Технико-экономические показатели основных способов получения отливок

Рассмотрим технико-экономические показатели основных способов изготовления отливок — литья в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильного и центробежного литья, литья под давлением. Последние пять способов называют специальными.

Инструментом для изготовления отливок являются литейные формы, которые классифицируют по числу заливок (разовые и многократно используемые) и по материалу формы (песчаные, металлические и т. п.).

В зависимости от числа заливок в формы существующие способы литья можно подразделить на две группы:

• литье в разовые формы — в песчаные, в оболочковые формы и по выплавляемым моделям;

• литье в многократно используемые формы — в кокиль, центробежное, под давлением.

Технологические возможности способов изготовления отливок приведены в табл. 34.1.

Литье в песчаные формы — самый распространенный способ литья. В машиностроении с его помощью изготовляют 75...80 % (мас.) отливок. Литейную форму выполняют путем уплотнения формовочной смеси (формовка) для получения точного отпечатка модели в форме и придания ей достаточной прочности.

В зависимости от размеров отливки и типа производства применяют ручную или машинную формовку. В песчаных формах можно изготовлять отливки самой сложной конфигурации массой до нескольких сотен тонн (см. табл. 34.1).

В песчаных формах получают отливки преимущественно из стали, чугуна, реже из цветных металлов. Этот способ широко используют в единичном и серийном производстве. Применение его в массовом производстве возможно только при высокой степени механизации. Этим способом изготовляют отливки фланцев, крышек, втулок, станин, корпусов насосов, редукторов и др.

Основными недостатками отливок, полученных литьем в песчаные формы, являются высокая шероховатость поверхности, обусловленная крупнозернистой структурой формовочной смеси; пригар формовочной смеси к поверхности отливки; низкая точность вследствие смещения стержней и погрешностей изготовления и сборки отдельных частей формы.

Затруднен выпуск отливок сложной конфигурации, имеющих тонкие стенки, высокие узкие ребра жесткости, отверстия малого диаметра и другие аналогичные элементы. Получаемые отливки в основном массивные, толстостенные, в них предусматривают большие припуски на механическую обработку ответственных поверхностей. Несмотря на то что себестоимость отливок, изготовляемых этим способом, минимальна, затраты на их механическую обработку выше, чем на заготовки, получаемые специальными способами литья.

Существенным недостатком литья в песчаные формы является необходимость хранения, транспортировки и переработки больших объемов формовочных смесей (до 10-12 т на 1 т отливок).

Для полного или частичного устранения указанных недостатков применяют способы специального литья.

Литье в оболочковые формы заключается в изготовлении с помощью нагретой металлической плиты двух полуформ толщиной 6...20 мм из формовочной смеси, состоящей из песка и фенолоформальдегидной смолы в качестве связующего. Готовые оболочковые полуформы соединяют быстротвердеющим клеем на специальных прессах или скрепляют скобами, предварительно установив в них литейные стержни.

Аналогично изготовляют оболочковые стержни, используя нагреваемые стержневые ящики. После сборки формы помещают в неразъемные опоки, которые засыпают песком или дробью.

Песчано-смоляная формовочная смесь содержит мелкозернистый песок и расплавленную смолу, благодаря которой смесь обладает повышенной подвижностью. Это позволяет получать высокую точность отпечатка и низкую шероховатость поверхностей отливки. При заливке жидкого металла образуется тонкая газовая рубашка, которая предотвращает пригар формовочной смеси. В результате получаемая точность размеров соответствует 4-11-му квалитетам, шероховатость поверхности достигает Ra 40...10 мкм (см. табл. 34.1).

По сравнению с литьем в песчаные формы литье в оболочковые формы позволяет уменьшить объем обрубных и очистных работ примерно на 50 %, расход металла — на 30...50 %, сокращает объем последующей механической обработки на 40...50 %, расход формовочной смеси — в 10-20 раз. Процесс получения отливки может быть полностью механизирован.

Главным недостатком оболочкового литья является высокая стоимость связующего вещества (фенолоформальдегидных смол). Литейные формы изготовляют с помощью более дорогой металлической модельной оснастки.

Литье в оболочковые формы применяют в основном для получения отливок таких деталей, как втулки, муфты, фланцы и др. Тонкостенные отливки высокого качества могут быть изготовлены из чугуна, углеродистой или легированной стали и цветных металлов.

Литье по выплавляемым моделям является технологическим процессом, для реализации которого применяют цельные модели из легкоплавких материалов на основе парафина, полистерола или других термопластичных полимеров. Модели вместе с элементами литниковой системы покрываются несколькими слоями жидкой формовочной смеси, состоящей из мелкодисперсного огнеупорного материала и связующего (обычно этилсиликата или жидкого стекла), с промежуточной подсушкой каждого слоя. Далее модель выплавляют и получают тонкую пустотелую керамическую оболочку толщиной 1,5...4,0 мм. Литейную форму устанавливают в опоку и засыпают снаружи песком для придания дополнительной прочности при заливке металла. Затем оболочку прокаливают в печи при температуре 900...1000 °C, металл заливают сразу после окончания прокалки, т. е. в горячую форму.

Отливки, полученные литьем по выплавляемым моделям, имеют высокую точность размеров (3—8-й квалитеты) и взаимного расположения поверхностей. Применение в качестве огнеупорной составляющей в формовочной смеси мелкодисперсного кварца позволяет изготавливать отливки с параметром шероховатости Ra 20...5 мкм. Масса отливок может достигать 150 кг (см. табл. 34.1).

Механическая обработка полученных заготовок сводится к минимуму или может быть полностью исключена. В то же время это самый сложный, длительный и трудоемкий способ литья.

Литьем по выплавляемым моделям экономически выгодно изготовлять сложные по конфигурации заготовки, к которым предъявляют высокие требования по точности размеров и шероховатости поверхности. Обычно получают отливки из высоколегированных сталей, цветных сплавов и жаропрочных материалов, плохо обрабатываемых резанием, обладающих низкими литейными свойствами. Основную экономию при этом способе литья достигают благодаря уменьшению массы заготовки и объема ее механической обработки резанием.

Три рассмотренных выше способа литья при всем их различии имеют одну общую черту — литейные формы являются одноразовыми, затраты на их изготовление полностью переносятся на стоимость детали. В связи с этим естественно стремление применять многократно используемые формы, в частности металлические.

Литье в кокиль заключается в использовании металлической формы — кокиля, который может быть изготовлен и собран с высокой точностью. Стоимость чугунных кокилей в значительной мере окупается их высокой стойкостью: они выдерживают до 8-10 тыс. заливок медных сплавов; десятки и сотни тысяч заливок алюминиевых и магниевых сплавов; 50-500 стальных отливок и 4 000-8 000 отливок из чугуна.

Литьем в кокиль получают отливки со стабильными точными размерами (4-11-й квалитеты), параметр шероховатости может достигать Ra 40...10 мкм. В связи с большой теплопроводностью материала формы скорость кристаллизации велика. Это повышает механические свойства отливки на 10...15 % благодаря формированию мелкозернистой структуры, но затрудняет изготовление отливок с тонкими стенками.

При переходе с литья в песчаные формы на литье в кокиль расход металла сокращается на 10...20 % за счет уменьшения массы литниковой системы. Трудоемкость механической обработки снижается в 1,5—2 раза вследствие уменьшения припусков и высокой точности размеров.

Литье в кокиль имеет ряд технологических особенностей, налагающих жесткие ограничения на конфигурацию отливок. Высокая теплопроводность металлической формы способствует быстрому охлаждению потока расплавленного металла и может вызывать его затвердевание до окончания заполнения формы. Поэтому литьем в кокиль относительно трудно получать отливки с тонкими стенками, узкими ребрами и другими аналогичными элементами, для чего требуются высокие температуры заливки, при которых ухудшаются характеристики материала отливки и снижается стойкость кокилей. Можно использовать специальные технологические приемы, например предварительный разогрев кокиля, нанесение термоизоляционных покрытий (облицовка) на его внутренние поверхности, применение разветвленной литниковой системы со многими питателями и др. Однако все эти мероприятия усложняют технологический процесс, поэтому не всегда целесообразны. Более технологичными являются относительно простые отливки со стенками не тоньше 2,2 мм (см. табл. 34.1).

Низкая газопроницаемость металлической формы препятствует удалению газов, выделяющихся из расплава при его затвердевании. В результате получают повышенную газовую пористость металла отливки, низкую плотность и недостаточную герметичность. С учетом этого при проектировании кокилей предусматривают сложную систему вентиляционных каналов и ограничивают номенклатуру используемых сплавов.

Необходимость извлечения отливки из формы и металлических стержней из отливки налагает определенные ограничения на конфигурацию деталей. Сложные по форме внутренние полости и отверстия часто приходится оформлять песчаными стержнями.

Во всех случаях наиболее технологичными являются отливки из легкоплавких цветных сплавов, при изготовлении которых обеспечивается максимальная стойкость кокилей.

Центробежное литье заключается в заливке жидкого металла во вращающуюся форму (изложницу), которая вращается до окончания кристаллизации металла. Этим способом литья изготовляют заготовки с точностью размеров, соответствующих 6-14-му квалитетам, и шероховатостью поверхностей Ra 80...20 мкм.

Благодаря вращению изложницы достигается высокая плотность металла отливки, повышается жидкотекучесть, практически отсутствуют затраты на изготовление стержней. При этом способе литья значительно снижается расход металла, так как отсутствует или очень мала литниковая система. В результате действия центробежных сил примеси и неметаллические включения скапливаются на внутренней поверхности отливки и могут быть удалены с помощью механической обработки.

К недостаткам центробежного литья следует отнести: неточность размеров; низкое качество внутренней поверхности отливки; сложность получения заготовок из сплавов, склонных к ликвации; вероятность возникновения продольных и поперечных трещин в результате высоких центробежных сил и затрудненной усадки отливки.

Центробежное литье применяют для изготовления труб, втулок, маховых и зубчатых колес, ободов и т. п. В частности, чугунные трубы выпускают диаметром 50...1000 мм с высокой производительностью. Отливки получают из чугуна, углеродистых и легированных сталей, иногда из цветных сплавов. Возможно изготовление биметаллических изделий.

Литье под давлением состоит в том, что жидкий металл под давлением с большой скоростью заполняет полость металлической пресс-формы и кристаллизуется. Избыточное давление способствует лучшей заполняемости литейной формы, повышает точность размеров отливок, уменьшает шероховатость поверхности в результате более плотного их контакта с формой и позволяет получать более сложные тонкостенные отливки. В связи с этим можно отлить заготовки с толщиной стенок до 0,5 мм, точность размеров которых соответствует 3-8-му квалитетам, а шероховатость поверхности — Ra 10...2,5 мкм (см. табл. 34.1).

Недостатками литья под давлением являются:

• сложность и длительность изготовления пресс-форм, их высокая стоимость и небольшая стойкость, особенно при производстве отливок из сплавов с высокой температурой плавления;

• трудность исключения газовой пористости в отливках, которая не только снижает герметичность, но и не позволяет проводить термообработку изделия;

• низкая податливость формы, вызывающая остаточные напряжения;

• трудности изготовления и извлечения отливки со сложными полостями.

Отмеченные недостатки ограничивают номенклатуру отливок и сплавов, из которых отливки могут быть изготовлены.

Литьем под давлением получают тонкостенные отливки массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограмм из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Возможно изготовление армированных отливок. Наиболее часто этот способ литья применяют в автомобильной, авиационной, электро- и радиопромышленности, в приборостроении. По сравнению с литьем в песчаные формы масса отливки снижается в несколько раз.