Содержание

Элементы литейной формы

§ 1. Литейная форма и ее основные элементы

Литейная форма (рис. 2) представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость с внешними контурами получаемой отливки. После заливки в такую полость жидкого металла он охлаждается в ней и затвердевает, образуя отливку.

Литейная форма состоит из нескольких, обычно из двух, частей (полуформ), собранных в одно целое. Полуформа , т. е. верхняя или нижняя половина литейной формы, представляет собой опоку, в которой находится в уплотненном состоянии смесь неорганических (кварцевый песок, глина и др.) и органических (опилки, уголь и др.) материалов.

Назначение литейной опоки — удерживать смесь при ее уплотнении, перемещении и сборке полуформ. Опоки снабжают цапфами или ручками для их транспортирования. Крупные опоки имеют крестовины, которые придают опоке жесткость и прочность.

Сборку полуформ производят по штырям, которые вставляют в отверстия приливов на опоке. Штыри — тщательно обработанные металлические стержни. При ручной формовке и сборке форм применяют обычно одни и те же штыри. Иногда штыри закрепляют в нижней опоке.

В литейной форме выполняют систему каналов, т. е. литниковую систему , предназначенную для подвода жидкого металла в полость формы и для обеспечения ее заполнения, а также питания отливки при затвердевании. Литниковая система включает подводящие (чашу, стояк, шлакоуловитель, питатели) и питающие (прибыль, выпор) элементы.

Рис. 2. Литейная форма:

1, 2 —полуформы, 3 — выпор, 4 — крестовины опок, 5 — литниковая чаша, 6 — стояк, 7 — шлакоуловитель, 8 — штырь, 9 — питатель, 10 — цапфа опоки, 11 — вентиляционные каналы, 12 — жеребенка, 13 — холодильник, 14 — стержень, 15 — полость формы

Для приема расплавленного металла и удерживания шлака служит литниковая чаша , расположенная в верхней полуформе. Вертикальный или наклонный канал — стояк предназначен для подачи металла из литниковой чаши в шлакоуловитель. Последний расположен горизонтально и предназначен для удерживания шлака и других неметаллических примесей расплавленного металла. Следующий за шлакоуловителем литниковый канал — питатель (их может быть несколько) служит для подвода жидкого металла непосредственно в рабочую полость формы.

Для вывода газов из рабочей полости формы, для контроля заполнения формы расплавленным металлом при заливке, а иногда для питания отливки при затвердевании служит вертикальный канал — выпор , расположенный в верхней полуформе. Кроме того, для улучшения газопроницаемости формы в ней выполняют вентиляционные каналы — тонкие полости, получаемые при накалывании полуформ острыми металлическими иглами-душниками.

В массивных частях отливки могут возникнуть дефекты усадочного происхождения — поры, раковины, которые снижают ее прочность. Такие дефекты предупреждают использованием прибыли — элемента литниковой системы в виде полости, заполняемой жидким металлом для питания отливки в процессе ее затвердевания. С этой же целью применяют металлические холодильники , которые устанавливают в форму около массивных частей отливки.

Литейный стержень — элемент литейной формы, предназначенный для образования отверстий, полостей или других сложных контуров в отливке. Стержни в форме фиксируют на знаках — выступах, входящих в соответствующие впадины рабочей полости. Дополнительными опорами стержней являются металлические подставки (жеребейки) различной конструкции и конфигурации, которые сплавляются с заливаемым в форму жидким металлом.

Элементы литейной формы

Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка рис.5.

Рис..5. Литейная форма в сборе:

1- нижняя литейная опока; 2 – верхняя литейная опока; 3 – разъём; 4 – формовочные уклоны; 5 – вентиляционные каналы; 6 – выпор; 7 – литниковая чаша; 8 — вертикальный канал (стояк); 9 – шлакоуловитель; 10 – питатель; 11 – штыри; 12 – ручки опок; 13 – зона крепления питателей; 14 – модельная плита; 15 – формовочная смесь; 16 – литейный стержень; 17 – полость формы

Основные требования к литейным формам: прочность, огнеупорность, высокая газопроницаемость, податливость.

Литейные сплавы.Для изготовления отливок используют специальные литейные сплавы, которые должны обладать высокими литейными, механическими и эксплуатационными свойствами; по возможности состав сплавадолжен содержать минимальное количество дорогостоящих компонентов; свойства и структура сплава не должны изменяться в процессе эксплуатации готовой детали и т.д.

В промышленной классификации литейные сплавы делятсяначёрные и цветные. К чёрным сплавам относят, стали и чугуны, цветные делятся на тяжёлые – плотностью более 5000кг/м 3 (медные, цинковые, никелевые и др.) и лёгкие – плотностью менее 5000кг/м 3 (литейные, магниевые, титановые, алюминиевые).

Литейные свойства сплавов.Наиболее важные технологические литейные свойства– жидкотекучесть, усадка (объёмная и линейная), склонность сплава к ликвации, образованию горячих и холодных трещин, поглощению газов образованию газовой и усадочной пористости.

Жидкотекучесть сплава зависит от его природы (химического состава) и физических свойств (вязкости и поверхностного натяжения).

Наибольшей жидкотекучестью обладают чистые металлы и сплавы эвтектического состава, а также сплавы с узким интервалом кристаллизации (Δt о С). Например, высокая жидкотекучесть – силумины, серый чугун. Низкая – магниевые сплавы и сталь.

Жидкотекучесть сплавов определяют путём заливки специальных технологических проб. Наибольшее распространение получила спиральная технологическая проба (рис.6). Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъёма пробки металл плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах.

Читать еще: Шлакоуловитель в литейной форме

Рис.6. Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов.

1, 2 – нижняя и верхняя полуформы; 3 – заливочная чаша; 4 – графитовая пробка

Усадка– свойства литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку.

Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы.

Объёмная усадка – уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объёмная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещини короблений.

Усадочная раковина – дефект в виде скрытой или открытой полости. Усадочные раковины сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис.7, а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка 1 твёрдого металла. Уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня а – а. На корке 1 нарастает новый твёрдый слой 2, а уровень жидкости опять понижается до уровня б – б. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины 3.

А) 6)

Рис.7. Схема образования усадочной раковины (а) и усадочной пористости (б)

Рис.8. Дефекты в отливке

Усадочная пористость – дефект, представляющий собой мелкие поры (рис. 7, б и рис. 8). Вблизи температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению ячеек 2, заключающих в себе остатки жидкой фазы 3. Затвердевание небольшого объёма металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина 1. Множество таких межзёренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по граница зёрен металла.

Вероятность формирования усадочных раковин или усадочной пористости главным образом зависит от температурного интервала кристаллизации сплавов.

Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в твёрдой и жидкой фазах. Например, в сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор, кислород и углерод.

Ликвация вызывает неоднородность механических свойств в различных частях отливки. Различают дендритную и зональную ликвацию.

Горячие трещины – дефект в виде разрыва или надрыва усадочного происхождения, возникающего в теле отливки в температурном интервале хрупкости, когда имеются жидкие фазы по границам кристаллов (рис.9).

Склонность к горячим трещинам зависит от природы сплава и состояния расплава перед заливкой. Наличие в расплаве примесей и неметаллических включений, расширяющих температурный интервал кристаллизации сплава, приводит к большой вероятности возникновения горячих трещин. Такими примесями являются газы (водород, азот, кислород), оксиды, нитриды, а также сера и др. увеличение зерна металлической матрицы усугубляет вероятность образования горячих трещин. Это наблюдается при значительном перегреве металла перед заливкой.

Термические напряженияв отливке появляются из-за неравномерности распределения температур по толщине стенок отливки или между отдельными её частями.

Характер термических напряжений различен: в массивных частях отливки имеют места растягивающие напряжения, в более тонких – сжимающие.

Фазовые напряжения возникают в отливках вследствие выделения или исчезновения различных фаз или структур составляющих, имеющих удельный объём, отличающийся от удельного объёма основной матрицы.

Холодные трещины возникают, когда отливки будут находиться в области упругих деформаций, при температурах значительно ниже температуры солидуса. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации.

Опасность появления холодных трещин возрастает при наличии в сплаве вредных примесей. С повышением упругих свойств сплава и его усадки при пониженных температурах вероятность образования холодных трещин увеличивается.

Для предупреждения образованиявотливках холодных трещин необходимо:

· обеспечивать равномерное охлаждение во всех сечениях использовать холодильники или малотеплопроводные смеси;

· проводить отжиг отливок;

· применять сплавы с повышенной пластичностью при изготовлении сложных отливок и т.д.

Коробление – изменение формы и размеров отливки под влиянием литейных напряжений.

Вероятность коробления возрастает при увеличении протяжённости отливки, усложнении её конфигурации, уменьшения толщины её стенок. Коробление может вызываться неправильным охлаждением отдельных частей отливки, сопротивлением усадки отдельных частей отливки со стороны литейной формы или же самой отливки. Для предупреждения коробления в отливке нужны мероприятия, которые применяются для предупреждения холодных трещин, следует предусматривать рёбра жёсткости в конструкционных тонкостенных литых деталей, увеличивать податливость формы, создавать рациональную конструкцию отливки и т. д.

Литейные формы и их основные элементы

При литье металлический расплав заливают в заранее приготовленные литейные формы (рис. 48).

Читать еще: Опока что это такое в литейном

Рис. 48. Литейные формы для разового (а) и многократного (б) использования:

7, 3 — нижняя и верхняя полуформы; 2, 10— цапфы; 4 — выпор; 5 — расплав;
6 — ковш; 7, 9 — стержни; 8 — металлическая форма (кокиль); 77 — основание кокиля

Литейные формы подразделяют на разовые (песчаные объемные и оболочковые) и многоразовые (долговременные, часто называемые постоянными). Разовую литейную форму после получения в ней отливки разрушают, а многоразовая форма используется для изготовления большого количества отливок.

Большая часть отливок (

80%) изготовляется в разовых формах — литьем в песчаные формы. В некоторых случаях эти отливки не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Поэтому применяют специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в металлические формы (кокили), под давлением, под регулируемым давлением, с кристаллизацией под давлением (штамповкой из жидкого металла), центробежное и др.

Основные операции технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах могут быть объединены в три группы: формовка; плавка метала и заливка его в форму; выбивка и очистка отливок. Процесс формовки включает в себя ряд операций по изготовлению формы (засыпку формовочной смеси в форму, саму формовку, установку стержней, сборку формы и др.). Процесс плавки и заливки состоит из операций по загрузке печи металлом, его плавлению, доводке и заливке в литейную форму. После затвердевания и охлаждения полученные отливки выбивают из формы, очищают от остатков формовочной и стержневой смеси, отделяют от них литники и прибыли.

Песчаная объемная форма в большинстве случаев состоит из двух полуформ (рис. 48а): верхней 3 и нижней /, которые получают уплотнением формовочной смеси, состоящей главным образом из кварцевого песка и огнеупорной глины, вокруг соответствующих частей (верхней или нижней) деревянной или металлической модели в специальных металлических рамках — опоках. Модель отличается от отливки не только размерами, но и наличием знаковых частей, предназначенных для установки стержня 7, образующего внутреннюю полость отливки (отверстия). Стержни изготовляют из смеси, например, кварцевого песка, отдельные зерна которого скрепляются при сушке или химическом твердении специальными крепителями (связующими). В верхней и частично нижней полуформе размещают модели элементов литниковой системы, предназначенной для заполнения расплавом 5 из разливочного ковша 6 рабочей полости формы. После засыпки и уплотнения формовочной смеси в опоках из полученных полуформ извлекают модели отливки, элементы литниковой системы и прибылей (или выпоров 4). Затем в нижнюю полуформу / устанавливают стержень 7 и накрывают верхней полуформой 3. Необходимая точность сборки формы обеспечивается штырями и втулками в цапфах 2 (или приливах) опок. В современных литейных цехах многие операции при изготовлении песчаной формы выполняются на машинах, например уплотнение смеси, извлечение моделей из полуформ, установка стержней, сборка форм и т.п. Перед заливкой во избежание поднятия верхней полуформы заливаемым расплавом опоки скрепляют друг с другом специальными скобами или на верхнюю опоку устанавливают груз. При заливке из полости формы вытесняются воздух и газы через вентиляционные каналы и выпоры 4.

После затвердевания отливки песчано-глинистую форму подают на выбивку, где ее разрушают и извлекают отливку. Затем из отливки удаляют стержень, отрезают от нее элементы литниковой системы и прибыли. Поверхность отливки очищают от пригоревшей формовочной и стержневой смесей и заусенцев. Для снятия внутренних напряжений, получения заданных структуры и механических свойств отливки подвергают термической обработке. После очистки и окраски их отправляют на склад или в механический цех.

Литейная форма многократного использования (кокиль) показана на рис. 48б. Кокиль 8 изготовляется из чугуна, который изнутри (его рабочая поверхность) перед заливкой расплавом окрашивается противопригарной краской. В кокиль устанавливаются песчаные стержни 7и 9, в которых выполнены элементы литниковой системы (чаша, питатели, выпор). При сборке кокиля в него вначале устанавливают стержень 7, а затем стержень 9. Кокиль расположен на цапфах 10, опирающихся на основание //. Рабочие полости кокиля перед сборкой очищаются от остатков старой краски и нагреваются до заданной температуры. Расплав заливают ковшом 6 в литниковую чашу, выполненную в стержне 9. После затвердевания отливки кокиль поворачивается на 180°, отливка и стержни выбиваются. Затем отливка поступает в обрубно-очистное отделение литейного цеха.

Кокиль очищается от остатков стержневой смеси и краски и готовится к следующей заливке. Песчаные стержни используются только один раз, на очередную сборку подаются новые стержни. Металлические стержни используются многократно. Выбор способа литья определяется служебным назначением детали, производственной программой, экономической целесообразностью, а также требуемой точностью и качеством поверхности отливок.

Для снятия внутренних напряжений, получения заданных структуры и механических свойств отливки подвергают соответствующей термической обработке.

Литейной формы. Требования к литейным формам. Очистка отливок;

Литьё в песчаные формы. Элементы, необходимые для изготовления

Литьё в песчаные формы в настоящее время является универсальным и самым распространённым способом изготовления отливок. Этим способом изготовляют из всех видов литейных материалов разнообразные по сложности отливки любых размеров и массы. Отличительными особенностями этого вида литья являются малые теплопроводность и теплоёмкость песчаной формы, что позволяет получать отливки с малой толщиной стенки (2,5…5 мм).

Сущность литья в песчаные формы заключается в изготовлении отливок обычной заливкой расплавленного металла в разовую разъёмную и толстостенную форму, изготовленную из формовочной смеси на основе песка с помощью многократно используемых модельных комплектов, с последующими затвердеванием залитого металла, охлаждением отливки в форме, извлечением её из формы и очисткой. Технологический процесс изготовления отливок состоит из ряда основных и вспомогательных операций, выполняемых в определённой последовательности (рис. 3.1). Из этих операций наиболее ответственными и трудоёмкими (60–75% общей трудоёмкости) являются операции изготовления литейной формы и её сборки. Процесс изготовления разовой литейной формы называется формовкой, которая может быть ручной, машинной и автоматической.

Читать еще: Литейный воск своими руками

Рассмотрим элементы, необходимые для изготовления песчаной формы.

Формовочная смесь – это многокомпонентная смесь природных, а иногда и с добавкой искусственных, материалов, необходимая для непосредственного образования литейной формы. В рассматриваемом виде литья основой формовочной смеси являются кварцевый песок и глина или различные смолы, обладающие связующей способностью и термической стойкостью. В процессе изготовления литейной формы увлажнённую формовочную смесь для сохранения ею требуемой конфигурации уплотняют различными способами, например, сжатием (прессованием) или встряхиванием.

Литейная опока – это приспособление в виде жёсткой рамы (открытого ящика), служащее для удержания формовочной смеси в процессе изготовления литейной формы и её последующей транспортировки и заливки металлом (рис. 3.2). Для удержания формовочной смеси при подъёмах и переворотах опока имеет внутренние выступы 1, 5. Для облегчения просушки формы, а также выпуска газов в процессе заливки формы расплавленным металлом в стенках опоки сделаны отверстия 2. Форма изготовляется в таком числе опок, которое необходимо для беспрепятственного извлечения модели.

Песчаная форма обычно состоит из верхней и нижней полуформ, которые изготовляют по литейным моделям в опоках (рис. 3.1) и взаимно ориентируют с помощью центрирующих металлических штырей 4, вставляемых в сопряжённые отверстия приливов 3 у опок (рис. 3.2).

Литейная модель – это приспособление, с помощью которого в литейной форме получают полость с формой и размерами, соответствующими конфигурации получаемой отливки. Модели бывают неразъёмные, разъёмные, а также с отъёмными частями.

Поверхности разъёма как модели, так и формы должны обеспечивать свободное извлечение модели после формовки. Кроме того, для предотвращения разрушения формы при извлечении из неё модели в направлении извлечения выполняют формовочные уклоны 7, а в местах сопряжения различных поверхностей – скругления 6 (рис. 3.3). Понятно, что формовочные уклоны и скругления, первоначально выполненные на модели, переходят затем в форму литейной полости, полученной с помощью данной модели, а после – и в геометрию полученной в данной полости отливки. Поэтому скругления также нужны для более равномерного охлаждения отливки и предотвращения возникновения трещин и усадочных раковин в местах сопряжений различных поверхностей.

Литейные стержни – это устанавливаемые в формы отъёмные формообразующие элементы, необходимые для образования полостей или отверстий требуемой конфигурации, а также иных сложных контуров, в том числе и участков наружных поверхностей (рис. 3.3). Литейные стержни фиксируют с помощью выступов, входящих в соответствующие впадины в форме и называемых стержневыми знаками. Конфигурация и размеры стержневых знаков должны обеспечивать удобство установки и устойчивое крепление стержней в форме.

Рис. 3.4.Составной литейный стержень, образующий в отливке полость

1 – верхний стержень; 2 – нижний стержень

Литейные стержни изготавливают с помощью стержневых ящиков (рис. 3.1-в), в которых производят формовку специальной стержневой смеси, основой которой является кварцевый песок с различным связующим (например, синтетической смолой или жидким стеклом). В процессе изготовления стержня внутри него металлической иглой обычно делают вентиляционный канал 5 (рис. 3.3), служащий для лучшего удаления газов, образующихся при контакте с расплавленным металлом в процессе литья. Стержни сложной формы могут состоять из двух и более частей (рис. 3.4), которые могут как предварительно склеиваться друг с другом, так и вставляться одна в другую в процессе сборки литейной формы. Если конструкция литой детали не позволяет надёжно устанавливать стержни в форме, то их приходится дополнительно фиксировать с помощью жеребеек, которые представляют собой небольшие стоечки с опорными торцами (рис. 3.5). В частности, применение жеребеек на рис. 3.5-а предотвращает возможное всплытие стержня под действием выталкивающей силы заливаемого металла. Ту же функцию выполняют и верхние жеребейки на рис. 3.5-б; нижние жеребейки не дают упасть или сместиться вниз консольно установленному горизонтальному стержню. Применение жеребеек увеличивает трудоёмкость литья из-за необходимости их изготовления и установки; после заливки жеребейки попадают в тело отливки, нарушая её герметичность и обуславливая возможность поломки режущего инструмента при механической обработке отливки в местах установки жеребеек, прочностные свойства которых обычно отличаются от свойств материала отливки (например, для чугунных отливок часто используют жеребейки из стали). Поэтому желательно, чтобы конструкция литой детали не требовала применения жеребеек.

Рис. 3.5.Фиксация стержня жеребейками 1:

а – в вертикальном положении;

б – в горизонтальном положении

Литниковая система – это система каналов и резервуаров для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, её заполнения и питания отливки при затвердевании. Литниковая система должна обеспечивать заполнение литейной формы с необходимой скоростью, задержку шлака и других неметаллических включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную подачу металла к твердеющей отливке. После окончания литья избыточный металл, заполняющий литниковую систему, застывает, сохраняя форму её каналов (рис. 3.1-о) и образуя отход, подлежащий отделению от самой отливки.