741

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Н.М. Чернов, В.А. Аксенов, Л.Б. Тихомирова

ЛИТЬЕ В ПЕСЧАНЫЕ ФОРМЫ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по специальности «Технология машиностроения», направление подготовки дипломированных

специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

Новосибирск 2007

Глава 1. Общие сведения о литье в песчаные формы

1.1. Основные понятия и определения

Сущность процесса литья заключается в расплавлении металлической шихты в плавильной печи, получении жидкого сплава заданного химического состава и заливке его в заранее приготовленную литейную форму, имеющую полость будущей отливки. После затвердения металла в полости формы образуется отливка. Отливку извлекают из формы путем ее разъема или разрушения.

Отливкой называют готовое изделие или заготовку с припусками на механическую обработку, полученную методом литья.

Литьем производят трубы, скульптуры, колокола, ограды, художественные и ювелирные изделия, а также разнообразные детали машин простой и сложной конфигурации массой от нескольких граммов до сотни тонн.

Отрасль промышленности, занимающуюся изготовлением отливок для машиностроения, называют

литейным производством.

Литье металлов известно с глубокой древности. Оно использовалось для изготовления украшений, оружия и предметов быта. Основным литейным материалом была бронза — сплавы меди, содержащие олово (5–7 %), цинк (3–5 %), сурьму и свинец (1–3 %). Отливали также изделия из сплавов золота и серебра.

ВДревнем Китае литье чугуна известно с VI в. до н.э. Самой большой художественной отливкой считается «Лев в Цзян – Чжоу» (974 г. н.э.).

На территории Нигерии обнаружены литые изделия из железа, сделанные в начале 2-го тысячелетия до н.э.

Древние мастера использовали каменные формы, а также метод литья по выплавляемым восковым моделям в глиняные формы. Скифы отливали граненые наконечники стрел в металлические формы — кокили (VII–III век до н.э.).

Искусство литья в древности характеризуется высоким личным мастерством в производстве небольших партий оружия, предметов быта, украшений и индивидуальным изготовлением статуэток и больших скульптур.

Отливки предметов быта и оружия украшали узорами, изображениями растений и животных. С XV–XVI вв. н.э. начинается новый период в развитии литейной технологии. Литье становится

ремеслом. Начинается массовое производство пушек и колоколов, а в XVIII–XIX вв. бурно развивается литье скульптур, решеток, оград.

Наряду с литьем из бронзы и латуни начинается освоение чугунного литья, которое к концу XIX в. по объему заняло первое место.

Отдельные литые изделия России имеют всемирную известность: Царь-пушка (1586 г., А. Чохов) массой 39 400 кг; Царь-колокол (1735 г., А. и М. Моторины) массой 196 800 кг; Медный всадник (1775–1777 г., Э.М. Фальконе).

К концу XIX в. относится зарождение промышленной технологии литья. Начинается массовое механизированное изготовление песчаных форм для литья деталей машин.

К 1990 г. XX в. Россия занимала ведущее место в литейном производстве среди наиболее развитых стран мира (Западная Европа, США и Япония). Были созданы уникальные технологические процессы литья: центробежного титановых сплавов; направленного затвердевания монокристаллических лопаток ГТД; по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД) тонкостенных стальных деталей особо ответственного назначения и многие другие.

Преимущество отливок по сравнению с заготовками из проката штамповок и сварных узлов состоит в том, что литьем возможно изготовление деталей сложной конфигурации из любых сплавов без или с минимальными припусками на механическую обработку.

Поэтому технология литейного производства успешно развивается. Одним из направлений этого развития является создание изделий из литых композиционных материалов (ЛКМ).

Внастоящее время известно свыше 50 методов литья металлов. Однако основная масса отливок производится литьем в песчаные формы, а все другие способы их изготовления относят к специальным видам литья.

1.2. Устройство песчаной литейной формы

Литейная форма — это система элементов, образующих рабочую полость будущей отливки, в которую заливается жидкий металл.

Литейные формы могут быть разовыми — для изготовления одной отливки и многократного использования. Формы многократного использования изготавливают из металлов (чугуна, стали), а разовые — из неметаллических материалов (песка, гипса).

Наибольшее применение получили разовые песчаные формы. Устройство песчаной литейной формы показано на рис. 1.1. Она состоит из опоки верха — 1; опоки низа — 2; уплотненной формовочной смеси — 3; полости, формирующей отливку, — 4; стержня — 5; знака стержня — 6; воронки — 7; стояка — 8; шлакоуловителя — 9; питателей — 10; зумпфа — 11.

Рис. 1.1. Устройство песчаной литейной формы

Опока — это элемент литейной формы, служащий для удержания уплотненной формовочной смеси при ее изготовлении, транспортировке и заливке. Опоки могут иметь цапфы для кантовки и уши с отверстиями для центрирования верхней и нижней полуформ при сборке с помощью штырей (на рис. 1.1 не показаны).

Воронка или чаша служит для приема жидкого металла из разливочного ковша в стояк. Из стояка металл попадает в горизонтальный канал — шлакоуловитель, который служит для удержания шлака и распределения металла по питателям, поэтому его иначе называют

коллектором.

Из питателей расплав поступает в полость литейной формы. Назначение питателей — обеспечить плавное и равномерное заполнение отливки без размывания стенок формы и образования вихрей и разрывов в потоке расплава.

Для выхода газов служат выпор и вентиляционные каналы, которые получают путем прокалывания формы острым прутком — душником. Выпор также выполняет роль сигнализатора окончания заливки.

Внутреннюю полость отливки получают с помощью стержней. Стержень имеет знаки по размерам и форме, соответствующие знакам в форме.

Знаки служат для устойчивого закрепления стержня в форме. Для выхода газов в стержне выполняют вентиляционные каналы или полости в направлении к знаку стержня, чтобы при заливке образующийся газ выходил из стержня через знаки и не попадал в металл отливки.

Стояк обычно выполняют с зумпфом в нижней опоке, с тем, чтобы при заливке металл более плавно заполнял шлаковик. Зумпф также задерживает некоторое количество песка и шлака.

Систему полостей в литейной форме (стояк, шлакоуловитель, питатель, выпор и др.), служащую для заполнения отливки жидким металлом, называют литниковой системой.

Процесс изготовления литейной формы называют формовкой. Наружную полость отливки в литейной форме образуют с помощью моделей, а внутреннюю с помощью стержней.

Стержни изготавливают путем засыпки и уплотнения стержневой песчаной смеси в

стержневом ящике.

На рис. 1.2 показаны деталь втулки, разъемная модель втулки со знаками и стержневой ящик для изготовления стержня, состоящий из двух половин.

а) б) в)

Рис. 1.2. Чертежи детали втулки (а), модели отливки (б), стержневого ящика (в)

Для изготовления формы необходимо иметь опоки, модель отливки, модели элементов литниковой системы, стержневой ящик, приготовленные формовочные и стержневые смеси.

После изготовления (формовки) нижней и верхней полуформ снимают верхнюю полуформу, извлекают из обеих модель детали и модели элементов литниковой системы, затем в нижнюю полуформу устанавливают стержень (или несколько стержней), накрывают ее по штырям верхней полуформой и скрепляют полуформы между собой, для того, чтобы при заливке металл не вытекал по разъему формы.

Часто вместо скрепления полуформ между собой на форму устанавливают груз.

После заливки и охлаждения отливки ее извлекают вместе с литниковой системой и стержнями из формы. Затем из отливки удаляют стержень.

Совокупность операций по извлечению отливки из формы, отделения от нее остатков формовочной смеси и удалению из ее полостей стержневой смеси называют выбивкой.

На рис. 1.3 показана отливка 12 с литниковой системой после выбивки. Цифрами обозначены элементы литниковой системы, показанные соответственно на рис. 1.1.

Рис. 1.3. Отливка с литниковой системой

1.3. Стадии изготовления отливки в песчаной форме

Основные стадии изготовления отливки в песчаной форме: подготовка производства (рис. 1.4.), изготовление отливки (рис. 1.5.), отделка и контроль отливок (рис. 1.6.).

Разработка технологического процесса получения отливок

Изготовление модельно-опочной и другой технологической оснастки

Приобретение исходных формовочных, шихтовых и других материалов

Рис. 1.4. Подготовка литейного производства

Подготовка форм

Заливка

к заливке

Заливка форм литейного расплава

Формирование отливок в форме

Выбивка отливок из формы

Рис. 1.5. Стадии технологического процесса изготовления отливок в песчаной форме

Контроль отливок

Исправление дефектных отливок

Контроль отливок

Окончательный брак

Рис. 1.6. Отделка и контроль отливок

Изготовлению отливки предшествует этап подготовки производства, который начинается с разработки технологического процесса изготовления отливки в песчаной форме.

После изготовления оснастки и приобретения исходных материалов производят изготовление пробной или опытной отливки (или партии отливок).

На основе анализа качества опытной отливки, т.е. соответствия ее техническим требованиям по геометрии, качеству, структуре, механическим свойствам и т.д., производят корректировку технологического процесса и приступают к серийному или массовому производству отливок.

Для получения отливки необходимо изготовить форму, которая обеспечивает требуемую конфигурацию и размер, и приготовить сплав соответствующего химического состава и температуры.

Формирование свойств отливок происходит с момента начала заливки и заканчивается ее охлаждением в форме.

После выбивки отливки начинается этап доработки ее до требований технических условий. Эта стадия включает обрубку и очистку отливок, их термообработку и выявление внутренних и внешних дефектов. Дефектные места вырубают в отливке до здорового металла и заваривают или заделывают различными твердеющими составами.

Годные отливки сдают в механический цех или на склад для отправки потребителю.

Контрольные вопросы

1.Что такое отливка?

2.Объясните устройство песчаной литейной формы.

3.В чем заключается подготовка литейного производства?

4.Перечислите стадии технологического процесса изготовления отливок в песчаной форме.

5.В чем заключаются отделка и контроль отливок?

Глава 2. Модельный комплект

2.1. Состав модельного комплекта

Модельный комплект — это комплект формовочных приспособлений, необходимый для образования полости будущей отливки в литейной форме. В состав модельного комплекта входят: модель, стержневой ящик (или несколько стержневых ящиков); модели элементов литниковой системы, выпоров и прибылей; модели холодильников, подмодельные (модельные) плиты; формовочные, контрольные и сборочные шаблоны. Состав модельного комплекта зависит от конфигурации отливки и способа формовки.

Модель — это приспособление для образования в литейной форме полости, соответствующей внешней конфигурации отливки. Модели бывают неразъемными (рис. 2.1), разъемными (рис. 2.2) или иметь отъемные части (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Модель с отъемной частью: 1 — модель; 2 — отъемная часть

Модели могут иметь один или несколько разъемов. Обычно разъем модели совпадает с разъемом формы.

Модели, предназначенные для изготовления отливок с полостями, имеют выступы для установки стержней — знаки.

Знак модели — это выступающая за пределы наружного контура отливки часть. По размерам и конфигурации знаки моделей и знаки в стержневых ящиках должны соответствовать друг другу.

При формовке знак модели образует в литейной форме полость, в которую устанавливают знак стержня.

Знак стержня — это выступающая за контуры внутренней полости будущей отливки часть стержня.

Стержневые ящики бывают неразъемными и разъемными.

Неразъемные или вытряхные стержневые ящики после набивки поворачивают на 180º и снимают со стержня, поэтому они имеют увеличенные уклоны.

Часто применяют вытряхные ящики с отъемными частями (рис. 2.4), что позволяет изготавливать сложные по конфигурации детали.