнеупорную форму, приготовленную из особой массы; после этого, нагревая форму, выплавляют восковую модель, форму прокаливают и в полученную полость заливают металл. После затвердевания и охлаждения металла отливку выбивают из формы, очищают и удаляют литники.

Примером деталей, изготавливаемых литьем под давлением из металлических сплавов, являются различные каркасы, например, для прецизионных переменных проволочных потенциометров с линейностью по величине сопротивления ±0,1 + 0,05%.

Кроме того, литьем под давлением изготавливают сложные шасси и корпуса радиоприборов, отличающихся повышенной механической прочностью, точными размерами и необходимой чистотой поверхности. Механическая обработка таких шасси минимальна.

Рассмотрим более подробно отдельные этапы процесса.

Восковые модели отливают в металлических пресс-формах. Последние изготовляют из легкоплавких сплавов в стальных разъемных гильзах (рис. 4.26). Нижнюю стальную гильзу 1 заполняют быстросхватывающимся цементом, в который вдавливают металлическую модель 2 отливаемой детали, изготовленной с учетом усадки и с необходимыми для последующей механической обработки формы припусками. Модель вдавливают в цемент так, чтобы она выступала над плоскостью разъема 3. Затем, устанавливая на нижнюю гильзу 1 верхнюю гильзу 4, заливают ее легкоплавким сплавом на 12—15 мм выше модели и прессуют залитый сплав в течение 20—30 мин плунжером 5, плотно входящим в гильзу 4.

Рис. 4.26. Стальная гильза для изготовления пресс-форм из легкоплавких сплавов

Усилие прессования равно 4—6 т. После этого пресс-форму разбирают, плоскость разъема полируют и высверливают несколько конических отверстий под центрирующие штифты. В той же последовательности изготовляется другая половина пресс-формы. Пресс-форма может быть изготовлена и механической обработкой.

Восковые модели плавят в автоклаве при 60—70° С. Расплавленную восковую массу заливают в пресс-форму под давлением до 3 am. После охлаждения (на что требуется до 10 мин) пресс-форму разбирают и осторожно извлекают из нее восковую модель.

Для изготовления формы модель (или блок из нескольких моделей) устанавливают на модельной плите и, накрыв опокой, помещают на вибрационный стол и осторожно заполняют опоку формовочным песком или заливают формовочной массой.

После формовки форму обрызгивают из пульверизатора раствором жидкого стекла и сушат в течение 2— 3 ч при комнатной температуре и в течение 2 ч в печи при 100—120° С. Воск при этом плавится и вытекает из формы. Из сушильной печи форму переносят в муфельную печь, где выдерживают для удаления влаги при 150° С в течение 1,5—2 ч; после этого температуру печи равномерно повышают до 800—850° С и при этой температуре выдерживают форму около 2 ч, чтобы выгорел скоксовавшийся остаток воска.

Металл для заливки плавят в высокочастотных или дуговых электроплавильных печах. Иногда во избежание окисления расплавленного металла над его поверхностью создают защитную газовую среду. Расплавленный металл заливают в горячую форму на центробежной машине в вакууме или под давлением сжатого воздуха.

Литье по выплавляемым моделям позволяет отливать детали небольших размеров и сложной конфигурации, к которым предъявляются требования повышенной точности. При этом могут быть выдержаны следующие допуски (мм):

Размер Допуск Размер Допуск

До 6 0,065 25-20 0,15

6 – 12 0,075 50-100 0,22

12 – 25 0,1 Более 100 0,25

Детали, отлитые по выплавляемым моделям, имеют прочность не ниже, чем заготовки, выполненные ковкой или прокатом.

Основной недостаток этого способа литья, ограничивающий его применение, — значительная стоимость восковых моделей, формовочных материалом, специальных приспособлений и оборудования, а также печен дли сушки и обжига форм.

д) Литье в оболочковые формы

Литьем и оболочковые формы на песчано-смоляных смесей изготовляют средине и мелкие отливки из чугуна, стали и цветных сплавов с повышенной точностью размеров и улучшенной чистотой поверхности. Для отливок, получаемых в оболочковых формах, назначают: припуски на механическую обработку 0,2— 0,25 мм, допуски на необрабатываемые размеры 0,3—0,7 мм на 100 мм и шероховатость поверхности  4— 5. Отливки не имеют пригара и других дефектов.

Литье в оболочковые формы наиболее выгодно в крупносерийном и массовом производствах деталей. В радиопромышленности литье в оболочковые формы имеет пока ограниченное применение.

Оболочковые формы состоят из двух скрепленных между собой тонкостенных полуформ — оболочек, изготовляемых обычно из смеси мелкозернистого кварцевого песка с термореактивной феноло-формальдегидной смолой (4—6% смолы). Для получения оболочковой полуформы песчано-смоляную смесь наносят на металлическую плиту специальной конструкции, на которой укреп лены металлические модели, покрытые разделительным составом и нагретые до 220—280° С.

В тонком слое смеси, прилегающем к моделям, смола плавится и связывает зерна песка, в результате чего в течение 12—25 сек образуется полутвердая оболочка. После удаления излишка песчано-смоляной смеси модельную плиту с оболочкой помещают в печь с температурой 300—350° С, где в течение 45—90 сек смола отверждается, а оболочка спекается, приобретая необходимую прочность. Затем готовую оболочку снимают с модельной плиты с помощью толкателей. Полученные таким образом две полуформы (нижнюю п верхнюю) после установки стержней (получаемых тем же способом) спаривают по имеющимся в них фиксаторам. Спаренные оболочковые формы скрепляют скобами, струбцинами или (в механизированных производствах) склеивают. Формы перед заливкой помещают в специальные контейнеры и засыпают металлической дробью или песком или же заливают в особых зажимах или под грузом.

После охлаждения отливок оболочковые формы разрушают.

Для изготовления оболочковых полуформ применяют высоко производительные автоматы.

Способом литья в оболочковые формы изготовляют волноводы и отдельные детали волноводных трактов сложной конструкции с внутренними отверстиями и полостями (антенные коммутаторы, вращающиеся волноводы и т. п.).