Прибыль в литейном производстве это

Разновидности литниковых систем

Прибыли представляют собой открытые или закрытые полости в форме, примыкающие к наиболее массивным частям отливки и служащие для питания (см. рис. 1.5; 1.11; 1.12; 1.14) отливок в период затвердевания с целью предупреждения образования усадочных раковин и рыхлот.

Рис. 1.14. Разновидности прибылей:
а — открытая верхняя, б — открытая боковая (отводная), в — закрытая боковая (питающая бобышка), г — закрытая полусферическая прибыль с атмосферным давлением, д — закрытая прибыль с газовым давлением, е — закрытая легкоотделяемая прибыль с газовым давлением, ж — обогреваемая верхняя открытая прибыль; 1 — массивная (питаемая) часть отливки. 2 — прибыль, 3 — песчаный стержень с каналом для подвода атмосферного давления в среднюю часть прибыли, 4 — керамический патрон с зарядом газотворного вещества (например, мела), 5 — керамическая или стержневая разделительная пластина между прибылью и массивной частью отливки, 6 — песчаная втулка с термореактивной смесью (экзотермической), оформляющая прибыль и обеспечивающая подогрев в ней металла

Прибыли классифицируют по расположению их относительно отливки на верхние и боковые, или отводные; по конструкции — открытые и закрытые, по форме — конические, цилиндрические, полусферические, шаровидные, в виде бобышек и др.; по условиям работы—с атмосферным давлением, со сверхатмосферным газовым давлением, утепленные, обогреваемые экзотермическими вставками; по методу отделения от отливок — отрезные и легкоотделяемые отбивные или скалываемые. Расположение, устройство и размеры прибыли должны быть такими, чтобы запас жидкого металла в ней был достаточным для компенсации усадки в питаемой части отливки и затвердевание расплава в ней заканчивалось после затвердевания питаемого узла, а усадочные дефекты (раковины, пористость) полностью находились в прибыли, не переходя в отливку. Одновременно стремятся к тому, чтобы при выполнении указанных условий расход металла на прибыли был минимальным (определяют расчетом).

Различают литниковые системы с питателями, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях разъема формы. По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые системы делят на ряд разновидностей: верхнюю, нижнюю (сифонную), боковую (рис. 1.15,а, б, в), ярусную (рис. 1.16 и 1.17), вертикально-щелевую (см. рис. 1.12) и комбинированную (рис. 1.18). Тип литниковой системы выбирают с учетом свойств литейного сплава, конфигурации и размеров отливки, расположения ее в форме и других факторов.

Рис. 1.15. Конструкции литниковых систем с верхним (а), нижним (б) и боковым (в) подводом расплава к отливке

Рис. 1.18. Комбинированный подвод металла при изготовлении отливки с протяженной цилиндрической частью:
а — общий вид, 6 — вид сверху; 1 — литниковая чаша, пробка, 3 — заслонка, 4, 5 — стояки, 6 — питатель, кольцевой коллектор для рассредоточенного подвода расплава сверху через дождевые питатели 8

Верхняя литниковая система (см. рис. 1.13; 1.15,а) имеет ряд достоинств: расход металла на нее невелик, конструкция ее обычно проста и легко выполнима при изготовлении форм; подача расплава сверху обеспечивает благоприятное распределение температуры в залитой форме (повышение ее от нижней части отливки к верхней), а следовательно, и благоприятные условия для направленной кристаллизации и питания отливки. Однако падающая сверху струя металла может размывать песчаную форму, вызывая засоры в отливке, при этом расплав разбрызгивается, возникает опасность его окисления и замешивания воздуха в поток с образованием оксидных включений. При верхней литниковой системе затрудняется улавливание шлака.

Применяют верхнюю литниковую систему для невысоких (в положении заливки) отливок небольшой массы и несложной формы, изготовляемых из сплавов, не склонных к сильному окислению в расплавленном состоянии, например чугунов, углеродистых конструкционных сталей, латуней.

Питающие элементы литьевых форм. Прибыль. Выпор. Холодильники.

Питающие элементы. Они обеспечивают питание отливки жидким металлом в процессе ее затвердевания. К ним относят прибыли и выпоры.

Прибыль — элемент литниковой системы, предназначенный для компенсации усадки металла при затвердевании отливки. Чаще всего прибыли используют при производстве отливок из сплавов с большой усадкой (сталь, высокопрочный чугун, алюминиевые сплавы и др.). Прибыль в форме выполняют в виде полости — резервуара для расплава, который затвердевает в нем в последнюю очередь. Прибыль должна быть массивнее питаемого узла (или стенки) отливки; при этом усадочная раковина образуется в прибыли, а отливка будет плотной. Пример расположения прибылей в форме изображен на рис. 34.

Рис. 34. Пример изготовления прибылей литьевых форм:

1 — полость для прибыли

Выпор — вертикальный канал в верхней полуформе, соединяющий полость формы с атмосферой. Назначение выпора — выведение газов из формы, контроль заполнения формы, перепускание расплава, местное питание отливки в процессе ее затвердевания.

Модель выпора устанавливают при формовке на самом высоком месте модели. Количество выпоров зависит от размеров и конфигурации отливки. В форме для крупных отливок устанавливают два и более выпоров. Для протяженных плоских отливок применяют отводной выпор, который устанавливают в противоположном от питателей конце формы.

Не рекомендуется ставить выпор на массивных частях отливки, так как, затвердевая первым, он будет питаться за счет отливки, в которой при этом может образоваться усадочная раковина. Перепускание расплава через выпор доливанием в чашу приводит к удалению загрязнений и уплотнению отливки. Перепускать надо достаточно большой объем расплава, иначе загрязнения соберутся под выпором. В мелких формах выпор не устанавливают, так как газы могут свободно удаляться и через достаточно тонкий слой формовочной смеси, и зазоры по плоскости разъема.

Холодильники. Их применяют для увеличения скорости охлаждения отливки в ее массивных частях и выравнивания скорости охлаждения толстых и тонких стенок. Применение холодильников способствует повышению плотности металла отливки в месте его установки, а также создает в ряде случаев направленное затвердевание в отливке.

Различают внешние и внутренние холодильники (по отношению к отливке). Примеры установки в форме внешних холодильников представлены на рис. 35.

Рис. 35. Внешние холодильники литейных форм:

а — под фланцем отливки, б — под полкой, в — сбоку массивного узла, г — в углу, д—в углах Т-образной стенки, е—сверху Т-образной стенки, ж — комбинированный

Наружные холодильники, как правило, вклеивают в форму, для этого используют клеи на основе жидкого стекла. Эффективность внешних холодильников ниже, чем внутренних, но применяют их чаще, так как они не нарушают сплошности металла в отливке. Примеры различного исполнения внутренних холодильников приведены на рис. 36.

Рис. 36. Внутренние холодильники литьевых форм: а, б — шпильки, в — проволочная спираль, г — металлическая пластина

Непременным условием применения внутренних холодильников является их полное расплавление. При изготовлении крупных отливок (рис. 37) в качестве xoлодильников используют металлические прутья, подвешиваемые в полости формы на перекладине. Это позволяет ускорить охлаждение массивной отливки, повысить плотность металла во всем объеме отливки и особенно в зоне установки внутренних холодильников.

Рис. 37. Внутренние холодильники в крупной отливке:

1 — металлические прутья (холодильники), 2 — прибыль, 3 — металлические перекладины

ПРИБЫЛИ И ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

ПРИБЫЛИ

Назначение прибылей

У сталей общая объемная усадка (в жидком состоянии и при затвердевании) в зависимости от химического состава достигает 4—7 %. При производстве отливок она проявляется в виде усадочных раковин и усадочных пор. Чем крупнее отливка и больше ее толщина, тем больших размеров формируется усадочная раковина, а также протяженнее становится зона усадочной пористости. В стальных отливках усадочные раковины не допускаются. А усадочная пористость частично может до пускаться, но это зависит от уровня требований, предъявляемых к отливкам: чем эти требования выше, тем ниже допустимая пористость.

Поэтому для получения качественных по усадочным дефектам отливок необходимо, как правило, компенсировать объемную усадку стали. Исключение составляют мелкие отливки с одинаковой небольшой толщиной стенок, у которых усадочные раковины вследствие малости размеров трансформируются в усадочные поры.

Процесс компенсации объемной усадки сплава при литье называют питанием отливки. Источником питания служит прибыль. Прибыль это элемент литниковой системы для питания отливок в период затвердевания с целью предупреждения образования усадочных раковин. При заливке формы металлом в прибыли происходит накопление жидкого металла, идущего на компенсацию объемной усадки затвердевающей отливки. После формирования отливки прибыль отделяют от нее, как и всю литниковую систему, и утилизируют.

Для эффективной работы прибыли необходимо обеспечивать направленность затвердевания металла в полости формы от торцевых частей или периферийных областей к внутренним, от тонких стенок к толстым, а от самой толстой части отливки к прибыли. При наличии протяженных стенок одинаковой толщины направленность затвердевания создают утолщением стенки в направлении к прибыли. Этому же способствует интенсивное охлаждение периферийных областей и замедленное около прибыльных областей.

Часть отливки, затвердевающую в последнюю очередь, называют тепловым, центром. Он требует питания от прибыли. При этом количество прибылей обычно равно

числу тепловых центров. Требуют питания и отливки, имеющие толстые протяженные стенки одинакового сечения, хотя они не имеют явных тепловых центров. В зависимости от размеров таких стенок и их расположения в форме для питания используют одну и более прибылей. При этом каждая прибыль действует автономно и имеет свою зону питания. В отливках с сочленениями стенок разной толщины части отливки с большей толщиной стенок могут выполнять функции прибыли. В этом случае для них общим тепловым центром становится часть отливки с максимальной толщиной стенок.

Для полноценного обеспечения питания отливки, снижения расхода металла, а также для удобства выполнения технологических операций при формовке и финишной обработке отливок прибыли должны отвечать следующим требованиям.

1. Металл в прибыли всегда должен затвердевать позже, чем в теп ловом центре зоны питания.

2. Количество жидкого металла в прибыли должно быть достаточно для полной компенсации объемной усадки металла отливки или ее питаемой части.

3. Уровень металла в прибыли всегда должен быть выше уровня металла в питаемом узле.

4. Геометрия прибыли, ее расположение в форме и сочленение с отливкой должны быть технологичными, т. е. обеспечивать удобство формовки, а также легкость отделения прибыльной части от отливки.

5. Прибыль должна быть экономичной, т. е. расход металла на питание отливки должен быть минимальным.

Классификация прибылей

По последовательности заполнения жидкого металла различают прибыли проливные (проточные) и сливные (рис. 7.1).

Проливные прибыли размещают перед отливкой (рис. 7.1, а). Жидкий металл в такие прибыли поступает непосредственно от литниковой системы, а в полость отливки он попадает уже из прибыли. Вследствие этого к моменту полного заполнения формы температура жидкой стали в прибыли выше, чем в отливке.

Сливные прибыли в отличие от проливных размещают за отливкой (рис. 7.1, 6). В этом случае жидкий металл из литниковой системы сначала попадает в полость отливки, а из нее уже в прибыль. Соответственно в прибыли металл имеет более низкую температуру, чем в отливке.

По связи с атмосферой различают прибыли открытые и закрытые (рис. 7.2).

Открытые прибыли не имеют с верхней стороны стенки формы, поэтому поверхность металла в них непосредственно контактирует с атмосферой (рис. 7.2, а).

Закрытые прибыли имеют верхнюю стенку, выполненную литейной формой (рис. 7.2, б). Поэтому такие прибыли не имеют непосредственного контакта с атмосферой.

С теплотехнической позиции открытые прибыли в стальном литые менее экономичны, так как у них через открытую верхнюю поверхность теплоизлучением теряется почти в три раза больше тепла, чем через равновеликую верхнюю поверхность закрытой прибыли. Но открытые при были всегда осуществляют питание отливок под действием атмосферного давления. Последнее эквивалентно действию статического напора жидкой стали высотой 1400—1500 мм. Поэтому открытые прибыли обеспечивают весьма эффективное питание отливок.

В закрытых прибылях действие атмосферного давления прекращается после формирования на поверхности прибыли прочной твердой корки затвердевшего металла. В последующем в полости таких прибылей создается разрежение. При этом движущая сила питания ослабевает и эффективность питания отливки снижается. Поэтому, учитывая тепло- технические преимущества закрытых прибылей, стремятся придать им преимущества открытых прибылей или даже усилить их. В зависимости от применяемого для этой цели технологического приема закрытые прибыли дополнительно подразделяют на прибыли, работающие под атмосферным, газовым и воздушным давлением.

Закрытые прибыли, работающие под атмосферным давлением, имеют тонкий газопроницаемый стержень, вставленный в полость прибыли через боковую или верхнюю стенку (рис. 7.2, н). Торец такого стержня быстро прогревается и металл на нем не затвердевает, а газопроницаемость стержня обеспечивает необходимое сообщение с атмосферой. По этому такая прибыль обладает преимуществами как открытой, так и закрытой прибыли. Роль газопроницаемого стержня может выполнять и конусный выступ (болван), размещенный на верхней поверхности прибыли (рис. 7.2, г). Этот вариант более технологичен и менее трудоемок при формовке.

Закрытые прибыли, работающие под газовым давлением, имеют вместо газопроницаемого стержня газотворный патрон (рис. 7.2, д). В патроне в качестве заряда содержится смесь мела и кокса (угля). Углекислый кальций мела под действием тепла жидкой стали разлагается с выделением диоксида углерода СО₂. Последний в свою очередь взаимодействует с углеродом кокса с образованием монооксида углерода СО. Выделяющиеся и образующиеся газы при температурах свыше 900 о С создают в полости прибыли сверхатмосферное давление. Это способствует увеличению движущей силы питания и повышению его эффективности.

Закрытые прибыли, работающие под воздушным давлением, имеют помещенную в полость прибыли керамическую вставку с отверстиями (рис. 7.2, е). Вставка через стальную трубку и гибкий шланг соединена с воздушным компрессором. После формирования прочной корки на поверхности прибыли включают компрессор и в полости прибыли создают воздушное давление, которое в 4—6 раз превышает атмосферное.

По расположению относительно питаемого узла различают прибыли прямого действия и отводные (рис. 7.2, а и 7.3).

Прибыли прямого действия непосредственно сочленены с тепловыми узлами отливок и их размещают над ними. Поэтому их еще называют верхними (рис. 7.2).

Прибыли отводные сочленены с тепловыми узлами отливок через горизонтальные или наклонные шейки и их размещают сбоку тепловых центров. Поэтому их еще называют боковыми (рис. 7.3, а).

Прибыли прямого действия более эффективны, чем отводные, так как в них при одинаковой высоте прибыли обеспечивается больший металлостатический напор.

По условиям охлаждения прибыли относительно отливки различают прибыли обычные, теплоизолированные и обогреваемые (рис. 7.3).

Обычные (равноохлаждаемые) прибыли выполняют такой же формы, как и отливки — из одинакового формовочного материала (рис. 7.2, а, б и 7.3, а). Поэтому внешние условия охлаждения в них металла идентичны.

Теплоизолированные прибыли формуют из менее теплопроводного материала, чем отливки (рис. 7.3, 6). для этого используют предварительно изготовленные оболочковые стержни-вкладыши 3 из специальной смеси с низкой теплоаккумулирующей способностью.

Обогреваемые прибыли имеют внешний источник тепла (рис. 7.3, в). Их обогревают теплотой экзотермической реакции, электрическим током или газом. В первом случае, как и в теплоизолированной прибыли, используют оболочковые стержни-вкладыши 4, но изготовленные из экзотермической смеси. Основными тепловыделяющими компонентами такой смеси являются алюминиевый порошок, окислитель (железная руда или окалина) и наполнитель (шамотный порошок). Под действием теплоты жидкой стали вкладыши нагреваются, а затем компоненты экзотермической смеси вступают во взаимную реакцию с выделением большого количества тепла. Поэтому охлаждение металла в прибыли или тормозится, или вовсе блокируется. Это позволяет в 2—4 раза уменьшить расход металла на прибыли.

Обычные прибыли при наличии открытой верхней поверхности так же могут функционировать как частично теплоизолированные или частично обогреваемые. Для этого поверхность расплава в открытой поверхности прибыли присыпают соответственно теплоизолирующим материалом или экзотермической смесью.

По геометрической форме прибыли классифицируют на цилиндрические, шаровые, призматические и комбинированные (рис. 7.4).

Шаровые прибыли с теплотехнической позиции наименее эффективны. Кроме того, они нетехнологичны при формовке, так как имеют цилиндрическую шейку меньшего диаметра по сравнению с шаром (рис. 7.4, а). Это создает дополнительные проблемы извлечения модели прибыли при горизонтальной поверхности разъема формы. Хотя этот недостаток в некоторых случаях (при использовании выжигаемых или выплавляемых моделей, при вертикальном разъеме формы) устраняется, но ввиду

изложенного выше диаметр шейки увеличивают до диаметра шара, трансформируя нижнюю часть шаровой прибыли в цилиндрическую.

Цилиндрические прибыли технологичны при формовке и вполне экономичны. Поэтому их используют наиболее часто. Для удобства формовки такие прибыли имеют прямой или обратный (рис. 7.4, б) уклон. При большом уклоне они трансформируются в конические прибыли.

Призматические прибыли применяют весьма часто. Сечения таких прибылей определяются конфигурацией места их установки, т. е. термического узла. Они могут быть прямоугольными, овальными, чечевицеобразными, кольцевыми и сложно фигурными (рис. 7.4, в, г).

Комбинированные прибыли сочетают в себе геометрические характеристики перечисленных выше прибылей. Наиболее типичными примерами являются цилиндро-шаровые прибыли, у которых нижняя часть имеет цилиндрическую форму, а верхняя представляет собой полушар (рис. 7.4, д), или цилиндро-призматические прибыли, у которых нижняя часть выполнена в виде горизонтальной призмы, а верхняя — в виде горизонтального полуцилиндра (рис. 7.4, е).

По способу отделения от отливки прибыли классифицируют на легкоотделяемые и отрезные (рис. 7.5).

Легкоотделяемые прибыли имеют тонкую шейку (рис. 7.5, а). Наличие тонкой шейки позволяет значительно сократить трудоемкость отделения прибыли от отливки. Небольшие прибыли отделяются при несильном ударе. Поэтому их еще называют отбивными. для формирования тонкой шейки используют специальные разделительные стержни — диафрагмы.

Отрезные прибыли не имеют тонкой шейки. Для их отделения от отливок применяют разнообразные способы и инструменты. Большинство рассмотренных выше прибылей относятся к отрезным.

По числу питаемых узлов прибыли классифицируют на индивидуальные и групповые.

Индивидуальные прибыли питают одну отливку или часть отливки.

Групповые прибыли имеют несколько питаемых узлов. При одновременном питании нескольких (группы) узлов из одной прибыли объем ее намного меньше суммарного объема индивидуальных прибылей, обеспечивающих эквивалентное питание. Поэтому групповые прибыли более экономичны, чем индивидуальные (рис. 7.6).

Удаление литников и прибылей из отливок

Литники от отливок отделяют резкой ножовочными полотнами, на круглопильных или ленточных станках, обрубкой на прессах. Для отрезки прибылей от мелких стальных и чугунных отливок используют ножовочные станки, ленточные пилы и дисковые станки.

Отрезка на дисковых станках происходит следующим образом. Быстровращающийся тонкий диск давит на разрезаемый металл, при этом выделяется большое количество теплоты, и нагретый до высокой температуры металл становится пластичным и прорезается диском. Диск охлаждается водой. В массовом и крупносерийном производстве для отделения литников от мелких отливок применяют различные прессы: гидравлические, кривошипные, фрикционные и др. При рабочем ходе пресса пуансон срезает питатели, и отливки отделяются от стояка. Для отрезки остатков литников от отливок из ковкого чугуна после отжига служат гидравлические и фрикционные прессы.

Анодно-механическую резку применяют для отрезки прибылей и литников от мелких и средних отливок из высоколегированных сталей. Отливку и инструмент включают в цепь постоянного тока и соединяют отливку с анодом, а инструмент с катодом. В зону резания подается водный раствор жидкого стекла плотностью 1,27-1,30 г/см2.

Инструмент в виде диска или замкнутой ленты имеет рабочее движение и движение подачи. При определенном зазоре между поверхностями отливки и инструмента цепь постоянного тока замыкается через выступы поверхности, и начинается процесс резки. В местах контакта микровыступы инструмента и отливки оплавляются, и продукты оплавления в виде мелких шариков выносятся из зоны резания движущегося инструмента. Преимущества анодной механической резки: малая ширина реза, ровная поверхность, малые отходы и достаточно высокая производительность.

Для отрезки абразивными кругами прибылей и литников от мелких и средних отливок применяют специальные станки. При этом получают прямой и чистый рез, шум при работе невелик. Однако большое пылевыделение, расход абразивных кругов и сложность использования данного способа для крупных отливок ограничивают область его применения.

Процесс газовой резки основан на интенсивном окислении металла в струе кислорода при высокой температуре. Для нормального протекания процесса резки металла необходимы следующие условия:

• температура воспламенения металла должна быть ниже температуры его плавления. Если это условие не выполняется, то металл будет плавиться и переходить в жидкое состояние еще до того, как начнется его горение в кислороде;

• температура плавления оксидов, образующихся при резке металла, должна быть ниже температуры воспламенения и плавления металла. Если это условие не выполняется, то кислородная резка металла без применения специальных флюсов невозможна, так как образующиеся оксиды не будут находиться в жидком состоянии при температуре горения металла и их невозможно будет удалить из места реза.

Скорость резки зависит от толщины материала, его свойств, состава и температуры, а также от температуры пламени, давления кислорода, формы режущей струи, скорости истечения ее из сопла и чистоты кислорода. Предварительный нагрев отливки повышает скорость резки. При нагреве стали до 200-370 °C скорость резки возрастает на 50-100%. Скорость ручной резки углеродистой стали в значительной степени зависит от вида горючего (ацетилен, пиролизный газ, бензин или керосин). Скорость ацетилено-кислородной резки может быть определена по формуле

где t — продолжительность резки, мин на 1 м; t = 6/8 + 0,85;

b — толщина разрезаемого металла, мм

Для разделительной резки отливок используют и воздушно-дуговую резку. Она может быть применена для резки высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов. Сущность резки заключается в следующем: возбуждается сварочная дуга обратной полярности между угольным электродом и отливкой. Параллельно электроду из держателя подается струя сжатого воздуха, выдувающая расплавленный металл из сварочной ванны.

По мере равномерного перемещения электрода относительно плоскости разрезаемого металла с одновременным выдуванием жидкой плазмы в металле остается ровная и чистая канавка. Глубина и ширина канавки зависят от силы тока, диаметра электрода, скорости его перемещения и угла наклона электрода к плоскости разрезаемого металла. Ширина реза зависит от диаметра электрода:

где d — диаметр электрода, мм.

Отрезка прибылей отливок толщиной до 40 мм за один проход затруднительна. При резке металла толщиной более 25 мм электроду при перемещении вдоль линии реза нужно придавать пилообразные колебания от верхних кромок реза к нижним, как это делают при обычной дуговой сварке.

Для воздушно-дуговой резки металла необходимо иметь резак, источник электрической энергии, сжатый воздух и графитовые электроды. Наиболее часто используют электроды диаметром 6, 8 и 12 мм, длиной 250-300 мм. В некоторых случаях прибыли отрезают на токарных станках.