Технология литейного производства

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

1.1 Основные понятия и определения

Литейное производство, или литье – это способ изготовления заготовки или готового изделия путем заливки расплавленного металла в полость заданной конфигурации с последующим его затвердеванием.

Заготовки или изделия, получаемые методом литья, называют отливками.

Полость, заполняемая жидким металлом при литье, называется литейной формой.

Назначение литейной формы состоит в следующем.

1.Обеспечение необходимой конфигурации и размеров отливки.

2.Обеспечение заданной точности размеров и качества поверхности отливки.

3.Обеспечение определенной скорости охлаждения залитого металла, способствующей формированию требуемой структуры сплава и качества отливок.

По степени использования формы делят на разовые, полупостоянные и постоянные.

Разовые формы служат для получения только одной отливки, изготавливают их из кварцевого песка, зерна которого соединены каким-либо связующим веществом.

Полупостоянные формы – это формы, в которых получают несколько отливок (до 10-20), такие формы изготавливают из керамики.

Постоянные формы – формы, в которых получают от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч отливок. Такие формы изготавливают обычно из чугуна или стали.

Основной задачей литейного производства является получение отливок с максимальным приближением формы и размеров поверхности к аналогичным параметрам готовой детали с целью уменьшения трудоемкости последующей механической обработки. Основное достоинство формообразования заготовок литьем — возможность получения разнообразных по массе заготовок практически любой сложности непосредственно из жидкого металла.

Стоимость литых изделий нередко намного меньше, чем изделий, изготовленных другими способами, однако для литья применимы не любые сплавы, а только те, которые обладают хорошими литейными свойствами. Основными литейными свойствами являются.

1. Жидкотекучесть – способность жидкого металла заполнять литейную форму, точно повторяя ее конфигурацию.

Чем выше жидкотекучесть, тем литейный сплав лучше. У стали и чугуна это свойство уменьшается с увеличением содержания серы и повышается с увеличением содержания фосфора и кремния. Перегрев сплава выше температуры плавления повышает его жидкотекучесть.

Жидкотекучесть оценивают по длине пути, пройденному жидким металлом до затвердевания. Высокую жидкотекучесть (>700 мм) имеют силумины, серый чугун, кремнистая латунь, среднюю жидкотекучесть (350-340 мм) имеют углеродистые стали, белый чугун, алюминиево-медные и алюминиево-магниевые сплавы, низкую жидкотекучесть имеют магниевые сплавы.

2. Усадка – уменьшение размеров отливки при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Чем меньше усадка, тем литейный сплав лучше. Различают усадку объемную (уменьшение объема) и линейную (уменьшение линейных размеров). Это свойство зависит главным образом от химического состава сплава. Ориентировочно линейная усадка составляет 1% для чугунного литья и 2% – для стального и цветного. Разумеется, каждая конкретная марка литейного сплава имеет свое значение усадки.

3. Склонность к ликвации. Ликвацией называют химическую неоднородность по объему отливки. Чем меньше склонность к ликвации у литейного сплава, тем он лучше.

В литейном производстве применяют много самых различных сплавов. Наиболее распространенным является серый чугун, из которого в отечественном машиностроении делают около 75% отливок (по массе), из стали – около 20%, из ковкого чугуна – 3% и около 2% литых деталей изготавливают из сплавов цветных металлов.

Существует два способа заливки металла в формы.

1.Обычная заливка, при которой металл заполняет литейную форму свободно под действием силы тяжести. К этому способу относится литье в песчано-глинистые формы.

2.Специальные способы литья, их существует около 15, основными из которых являются:

· литье под давлением;

· литье в кокиль (в металлические формы);

· литье в оболочковые формы;

· литье по выплавляемым, выжигаемым или растворяемым моделям.

Литье в песчано-глинистые формы – основной метод производства отливок. Этим методом получают литые детали как простой, так и сложной формы, наиболее крупные отливки, которые нельзя получить другими способами.

Применение специальных способов литья позволяет уменьшить брак в литейном производстве. При литье в металлические формы, центробежным литьем обеспечивается получение отливок высокой точности. Наряду с этим специальные способы литья применимы лишь для изделий сравнительно небольших размеров (масса до 300 кг).

Для изготовления литейной формы необходимо иметь модельный комплект. В общем случае модельный комплект состоит из модели, стержневого ящика и моделей элементов литниковой системы.

Модель – это прообраз будущей отливки, с помощью модели формообразуется, в основном, ее наружная конфигурация. От отливки модель отличается материалом, наличием стержневых знаков (если отливка полая и для формирования полости необходим стержень), наличием разъема (если формовка производится по разъемной модели), размерами, превышающими соответствующие размеры отливки на величину линейной усадки сплава.

Стержневой ящик – это часть модельного комплекта, предназначенная для изготовления стержня. Стержень, в свою очередь, необходим для формирования внутренней конфигурации отливки (для получения отверстий).

Литниковая система – это совокупность каналов в литейной форме, подводящих расплавленный металл, улавливающих шлак и неметаллические включения, отводящих из формы газы, а также питающих отливку жидким металлом в процессе ее кристаллизации.

1.2 Технология получения отливок

Технологический процесс производства отливок в песчано-глинистых формах включают формовку, т. е. приготовление полуформы и стержней; сборку литейных форм; заливку расплава, выбивку и очистку отливок.

Для изготовления литейных форм из формовочных смесей применяют модельно-опочную оснастку. В нее входят модели, модельные плитки, стержневые ящики и т. д.

Для облегчения изучения процесса изготовления отливки рассмотрим схему технологического процесса (рис. 1).

По чертежу детали (рис. 1, а) технолог-литейщик разрабатывает чертеж модели и стержневого ящика. В модельном цехе по этим чертежам изготовляют модель (рис. 1, б) и стержневой ящик (рис. 1, в), при этом учитываются припуски на механическую обработку и усадку сплава при остывании. С целью получения опорных поверхностей для установки стержней на моделях выполнены стержневые знаки. По стержневому ящику формуют стержень (рис. 1, г), который предназначен для образования в отливке внутренней полости.

Для заливки формы металлом имеется литниковая система, состоящая из чаши, стояка, шлакоуловителя, питателей и выпоров (рис. 1, e). При сборке в нижнюю полуформу устанавливают стержень, затем соединяют обе полуформы и нагружают балластом. Литейная форма в сборе показана на рис. 1, д.

В плавильном отделении расплавляют металл и заливают в формы. Остывшую отливку выбивают из формы и передают в отделение очистки и обрубки, где ее очищают от формовочной стержневой смеси и обрубают остатки литника, заливы и др.

Модели – приспособления, при помощи которых в формовочной смеси получают отпечатки – полости, соответствующие наружной конфигурации отливок. Отверстия и полости внутри отливок образуют при помощи стержней, установленных в форме при их сборке.

Размеры модели делают больше, чем соответствующие размеры отливки, на величину линейной усадки сплава, которая составляет для углеродистой стали 1,5-2%, чугуна 0,8-1,2%, бронз и латуней 1-1,5% и т. д. Для облегчения изготовления моделей из формовочной смеси при формовке стенки моделей должны иметь формовочные уклоны (для деревянных моделей 1-3 0 , для металлических 1-2 0 ) В местах сопряжения, делают плавные сопряжения радиусом R = (1/5 — 1/3) средней толщины соприкосновения стенок.

Преимущество деревянных моделей – дешевизна и простота изготовления, недостаток – недолговечность. Модели окрашивают для чугунных отливок в красный цвет, для стальных в синий. Стержневые знаки окрашивают в черный цвет.

Металлические модели чаще всего делают из алюминиевых сплавов. Эти сплавы легки, не окисляются, хорошо обрабатываются резанием.

При машинной формовке обычно применяют металлическую модельную оснастку с установкой модели с установкой модели и литниковой системы на металлической модельной плите.

Стержни формуют в деревянных или металлических стержневых ящиках.

Формовка, как правило, производится в опоках – прочных и жестких металлических ящиках различной формы, предназначенных для изготовления в них литейных полуформ из формовочной смеси путем ее уплотнения.

Для изготовления литейных форм и стержней применяют смеси из природных песков и глин с добавкой необходимого количества воды. Качество, состав и свойства материалов и смесей зависит от условий службы их в литниковой форме.

Формовочные и стержневые смеси должны иметь следующие свойства:

– прочность (для сохранения целостности при сборке, транспортировании, механическом воздействии);

– огнеупорность (при соприкосновении с металлом не должны плавиться, спекаться, пригорать к отливке, размягчаться);

– пластичность (сохраняют форму после снятия нагрузки);

– неприлипаемость смеси к модели, стержневому ящику и в плоскости разъема формы;

– легкость удаления смеси при очистке отливок;

– долговечность, т.е. способность смесей сохранять свойства после многократного использования;

Свежих формовочных материалов, т. е. песка и глины требуется в среднем 0,5 — 1 т на 1 т литья, в то время как расход смесей для изготовления форм и стержней составляет 4 — 7 т. Главной частью в смесях являются отработанные формовочные материалы, свежие материалы служат только для замены песчаных зерен, превращающихся в пыль, и для выполнения связующих способностей глин.

Зерновая часть песков должна состоять преимущественно из зерен кварца (SiO₂) в лучших сортах песка содержание SiO₂ ³ 97%, в худших содержание SiO₂ ³ 90%.

К глинистой части песка условно относят все содержащиеся в нем частицы размером менее 0,022 мм.

Формовочные глины — это пески, содержащие более 50% глинистых веществ. Глины делятся на формовочные обыкновенные и бектонитовые. К бектонитовым относятся глины состоящие в основном из кристаллов монтмориглионита [Al₂O₃·4SiO₂·H₂O+nH₂O]. Этот материал сильно набухает в воде, что увеличивает связующие свойства глин. Бектонит применяется для изготовления форм и стержней, не подвергающихся высушиванию.

Обыкновенные формовочные глины состоят в основном из кристаллов каолина Al₂O₃·2SiO₂·2H₂, не обладающих внутрикристаллическим набуханием.

Для стального литья берут самую огнеупорную глину с высокой термохимической устойчивостью — не менее 1580 О С, для чугуна – со средней устойчивостью не менее 1350 О С, для цветного литья термохимическая устойчивость глин не ограничивается.

Для изготовления формовочных и стержневых смесей, кроме песка и глины, применяют органические и неорганические связующие материалы. Органические связующие материалы сгорают и разлагаются при высоких температурах. К этим материалам относят льняное масло, олифу, крепетель (растительное масло, канифоль, уайт-спирт), пек торфяной и древесный, канифоль, пектиновый клей, патоку и ряд других. В качестве неорганических связующих используют цемент и жидкое стекло.

В литейных цехах, имеющих механизированные землеприготовительные заготовки, пользуются единой формовочной смесью. В цехах с меньшей степенью механизации употребляют облицовочные и наполнительные смеси, первые более качественные и служат для образования внутреннего, соприкасающегося с отливкой слоя.

Материалы для стержней – стержневые смеси – выбирают в зависимости от конфигурации стержней, их расположения в форме. Они должны иметь высокую прочность, обладать достаточной податливостью, чтобы не препятствовать усадке металла, хорошей газопроницаемостью. В производстве отливок из сталей и чугуна для приготовления таких стержней применяют качественные песчано-масляно-смоляные смеси (чистый кварцевый песок и полимерный связующий материал — смола или жидкое стекло). Стержни менее ответственные с более толстым сечением изготавливают из смесей, состоящих из 91-97% SiO₂ и 3-4% глины с добавлением жидкого стекла или других связующих. Для массивных стержней используют менее качественные смеси, изготовленные из 30-70% SiO_2, 20-60% оборотной земли и 7-10% глины, являющейся основным связующим.

Для предотвращения пригара и улучшения чистоты поверхности отливок формы и стержни покрывают тонким слоем противопригарных материалов. Для сырых форм противопригарными материалами служат припылы, в качестве которых используют порошкообразный графит (для чугунных отливок) и пылевидный кварц (для стальных отливок). Для сухих форм приготавливают противопригарные краски. Краски представляют собой водные суспензии из тех же материалов графит (для чугуна), кварц (для стали) со связующими. Краски наносят на горячие формы и стержни, не успевшие остыть после сушки.

1.3 Литниковые системы

Назначение литниковой системы – обеспечить плавный безударный подвод металла в форму, регулировать термофизические явления в форме для получения качественной отливки и предохранить форму от попадания в нее шлаковых включений. Элементами нормальной литниковой системы являются литниковая чаша 1, стояк 2, шлакоуловитель 3, питатели 4, подводящие металл непосредственно к отливке. Вся литниковая система при заливке должна быть заполнена жидким металлом во избежание засасывания в форму шлаков и атмосферного воздуха.

При получении отливок из стали, ковкого чугуна и некоторых сплавов цветных металлов с относительно большой усадкой литниковая система питает их жидким металлом в процессе затвердевания.

ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Основные понятия

Литье – метод изготовления фасонных заготовок деталей путем заливки расплавленного материала в заранее приготовленную литейную форму, полость которой имеет требуемую конфигурацию. После затвердевания и охлаждения материала в форме получают заготовку детали, называемую отливкой.

Еще недавно в качестве литейных материалов применялись лишь металлы и их сплавы. Сейчас диапазон материалов расширился за счет некоторых горных пород и пластмасс.

Литье является наиболее простым и дешевым промышленным способом получения заготовок, в том числе имеющих сложную геометрическую форму. Например, на рис. 7.1 показаны сложные заготовки, полученные методом литья, используемые в авиационных двигателях.

Рис. 7.1. Примеры получения литьем крупногабаритных отливок сложной пространственной формы:

а – из алюминиевого сплава 0 2000 мм; б – магниевого сплава

Литьем изготовляют отливки массой от нескольких граммов до

300 т, длиной от нескольких сантиметров до 20 м.

Технология получения отливок складывается из следующих основных операций:

• • изготовление литейной формы;
• • расплавление литейного материала и заливка его в рабочую полость литейной формы;
• • кристаллизация литейного материала в форме и охлаждение отливки;
• • выбивка отливки из формы; если форма разовая, то ее разрушают, если металлическая – раскрывают;
• • обрубка прибылей и литниковой системы и при необходимости очистка поверхностей отливки.

Далее полученную заготовку подвергают термической обработке, и как правило, направляют на механическую обработку для снятия припуска и получения точных размеров и необходимой шероховатости поверхности.

Материалы, используемые для производства отливок, должны иметь хорошие литейные свойства: обладать жидкотекучестыо, небольшой литейной усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов, невысокой температурой плавления. Наибольшее распространение среди литейных сплавов получили серый и ковкий чугуны, углеродистая и легированная стали, силумин (сплав алюминия), бронзы и латуни (сплавы меди).

Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным материалом формируется отливка. Литейные формы получают как из неметаллических материалов (песчаные, деревянные, изготовляемые по выплавляемым моделям, оболочковые) для одноразового использования, так и из металлов (кокили, изложницы для центробежного литья) для многократного использования. Устройство литейной формы схематически представлено на рис. 7.2; в качестве примера взята песчано-глинистая форма. Основными элементами литейной формы являются рабочая полость и литниковая система

Рис. 7.2. Принципиальная схема литейной формы:

1 – прибыль; 2 – литниковая чаша; 3 – стояк; 4 – дроссель; 5 – шлакоуловитель; 6 – питатель; 7 – рабочая полость; 3 – выпор; 9 – стержень; I – верхняя опока; II – нижняя опока

В рабочей полости 7 формируется тело отливки. Конфигурация рабочей полости соответствует конфигурации изготовляемой детали, а ее размеры – размерам детали с учетом припуска на литейную усадку и последующую механическую обработку. Внутри отливки и на ее поверхности в соответствии с чертежом детали могут быть различные отверстия и полости, для образования которых в литейную форму при ее сборке устанавливают соответствующие элементы, называемые стержнями 9. Стержни бывают металлические или керамические, и их удаляют при выбивке отливки из формы.

Литниковая система служит для подвода расплавленного литейного материала в рабочую полость и питания отливки в процессе кристаллизации. Она состоит (см . рис. 7.2) из литниковой чаши (воронки) 2, стояка 3, дросселя 4, регулирующего скорость заливки и предотвращающего подсос воздуха в стояк, шлакоуловителя 5, служащего для задержки неметаллических включений, питателя 6, подающего расплавленный металл в рабочую полость непосредственно либо, как показано на рис. 7.2, через боковую прибыль/, и выпора 8.

Прибыль – это массивный прилив, затвердевающий в последнюю очередь. Он питает отливку при охлаждении и кристаллизации литейного материала и предотвращает образование в ней усадочных раковин. Прибыли могут быть бокового или верхнего расположения.

Выпоры – это вертикальные каналы, устанавливаемые на самых высоких местах отливки и служащие для выхода газов, образующихся при заливке в форму жидкого литейного материала. Внешний вид отливки показан на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Отливка с элементами литниковой системы:

1 – боковая прибыль; 2 – литниковая чаша; 3 – стержень; 4 – выпор; 5 – тело отливки

Материалы литейных форм: песчано-глинистые и песчано-смоляные смеси, чугуны, стали, алюминиевые и медные сплавы, керамика, графит и др.

Существуют и используются следующие способы заполнения литейных форм расплавом: под действием гравитационных сил, высокого избыточного давления (до 700 МПа), низкого избыточного давления (0,1 МПа), центробежных сил и др.

Многообразие литейных форм и способов их заполнения расплавом предопределяет множество способов литья, среди которых наиболее распространены следующие: в песчано-глинистые формы, в оболочковые формы, в кокиль, по выплавляемым моделям, по выжигаемым моделям; центробежное литье, непрерывное литье и др.

Технологии литья

Изготовление металлических изделий методом литья – это широко распространенный способ получения деталей сложной конфигурации без использования дорогостоящего оборудования. Производители используют различные технологии литья. Благодаря этому детали можно получить такой точности, что не требуется дальнейшая механическая обработка. Автоматизация и механизация технологического процесса позволяет поставить получение отливок на поток.

Для литья пригодны такие металлы и сплавы как:

Для получения деталей определенного качества разрабатываются новые сплавы с различным процентным содержанием компонентов. От их наличия и количества во многом зависит температура плавления и жидкотекучесть расплава.

Новая технология в литье – прогрессивный способ разливки. Позволяет снизить себестоимость продукции в отличие от конкурирующих предприятий. Кроме издревле известных способов литья в землю или песчано-глинистые формы, для увеличения количества отливок используются неразрушаемые металлические формы – кокили.

Кроме перечисленных способов применяются такие методы литья как:

• под давлением:
  • избыточным;
  • вакуумическим;
• центробежное;
• в оболочковые формы;
• по моделям:
  • выплавляемым;
  • газифицируемым;
• точное (прецизионное).

Для литья чугуна с невысоким показателем шероховатости поверхности используются песчано-глинистые формы. Разлив производится как в опочные формы, так и в безопочные.

Использование типа формы зависит от массовости получения отливок. Так, разовые формы разрушаются, чтобы извлечь отливку. Из-за невысокой прочности состава, формы, предназначенные для разлива под небольшим давлением, изготавливаются толстостенными. Благодаря введению специальных связывающих материалов, придающих дополнительную прочность, форма изготавливается небольшой толщины, но с использованием опоки.

Для цветного литья используются более прогрессивные технологии.

Литье алюминия из-за его низкой температуры плавления сопряжено с некоторыми трудностями. Если разлив производится в формы из металла, то под давлением и с использованием специальных смазок, чтобы исключить появление дефектов.

Для получения ровной наружной поверхности и точного размера на изделиях, имеющих форму вращения, не только из алюминиевых, но и из других сплавов, используется центробежное литье. Центробежные силы распределяют расплавленный металл по форме равномерно. К тому же из расплава удаляются излишки воздуха и газов. Далее ознакомимся с некоторыми технологическими способами литейного производства.

По газифицируемым моделям

Получение формы происходит за счет неизвлекаемой модели, и заливка металла производится в неразъемную форму. При этом модель получают из пенопласта вспениванием при высокой температуре. При литье металла в форму, пенопластовая модель полностью выгорает, освобождая внутренний объем.

Если модели для мелких деталей можно получить вспениванием состава, то крупные вырезают из склеенных плит. Резка производится вручную. Для этого используется нихромовая проволока. Поданное напряжение разогревает проволоку, что облегчает резку.

Также модель может вырезаться на фрезерных или гравировальных станках с числовым программным управлением по заданному алгоритму. Подготовленная модель красится и дополнительно покрывается термостойким составом.

Формовка при ЛГМ производится двумя методами. В первом случае для отливок несложных форм используются вибрационные столы, на которых происходит уплотнение формовочной смеси с использованием опок. Затем на опоку укладывается крышка и монтируется литниковый приемник.

Во втором случае, когда изделие имеет сложную геометрию, формовку проводят под вакуумом. Чтобы закрытая форма не разрушилась, она подвергается действию пониженного давления вплоть до окончания заливки. Значение вакуумического давления невелико – порядка 4-5 ГПа.

Заготовки для литья по газифицируемым моделям

Температура разливаемого металла значительно выше, чем начало газификации пенопласта (560 °С). Газы, выделяемые пенопластом, из формы легко удаляются вакуумной системой. При этом отсутствует задымленность рабочей зоны.

В качестве основного достоинства этого метода отмечают высокое качество отливок, которое можно получить литьем в обыкновенный или облицованный кокиль. Возможным это стало из-за того, что форма цельная.

Литье по газифицируемым моделям

На современном этапе литье по выжигаемым моделям применяется для отливки:

• крупных и средних изделий на мелкосерийном производстве;
• заготовок со сложной конфигураций и весом до 50 кг, к которым предъявляются требования повышенной точности размеров, на среднесерийном и крупносерийном производстве.

Под давлением

Технология литья под давлением предполагает быструю подачу расплава в форму путем использования компрессорных или поршневых механизмов. Благодаря автоматизации процесса литье под давлением считается высокопроизводительным.

Таким способом можно получать детали:

• сложной геометрической формы;
• с достаточно тонкими стенками;
• высокой точности;
• с повышенной шероховатостью.

Способ литья под давлением применяется для получения деталей в автомобилестроении. Они получаются небольшого веса, достаточной прочности, что позволяет снизить общую массу агрегата.

Стоит отметить, что метод литья под высоким давлением имеет следующие достоинства:

• возможность получения размеров 9 класса и грубее;
• достигаемая шероховатость поверхности — 1,25 мкм;
• минимальная размер стенок — 0,6 мм;
• минимальным диаметром отверстий — 1 мм;
• формирование наружной резьбы;
• накатки, надписей на внешней стороне.

К недостаткам относят следующее:

• высока цена на сами формы;
• разлив металлов с низкой температурой плавления;
• повышенная вероятность образования внутренних дефектов в виде трещин и напряжений.

Схема литья под давлением

Широкое использование литья алюминия под давлением обусловлено:

• малым значениями температуры в период кристаллизации;
• пластичностью сплава;
• хорошей жидкотекучестью;
• инертностью к химическим реакциям;
• невысоким объемом усадки.

Рассматривая способы технологию поделить следующим образом:

• камера прессования:
  • горячая;
  • холодная;
• способ разливки:
  • горизонтальный;
  • вертикальный;
• механизм подачи сплава:
  • поршневой;
  • компрессорный.

Протекание процесса

Расплав подается в специальную полость. Поршневым пальцем жидкий металл на большой скорости вгоняется во внутреннюю полость пресс-формы. После чего происходит охлаждение без снятия давления. После затвердевания пресс-форма разъединяется, и отливка извлекается. Для облегчения извлечения конструкция оборудуется толкателями.

В кокиль

При литье в кокиль, или в металлические формы, жидкий металл заливают свободно, то есть под действием гравитационных сил. Саму форму изготавливают разборной из двух частей, установленных на плиту. Для получения полостей и отверстий в предусмотренные канавки, в которые укладываются стержни. Для изготовления металлических форм используются стали и чугуны.

Процесс отлива в кокиль

Для удаления газов во время заливки предусматриваются вентиляционные каналы. Чтобы к внутренним поверхностям кокиля не прилипал расплав их облицовывают или красят огнеупорными составами. Толщина покрытия зависит от разливаемого металла и скорости его охлаждения. Перед покрытием полость формы очищается, а затем нагревается до температур 150 °С — 280 °С.

Особенности получения отливок:

1. Из-за высокой теплопроводности сплавы в кокиле быстро остывают, поэтому сплавы с малой жидкотекучестью должны иметь максимальную толщину стенок. Высокая скорость остывания формирует мелкозернистую внутреннюю структуру.
2. Металлическая форма неподатлива, поэтому в отливке отсутствуют дефекты, вызываемые остаточными деформациями, а также предотвращает усадку. Получаемая точность заготовок: стали и чугуны – 7-11 класс, цветные сплавы – 5-9 класс.
3. Отсутствие пригара.
4. Достигаемая шероховатость поверхности соответствует R_z = 40-10 мкм.
5. Кокиль – газонепроницаемая конструкция. Вентиляционные каналы и огнеупорные покрытия не могут полностью отвести газы. В связи с этим газовые раковины – это частое явление.

• постоянные характеристики для получаемых отливок;
• возможность использования песчаных стержней;
• высокая производительность;
• малое количество производимых операций;
• чистая поверхность готовых изделий;
• механизация работ;
• невысокая квалификация работников.

• значительная стоимость формообразующей оснастки;
• ограниченная стойкость форм;
• быстрое остывание расплава.

В кокиль отливаются практически все металлы, но большинство отливок — это чугуны и литейные стали.

В землю

Литье в землю или в формы из смеси песка и глины — самый старый способ получения заготовок из расплавленного металла. Свыше 80% всего литья приходится на него. Отличается простотой и доступностью используемых материалов.

Из древесины изготавливаются модельный и литниковый комплект. После того как модель готова, замешивается формовочная смесь. В состав самой простой входят песок, кварц и глина.

Технология литья в землю

Формовка производится и вручную и на машинах. Ручное изготовление форм применяется при изготовлении разовых или нескольких отливок и считается непродуктивной. Формовка на машинах используется на автоматизированных литейных линиях. Литейные формы состоят из двух половин и являются одноразовыми. После заливки и охлаждения, формы разрушаются. Больше половины отработавшего материала возвращается на формовочную операцию после очищения и восстановления.

Прецизионное литье

Прецизионное литье, обладающее повышенной точностью, применяется уже не одно десятилетие. С его помощью можно изделиям придать любую форму и при этом не увеличивать затраты на производство.

Прецизионное литье металлов характеризуется тем, что отливки имеют:

• любую форму;
• высокую точность;
• минимальные припуски.

Данный способ литья используется при отливке мелких деталей весом от одного грамма до 10 кг.

Организация литейного производства

Применение информационных технологий в организации конструкторского-технологической подготовки литейного производства авиастроительного предприятия.

Введение

Литейное производство (как заготовительное производство авиастроительного предприятия) отличается относительным разнообразием применяемых технологий и сложностью протекающих в нем процессов. Каждый из этих производственных процессов требует использования специального технологического оборудования, соответствующей оснастки, влияет на производственную структуру производства, профессиональный состав, организацию труда, оперативно календарное планирование и, в конечном счете, на эффективность функционирования производства [1, 2]. Повышения эффективности, технологичности и качества литейного производства авиастроительного предприятия можно достигнуть за счет применения современных информационных технологий на этапе конструкторско-технологической под- готовки производства [3–5].

1. Особенности организации конструкторско- технологической подготовки литейного производства

Литейное производство характеризуется большим разнообразием применяемых технологий [2] (отливка в разовые земляные формы, в кокиль, в машинах под давлением, в оболочковые формы, в металлические формы, центробежное литье, по выплавляемым моделям и др.).

Производственные процессы, протекающие в литейном производстве (приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление и подготовка форм и стержней, приготовление шихты и выплавка металла, заливка металла, выбивка и очистка-обрубка отливок), представляют собой различные технологические операции, взаимосвязанные и сочетающиеся при изготовлении отливок в одной и той же непрерывной технологической последовательности и не допускающие длительных перерывов между отдельными операциями.

Несмотря на высокую материало- и трудоемкость, непростые условия труда и неблагоприятные экологические последствия, литейное производство широко применяется в авиастроении. При анализе литейного производства авиастроительного предприятия были выявлены следующие особенности литых заготовок для изделий авиастроения:

1) изготовление большой номенклатуры деталей при относительно малой их серийности;

2) пространственная и контурная сложность деталей с обеспечением высоких требований к обеспечению точности изготовления и сборки;

3) получение деталей сложной конфигурации от поставщиков для обеспечения точной сборки;

4) конструктивная сложность литых металлических деталей, которые имеют большое число поднутрений для снижения их веса, что обусловливает сложность оснастки для изготовления моделей, форм и заготовок.

В силу отмеченной специфики литейного производства его конструкторско-технологическая подготовка является наиболее длительным процессом, значительно влияющим на конечную цену изделия. При этом наиболее трудоемкая и дорогостоящая часть подготовки – это разработка литейной технологии, проектирование и изготовление литейной оснастки, последующий выпуск первой партии изделий с целью отработки на технологичность применяемых методов получения литейных заготовок. В случае внедрения новых технологий особое значение приобретают также анализ, контроль и установление причин возникновения дефектов для определения оптимальных параметров технологического процесса. Таким образом, отработка на техно- логичность новых методов получения форм и литых заготовок определяют сроки изготовления и качество заготовок для цехов-потребителей предприятия, что в конечном итоге сказывается на эффективности производства [2, 3].

2. Современные информационные технологии, применяемые в литейном производстве

Повышения технико-экономической эффективности литейного производства можно достичь за счет применения на этапе конструкторско-технологической подготовки производства современных информационных технологий, таких как: системы автоматизированного проектирования технологических процессов литья, системы компьютерного анализа прочности деталей, компьютерные базы данных и справочные системы, методы изготовления литьевых форм и моделей отливок с применением новых информационных технологий. Их использование влияет на сокращение сроков и снижение трудоемкости конструкторско-технологической подготовки производства новой номенклатуры отливок, уменьшения материалоемкости отливок и затрат на их механическую обработку, позволяет прогнозировать и предупредить образование дефектов в отливках.

В настоящее время применение технологии быстрого прототипирова- ния является одним из вариантов повышения эффективности организации конструкторско-технологической подготовки литейного производства за счет изготовления отливок в меньшие сроки с высоким качеством поверхности и низкой доли брака [5]. Эта технология позволяет по моделям деталей из CAD-приложений создавать трехмерные физические модели-прототипы без инструментального их изготовления. Для литейного производства возможно применение этой технологии в двух направлениях:

1. Технология Investment Casting – изготовление выжигаемых моделей для литейного производства. На 3D-принтере «печатается» модель отливки, полученная с электронной трехмерной модели детали в любой системе компьютерного проектирования, которая далее, как и при обычной технологии литья по выплавляемым моделям, покрывается прочной коркой, тем самым образуется форма для литья. Напечатанная модель затем выплавляется или выжигается в печи. В этом случае нет необходимости изготавливать по чертежам модельные комплекты для получения самой выплавляемой модели – она изготавливается на основе тех конструкторских и технологических данных, которые уже есть на производстве.

2. Технология Direct Cast – печать литейных песчаных форм для прямого литья цветных металлов и ферронесодержащих сплавов. В этом случае материал, применяемый при печати на 3D-принтере, позволяет «распечатать» стойкую форму, которая может выдерживать температуры до 1000 °С и позволяет изготавливать отливки из цветных сплавов. В этом случае длительность этапа изготовления оснастки также сокращается.

Применение технологии быстрого прототипирования на этапе конструкторско-технологической подготовки производства вносит изменения в последовательность разработки технологического процесса изготовления отливки (рис. 1).

Рис. 1. Этапы разработки технологического процесса изготовления отливки

Проведенный анализ литейного производства предприятия авиастроительной отрасли показал, что технологию быстрого прототипирования целесообразно применять при производстве первой контрольной партии отливок, а также для отливок малой применяемости, при отработке на технологич- ность литейных форм, при поиске путей улучшения конструктивных особен- ностей отливок, сокращении количества металла. Снижение доли брака, улучшение качества тела отливок и поверхностей – все это позволит сокра- тить временные и финансовые затраты на их производство и, следовательно, повысит эффективность литейного производства.

3. Повышение эффективности организации конструкторско- технологической подготовки производства литейного производства за счет внедрения информационных технологий

С целью определения причин повышения эффективности на основе анализа нормативной документации и основных процессов литейного производства были разработаны две схемы конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП). На рис. 2 приведена схема КТПП без применения современных информационных технологий. Процесс КТПП при внедрении в производство новой номенклатуры отливок представляет собой последовательность действий от начального этапа разработки требуемой техно- логической документации до конечного этапа производства годной отливки.

Этапы 2–15 выполняются сотрудниками производства на основании нормативных документов, личного опыта, расчетных схем и типовых техно- логических процессов. При этом этапы доработки оснастки и конструкторско-технологической документации 5–15 могут быть повторены несколько раз (до момента получения годной партии отливок) и представляют собой опытные испытания оснастки. Завершающим этапом является формирование конструкторско-технологической документации, обеспечивающей процесс получения годных отливок.

На рис. 3 представлена схема, основанная на применении нового под- хода к организации КТПП, а именно компьютерное моделирование формы 3а, компьютерный анализ процесса отверждения отливки для определения технологических параметров процесса литья 4а и изготовление формы посредством применения технологии быстрого прототипирования и печати форм 10а и моделей 11а. В этом случае КТПП осуществляется с использованием современных информационных технологий компьютерного моделирования, анализа процесса литья и применения технологии быстрого прототипиривания для получения оснастки – выплавляемой модели или формы для литья. При этом за счет компьютерного моделирования формы исключаются этапы 3, 5, 7, 9, 11, 12, 13 (рис. 2). Этапы 2, 3а, 4а, 6, 8 (рис. 3) выполняются с помощью современного компьютеризированного подхода к моделированию процесса литья, 10а – этап изготовления формы путем печати ее на 3D-принтере, этап 11а – печать выплавляемой модели. Этап доработки формы или модели осуществляется путем внесения изменений в разработанный технологический процесс на основе компьютерного моделирования и расчета процессов взаимодействия в системе отливка–форма.

Компьютерное моделирование процесса литья позволяет сократить количество испытаний формы, подобрать оптимальные параметры технологического процесса, что значительно снизит время на конструкторско-технологическую подготовку запуска в производство новой номенклатуры отливок. При этом технология быстрого прототипирования не требует изготовления оснастки и разработки технологического процесса для нее, обеспечивает сокращение времени изготовления формы для литья.

Рис. 2. Схема КТПП без применения новых информационных технологий

Рис. 3. Схема КТПП с применением новых информационных технологий

Сравнительный анализ эффективности двух схем КТПП предлагается проводить на основе определения и расчета ключевых показателей эффективности литейного производства с учетом такого технологического параметра, как качество поверхности получаемой отливки.

Качество поверхности отливки – показатель технологичности отливки, определяющий степень ее приближения к требуемой точности изготовления и, как следствие, трудоемкость операций чистовой обработки отливки.

Ключевые показатели эффективности, в свою очередь, определяют эффективность расходования ресурсов на каждом из этапов КТПП. Расчет производится по шести выбранным показателям:

1. Выход годного литья К1 – доля произведенных годных отливок, выраженная в процентах от количества металла, загруженного в плавильную печь; учитывает потери при плавке, заливке в формы, потери на литниковую систему, а также брак и производственные возвраты.

2. Производительность применяемого оборудования К2 – доля времени, затрачиваемого на производство годной продукции в процентах от общего производственного времени; учитывает затраты на простой производства при формовке, производственные задержки, а также задержки производства из-за бракованных или возвратных отливок.

3. Расход электроэнергии производством К3 – включает в себя расход энергии для плавки и общий расход энергии литейным производством.

4. Расход формовочных смесей при подготовке производства К4.

5. Расход воды производством К5.

6. Производительность труда персонала К6 – общее количество человеко-часов, затраченных на производство годной партии отливок за анализируемый период.

Более эффективной считается та схема, которая обеспечивает наилучшее достижение всех шести показателей эффективности при допустимом значении качества поверхности получаемой отливки.

Заключение

Таким образом, за счет применения современных информационных технологий к начальному и самому важному этапу освоения производства отливок с точки зрения эффективности литейного производства – разработке литейной технологии, проектированию и изготовлению литейной оснастки – возможно достижение высоких качественных показателей, снижение трудоемкости, увеличение производительности труда, сокращение сроков конструкторско-технологической подготовки производства.

Список литературы

1. Могилев, В. К. Справочник литейщика / В. К. Могилев, О. И. Лев. – М. : Ма- шиностроение, 1988. – 272 с.

2. Титов, Н. Д. Технология литейного производства / Н. Д. Титов, Ю. А. Степа- нов. – М. : Машиностроение, 1972. – 472 с.

3. Чумаченко, И. Г. Повышение эффективности производства : в 3-х т. / И. Г. Чумаченко. – М. : Высшая школа, 1989.

4. Буданов, Е. Н. Семь основных мифов и заблуждений относительно литейного производства / Е. Н. Буданов // Литейное производство. – 2009. – № 8. – С. 2–8.

5. Ткаченко, С. С. Совершенствование технологии и повышение эффективно- сти литейного производства / С. С. Ткаченко // Металлург. – 2008. – № 11. – С. 121–122.