Центробежное литье, литье в оболочковые формы

П л а н л е к ц и и

1. Центробежное литье.

2. Литье в оболочковые формы.

Центробежное литье

Центробежное литье – это способ изготовления отливок, при котором заполнение формы расплавом и его затвердевание происходит в поле дейст- вия центробежных сил.

Основные операции. Форма может вращаться вокруг горизонтальной,

вертикальной или наклонной осей, а также одновременно вокруг горизон- тальной и вертикальной осей.

Наиболее распространен способ литья во вращающиеся металличе-

ские формы с горизонтальной осью вращения (рис. 1.21). По этому способу отливка формируется со свободной поверхностью в поле центробежных сил, а формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность излож- ницы. Расплав заливается в изложницу через заливочный желоб и растекает- ся по внутренней поверхности формы, образуя под действием центробежных сил пустотелый цилиндр.

Рис. 1.21. Схема получения отливки при вращении формы вокруг горизонтальной оси: 1 – расплав; 2 – заливочный желоб; 3 – ковш; 4 – отливка; 5 – форма

После полного затвердевания металла и остановки машины отливка извлекается из формы. Этот способ обладает наиболее высоким коэффициен- том выхода годного (≈ 100 %).

Л е к ц и я 7 Центробежное литье, литье в оболочковые формы

При получении отливок со свободной поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рис. 1.22) расплав заливают в форму, укре- пленную на шпинделе, приводимом в движение электродвигателем. Расплав под действием центробежных сил отбрасывается к стенкам формы и затвер- девает.

Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получа- ют с использованием стержней в формах с вертикальной осью вращения

(рис. 1.23). Расплав через заливочное отверстие и стояк попадает в централь- ную полость формы, выполненную стержнями. Затем через щелевые питате- ли под действием центробежных сил расплав попадает в полость формы.

Центробежное литье принадлежит к литейным процессам, основные операции которых выполняются с использованием машин. В зависимости от назначения машины для центробежного литья разделяют на универсальные,

предназначенные для изготовления отливок общего назначения; труболитейные, предназначенные для изготовления чугунных и стальных труб, в том числе труб большого диаметра; специального назначения, используемые для изго-

товления однотипных отливок в массовом производстве (гильзы двигателей внутреннего сгорания, биметаллические отливки и др.).

 

Рис. 1.22. Схема получения отливки при вращении формы вокруг вертикальной оси: 1 – ковш; 2 – форма; 3 – шпиндель; 4 – лектро- эдвигатель; 5 – расплав; 6 – отливка

Л е к ц и я 7 Центробежное литье, литье в оболочковые формы

а б

Рис. 1.23. Схема получения фасонных отливок: а – венцов шестерен; б – мелких фасонных отливок; 1 – стояк; 2 – рабочая полость; 3, 4 – стержни; 5 – избыток расплава (сверх массы отливки); 6 – нижняя полуформа; 7 – верхняя полуфор ма

В зависимости от расположения в пространстве оси вращения разли- чают машины с горизонтальной, вертикальной и наклонной осью вращения. По конструктивному исполнению различают шпиндельные и роликовые ма- шины и центробежные столы.

Основные требования, предъявляемые к машинам для центробежного литья: обеспечение вращения формы с требуемой частотой, регулирование частоты вращения в заданных условиях технологического процесса. Машина должна работать плавно, без вибраций, иметь прочные и удобные устройства для крепления и фиксации форм, устройство для подогрева и охлаждения из- ложниц.

Преимущества и недостатки литья. Заливка вращающейся формы и затвердевание отливки под действием центробежных сил обуславливают главные преимущества данного способа литья:

затвердевание металла под действием центробежных сил способству- ет получению плотных (без газовых, усадочных раковин и рыхлот) отливок с высокими механическими свойствами;

отсутствие литниковых систем и прибыльных надставок обеспечивает высокий коэффициент выхода годного;

при литье полых цилиндров и труб не требуется стержней для образо-

вания центрального отверстия.

Основными недостатками центробежного литья являются: неточность размеров свободных поверхностей отливок, повышенная склонность к лик- вации компонентов сплава, повышенные требования к прочности литейной

формы.

Область использования. Центробежным литьем получают литые за- готовки, имеющие форму тел вращения: втулки, венцы червячных колес, ба-

Л е к ц и я 7 Центробежное литье, литье в оболочковые формы

рабаны бумагоделательных машин, трубы различного назначения, роторы электродвигателей, камеры сгорания реактивных двигателей, деталей пуско- вых установок. В некоторых случаях метод центробежного литья является единственно возможным.

Наибольшее применение центробежное литье находит при изготовле- нии втулок из медных сплавов, преимущественно оловянных бронз, и слож-

ных фасонных отливок из титановых и других жаропрочных сплавов.

Втулки из медных сплавов получают в металлических изложницах, а отливки из титановых сплавов – в графитовых формах, изготовленных прес- сованием или по выплавляемым моделям. Венцы червяных колес из оловя-

нистых бронз получают в песчаных формах, а рабочие колеса центробежных насосов – в металлических формах с песчаными стержнями.

Свойства металла, отлитого центробежным способом. Главная особенность процесса формирования отливок при центробежном литье за- ключается в том, что заполнение формы и затвердевание отливки происходят в поле действия центробежных сил, во много раз превосходящих силу тяжести.

При изготовлении отливок со свободной поверхностью расплав охла- ждается в изложнице неравномерно по объему. Часть теплоты отводится от

расплава в стенку изложницы и ее крышку, другая часть – конвекцией и из-

лучением со стороны свободной поверхности. Воздух в полости отливки во- влекается во вращение и выходит из ее полости; на его место вдоль оси вра- щения поступает холодный воздух. Такая неравномерность охлаждения от- ливки приводит к возникновению конвекции в расплаве. Охлажденный более плотный расплав перемещается к стенкам формы, а горячий и менее плотный – к свободной поверхности расплава. Вследствие этого в расплаве возникают конвекционные потоки, циркулирующие в радиальном направлении, что спо- собствует направленному затвердеванию в радиальном направлении и тем больше, чем больше частота вращения.

При направленном затвердевании от стенок изложницы фронт расту- щих в радиальном направлении кристаллов все время соприкасается с рас- плавом, что способствует улучшению питания отливок.

Свободная поверхность расплава затвердевает в последнюю очередь и остается геометрически правильной. Инородные включения (газы, шлак и т.д.), имеющие меньшую плотность, чем расплав, под действием силы, обуслов- ленной разностью плотностей и гравитационным коэффициентом, интенсив- но всплывают на свободную поверхность. Это приводит к необходимости на- значать большие припуски на обработку свободных поверхностей отливки.

Центробежные силы способствуют направленному затвердеванию только тогда, когда выделяющиеся на свободной поверхности кристаллы твердой фазы имеют плотность большую, чем плотность остающегося рас- плава. Для большинства сплавов это условие соблюдается. Исключение со- ставляют два случая: когда сплав затвердевает с увеличением объема (на- пример, серый чугун) и когда выделяющиеся подвижные кристаллы обога-

Л е к ц и я 7 Центробежное литье, литье в оболочковые формы

щены компонентами сплава, имеющими меньшую плотность, чем остаю- щийся расплав.

Ликвация сплавов под действием центробежных сил происходит при изготовлении отливок из сплавов, компоненты которых взаимно нераствори- мы и не образуют эвтектик и химических соединений. К таким сплавам отно-

сится, например, свинцовистая бронза.

Дефекты отливок и меры по их предупреждению. В процессе про- изводства отливок способом центробежного литья возникает ряд характер- ных дефектов: мелкие спаи на поверхности при низкой температуре формы и металла, горячие трещины, плены в наружных слоях втулок, сквозные рако- вины при литье оловянных бронз.

Надежный контроль технологических параметров литья, автоматизи- рованная дозировка металла позволяют до минимума свести потери от брака.

Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы является одним из прогрессивных техноло- гических процессов, позволяющих получать отливки повышенной точности.

Литье в оболочковую форму – это литье металла, осуществляемое пу- тем его свободной заливки в оболочковую форму.

Толщины стенок оболочковых форм соизмеримы с толщинами стенок отливок либо значительно меньше их; толщины стенок оболочковых форм в

десятки раз меньше толщин стенок обычных разовых форм.

Оболочковые формы изготовляют из песчано-смоляных смесей, квар- цевых или цирконовых песков и искусственных термореактивных смол с до-

бавлением увлажнителей, растворителей и катализаторов, твердеющих в ос- настке.

Преимущества и недостатки. Литье в оболочковые формы по срав- нению с литьем в обычные формы имеет преимущества. Высокая прочность оболочковых форм позволяет делать их тонкостенными, что существенно снижает расход смесей. Повышенная точность размеров отливки дает воз- можность снизить припуски на механическую обработку вдвое по сравнению с отливками, полученными в песчано-глинистые формы; сокращаются затра- ты на обрубно-очистные операции. Следует также отметить такие положи- тельные качества оболочковых форм, как податливость, негигроскопичность, газопроницаемость.

Недостатками процесса являются высокая стоимость формовочных материалов, необходимость оборудования и организации эффективной вен-

тиляции из-за высокой газотворной способности смесей.

Технология изготовления оболочковых форм и стержней. Процесс изготовления оболочек включает в себя следующие операции (рис. 1.24). Предварительно нагретую плиту с металлическими моделями покрывают

Л е к ц и я 7 Центробежное литье, литье в оболочковые формы

смесью из песка и термореактивной синтетической смолы. Под действием тепла смола в слое смеси, прилегающем к моделям и плите, плавится, и на модельной плите образуется однородная полутвердая песчано-смоляная оболочка. После удаления избытка смеси модельную плиту с образовавшей- ся на ней полутвердой оболочкой дополнительно нагревают до полного ее затвердевания.

Твердую оболочку (полуформу) снимают с модельной плиты и соеди- няют ее с другой полуформой, проставляют стержни и скрепляют зажимами или склеивают. Оболочковые формы заливают в вертикальном или горизон- тальном положении. Формы после заливки и затвердевания отливки легко разрушаются при выбивке.

При изготовлении оболочковых форм песчано-смоляную смесь можно наносить на модельную плиту различными способами: свободной засыпкой

из поворотного бункера, пескодувным или пескоструйным способом.

Для предупреждения прилипания смесей к модельным плитам и об- легчения съема оболочек применяют разделительные составы – смеси крем-

нийорганического термостойкого каучука и уайт-спирита. Разделительный состав наносят пульверизатором на рабочую поверхность модельной плиты и

нагревают 1,5–2 ч при температуре 200–220 °С.

Процесс изготовления оболочковых стержней идентичен изготовле- нию полуформ. Оболочковые стержни изготовляют в металлических стерж- невых ящиках двумя способами: 1) насыпным, применяемым при ручном и механизированном изготовлении стержней; 2) пескодувным. Первый способ аналогичен тому, как изготовляют полуформы, только вместо модельной плиты на бункер устанавливается металлический стержневой ящик.

Л е к ц и я 7 Центробежное литье, литье в оболочковые формы

ж е

Рис. 1.24. Схема технологического процесса изготовления оболочковой формы: а – подготовка модельной оснастки; б – засыпка модельной плиты смесью; в – удаление излишков смеси; г – окончательное затвердевание оболочки в печи; д – съем оболочковой полуформы с модельной плиты; е

– склеивание оболочковых полуформ; ж – подготовка формы к заливке; 1

– модельная плита; 2 – модель отливки; 3 – литниковая система; 4 – плита толкателей; 5 – бункер со смесью; 6 – смесь; 7 – формирующаяся оболочка; 8 – элементы центрирования оболочковой полуформы при будущей сбор ке

Более сложные оболочковые стержни изготавливают пескодувным способом на специальных установках.

Стержневой ящик нагревают в печи до температуры 200–250 °С в те- чение 10–20 мин. Рабочую поверхность покрывают разделительным соста- вом, снова прогревают 3-4 мин, засыпают песчано-смоляной смесью и вы- держивают 15–20 с. Время выдержки зависит от температуры нагрева ящика и требуемой толщины оболочки. По истечению указанного времени излишек смеси высыпают из ящика. Стержни вместе с ящиком помещают в печь с

Л е к ц и я 7 Центробежное литье, литье в оболочковые формы

температурой 300–450 °С и выдерживают 30–45 с для завершения второй стадии полимеризации. После этого стержень извлекают из ящика.

Способы плакирования формовочного песка. Формовочная смесь для оболочковых форм состоит из кварцевого песка, термореактивной смолы (5–8 %) и увлажнителя (1,0–1,2 %). В качестве смол чаще применяются термореактив-

ные смолы, в качестве увлажнителя – фурфурол, керосин, машинное масло.

Процесс обволакивания зерен песка смолой называют плакированием. Различают холодное и горячее плакирование.

В процессе холодного плакирования смолу растворяют в растворителе

(технический спирт или ацетон) и смешивают с песком при 20 °С в бегунах. При перемешивании зерна песка обволакиваются пленкой раствора смолы. Смесь продувают воздухом, растворитель испаряется, и смесь постепенно высыхает. Этот способ плакирования применяется редко из-за повышенной взрыво- и пожароопасности.

При горячем плакировании сухой песок предварительно нагревается

до 110–130 °С, а затем смешивается со смолой, которая при этом нагревается, плавится и обволакивает зерна песка. Далее в смесь вводят уротропин и дру- гие необходимые технологические добавки. После завершения перемешива- ния смесь охлаждают и просеивают. Процесс горячего плакирования требует тщательного контроля температурных режимов – начальной температуры песка при вводе в смеситель и температуры смеси в момент ввода уротропи- на. Нарушение этих режимов приводит к получению некачественных смесей. Для горячего плакирования песка необходимо более сложное оборудование, чем для холодного плакирования.

Формовочные смеси изготовляются в шнековых, лопастных и других смесителях.

Область использования. Литьем в оболочковые формы получают

сложные фасонные отливки массой до 200 кг и с максимальными размерами до 1 500 мм. Наиболее эффективно изготовление этим способом отливок массой 5–15 кг в условиях крупносерийного и массового производства.

Дефекты отливок. При литье в оболочковые формы наиболее часто возникают следующие дефекты:

газовые раковины (из-за повышенного содержания связующего или

неравномерного его распределения в смеси, из-за применения песка, вызы- вающего низкую газопроницаемость оболочковых форм и стержней, из-за трещин в оболочковой форме или стержне);

повышенная шероховатость (из-за местных дефектов оболочковых

форм или стержней);

спаи (из-за несоответствия конструкции отливки требованиям техно- логии, плохой жидкотекучести сплава, низкой температуры заливки, медлен-

ного заполнения форм);

трещины горячие и холодные (из-за низкой податливости оболочко- вых форм и стержней);

Л е к ц и я 7 Центробежное литье, литье в оболочковые формы

усадочные раковины (из-за неправильной конструкции отливки, не обеспечивающей ее достаточное питание в процессе затвердевания).

Анализ вида брака показал, что основным видом брака, возникающим

при литье в оболочковые формы, являются трещины.

Надежный контроль технологических параметров литья в оболочко- вые формы позволяет сократить потери от брака.

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите основные типы отливок, получаемые центробежным литьем.

2. Опишите типы литейных машин, предназначенных для получения отливок центробежным литьем.

3. Как влияют центробежные силы на структуры отливок?

4. Назовите основные требования, предъявляемые к машинам для центробежного литья.

5. Каковы главные преимущества и недостатки центробежного литья?

6. Раскройте сущность литья в оболочковые формы.

7. Назовите материалы, используемые для изготовления оболочковых

форм.

8. При каких температурах происходит полимеризация отвердителя

при изготовлении оболочковых стержней?

9. Как осуществляется формовка оболочек перед заливкой расплава?

10. Назовите преимущества способа литья в оболочковые формы.

Л е к ц и я 8

Дата добавления: 2014-11-25