» » Литье в песчаные формы
22.04.2015

Технологический процесс изготовления отливок в песчаных формах состоит из следующих основных операций: 1) разработки технологии литейной формы по чертежам, включая проектирование модельной оснастки; подготовки технической документации для отдельных технологических процессов изготовления формы, 2) изготовления моделей и оснастки; 3) приготовления формовочных и стержневых смесей; 4) изготовления формы, стержней и сборки форм; 5) заливки, затвердевания и выдержки для охлаждения; 6) выбивки отливок из форм, удаления литников и прибылей, очистки поверхности от земли и зачистки неровностей на поверхности литого изделия; 7) контроля.
Для изготовления песчаной разовой формы прежде всего делают модель будущей отливки. Исходными данными для изготовления модели служит чертеж отливаемой детали (поступает из конструкторского бюро) и технические условия на нее, В технических условиях содержатся требования к качеству отливок (плотность металла, чистота поверхности и др.), допуски на размеры, указываются условия испытания, требования контроля при приемке готовых отливок и др.
Отливка (заготовка для детали) от изделия по чертежу отличается размерами. Ее размеры увеличиваются на величину припуска на механическую обработку тех плоскостей, которые должны иметь соответствующую чистоту, и на величину усадки сплава. Чтобы модель отливки легко извлекалась из песчаной формы, предусматривают специальные литейные уклоны (на вертикальных плоскостях). Если по своей конструкции модель не может беспрепятственно извлекаться из песчаной формы, то эту часть литейной формы выполняют в виде стержней, которые изготавливают отдельно и затем устанавливают в форму при сборке. Для мест установки стержней предусматривают специальные фиксирующие полости (углубления) Они называются знаками. Стержни служат для оформления внутренних полостей (например, отверстий) деталей (отливок), имеющихся выступов, впадин (поднутрений). Стержнями также удобнее выполнять внутренние тонкие, протяженные (в вертикальном направлении) отверстия, так как песчаная конструкция для таких частей формы получается непрочной (может разрушиться при изготовлении, транспортировке формы или от удара жидкого металла при заливке). Поэтому стержни отличаются от формы повышенной прочностью.
На рис. 39 схематически показаны основные операции, которые выполняет литейщик-формовщик при изготовлении формы по модели вручную. При машинном способе формовки основная последовательность операций изготовления литейной формы сохраняется, только выполняют их не с помощью рук, а механизмами.
Литье в песчаные формы

Вначале нижнюю половину модели детали 1, литников 2 и опоки 4 ставят на щиток 3 В опоку насыпают формовочную смесь из песка, глины и влаги и равномерно уплотняют металлической трамбовкой 5 до верха опоки и счищают линейкой 6 излишки смеси (рис. 39, а и б). Затем полуформу поворачивают (вместе со щитком) на 180°, щиток снимают, устанавливают верхнюю половину модели 7, модели литниковой системы 8 и прибыли 9, поверхность присыпают разделительным сухим песком, по центрирующим штырям 10 устанавливают верхнюю опоку насыпают смесь и уплотняют (рис. 39, в). После набивки осторожно снимают верхнюю полуформу, поворачивают ее на 180° и ставят на горизонтальную поверхность (обычно рядом с нижней полуформой). Вынимают модели (рис. 39, г, д, е) из нижней и верхней полу-форм (предварительно слегка смочив кистью 11 кромки формы у моделей) с помощью крючка 12. Полость формы очищают от сора, кусочков смеси с помощью гладилки 13, ланцета 14, ложечки 15, крючка 16, которые составляют инструмент литейщика. Устанавливают (рис. 39, ж) песчаный (сухой) стержень 18 в специальные гнезда (знаки) и накрывают нижнюю полуформу верхней (по штырям). Устанавливают сверху на кромки опоки груз 17, чтобы при заливке жидкий металл не приподнял верхнюю опоку. Производят заливку через воронку и стояк 19 жидким металлом (рис. 39, з). После остывания форму разрушают и отливку вместе с литниками и прибылью вынимают из опок (рис. 39, и). Литники и прибыль 9 (выпор) отрезают. Описанная технология называется формовкой в парных опоках.
Рабочие чертежи отливок выполняют технологи-литейщики, нанося необходимые условные обозначения чаще всего непосредственно на чертежи изделия, или делают специальные чертежи отливок.
Литье в песчаные формы

На рис. 40 приведен чертеж детали (втулки) и нанесенные на него указания технолога по изготовлению модели и отливки (припуски на механическую обработку — О. Знаки стержня: верхний — З.В., нижний — З.H., величина усадки — У.
Разработка технологии начинается с изучения чертежа литой детали и определения ее технологичности. Литые изделия необходимо конструировать так, чтобы обеспечить простоту их изготовления при высоком качестве, наименьшей стоимости и затратах средств и материалов на литейную форму. Основные условия технологичности отливки — отсутствие местных скоплений металла (массивных утолщений), плавность сопряжения различных сечений отливки и отсутствие острых углов.
Если литая деталь нетехнологична с точки зрения литейного производства, то технолог-литейщик согласует ее с контруктором и, по-возможности, конструкцию изменяют. Иногда небольшое изменение в конструкции существенно повышает качество изделия, удешевляет технологию изготовления, повышает экономические показатели литейного производства.
Выбор технологии литейной формы начинается с определения положения отливки в форме при заливке. Это заранее предопределяет условия затвердевания отливки в форме, сложность формовки, размеры припусков, сложность модели, число стержней и модельных комплектов. Обычно формы состоят из двух разъемных полуформ, разъемными делают и модели.
При выборе разъема наиболее массивные части располагают сверху, а тонкие снизу, чтобы обеспечить направленное затвердевание отливки. На массивные части предусматривают установку прибылей для восполнения объемной усадки металла. Размеры и конструкцию прибылей указывают на чертеже отливки, и по этим данным вместе с_изготовлением модели готовят комплект моделей прибылей. Прибыли на отливках предусматривают при литье цветных сплавов, склонных к сосредоточенной усадочной раковине, т. е. с узким интервалом кристаллизации (силумины, алюминиевые бронзы, латуни и др.).
По расположению относительно питаемого узла различают прибыли прямого действия, которые располагают над узлом сверху, и отводные или боковые (рис. 41), а по способу формовки — открытые и закрытые. По конфигурации прибыли могут быть различными, но чаще всего и удобнее — цилиндрические. Минимальные размеры прибыли можно определить по формуле: Vн = kyVотл. где Vн — объем прибыли; Vотл — объем отливки или питаемого узла; у — коэффициент объемной усадки (для силуминов 0,04—0,08, магниевых сплавов 0,04—0,05, латуней 0,04—0,07, бронзы 0,04—0,07); k — коэффициент запаса (для обычных прибылей 3—6, для обогреваемых 2).
Литье в песчаные формы

Для сплавов с широким интервалом затвердевания, например оловянных бронз, установка массивных прибылей неоправданна, так как металл в прибыли затвердевает одновременно с отливкой с образованием жидко-твердой фазы, которая затрудняет поступление металла к фронту кристаллизации.
Над верхними поверхностями отливок из сплавов с широким интервалом кристаллизации устанавливают выпоры, т. е. вертикальные каналы для выхода газов из формы при заливке ее металлом, для всплывания шлака, различного сора из формы, а также для фиксирования окончания заливки. Выпоры по форме похожи на прибыли, но имеют размеры, значительно меньшие, чем прибыли.
Механически обрабатываемые поверхности литой детали стремятся при выборе положения отливки в форме располагать в нижних горизонтальных плоскостях, либо вертикально, либо наклонно, чтобы они получились наиболее чистыми (шлак, сор, включения всплывают и задерживаются обычно на верхних плоскостях отливки). Величину припусков на механическую обработку назначает технолог-литейщик в зависимости от степени чистоты обработки (класса чистоты), указанной на чертеже, материала и размера отливки, положения обрабатываемых поверхностей отливки при заливке (верх, низ, бок) и способа изготовления формы (ручной, машинный). Размеры припусков регламентированы ГОСТами или нормалями и составляют в среднем 2—10 мм (чем крупнее отливка, тем больше припуски). Припуски стремятся сделать минимальными для уменьшения количества стружки и затрат на механическую обработку.
Одновременно проектируют линию разъема формы, а следовательно, модели. Наиболее удобен способ формовки при наличии одного разъема на модели в двух опоках. Поэтому на практике стремятся назначить один разъем, а при машинной формовке это обязательное условие.
В парных опоках в настоящее время изготавливают почти 90 % литых изделий, отливаемых в песчаные формы. Назначением разъема формы предопределяются технология изготовления модели, необходимость применения стержней, величины литейных уклонов, число и конфигурация прибылей и др. Полость разъема должна позволять свободно извлекать модель из формы. Желателен плоский разъем Необходимо выбирать такой разъем, чтобы можно было вести формовку с применением минимального количества стержней и отъемных частей модели.
Стержни служат для воспроизведения внутренних полостей отливки и отверстий. Их изготавливают отдельно от формы в специальных стержневых ящиках. Иногда установка стержней может предусматриваться и с наружной стороны модели. Стержнями производят перекрытие выступающих частей детали и создают также конфигурацию модели, чтобы она свободно удалялась из формы после набивки.
Контуры стержней должны назначаться такими, чтобы облегчать изготовление простой конструкции стержневого ящика. Установку и крепление стержней в форме после изсвлечения из нее модели осуществляют с помощью знаков Знаки — это специально предусмотренные опорные поверхности определенной формы и размеров, обеспечивающие необходимое и устойчивое положение стержня по чертежу. Форму и размеры знаков обычно показывают на чертеже вместе с контурами стержней. На модели для установки стержней предусматривают аналогичные по форме выступы, которые при формовке в земляной форме образуют углубления и пространства для установки стержней. По конфигурации различают знаки вертикальные и горизонтальные.
На рис. 42 показаны знаки на модели и в стержневом ящике, которые предусмотрены для изготовления отливки с центральным цилиндрическим отверстием детали, изображенной на рис. 39.
Литье в песчаные формы

Для удобства установки вертикальные знаки делают конусной формы в продольном направлении. В проперечном сечении конфигурация стержня совпадат с профилем сечения отливки и бывает круглой, овальной, прямоугольной и фигурной.
Конфигурация и размеры знаков должны обеспечить устойчивое положение стержня в форме при заливке. Знаковая опорная часть A+S (где S — зазор между знаком стержня и знаковым углублением в форме) и H должны выдержать без смятия усилия собственной массы стержня и давление от статического (вытесняющего) и динамического (ударного) воздействия жидкого металла, заполняющего форму. Конструкция знаков, кроме того, должна обеспечить возможность вывода из стержня газов, образующихся при заливке. Для этого в стержнях внутри делают газоотводные каналы 4 (рис. 42).
Разъем формы выбирают такой, чтобы основные стержни можно было установить в нижнюю полуформу, в которой лучше всего оформить все или большинство наружных поверхностей отливки. При формовке в двух опоках выбирают такой разъем, при котором суммарная высота формы минимальна. Это облегчает набивку формы и уменьшает расход формовочных материалов. Чтобы облегчить получение точных размеров, все ответственные части отливки лучше помещать в одной полуформе (в нижней). При определении разъема формы необходимо предусмотреть легкое удаление не только модели детали, но и моделей прибылей. Чтобы облегчить извлечение модели из уплотненной песчаной формы или стержня из ящика, на вертикальных стенках моделей предусматривают в сторону разъемов литейные уклоны от 30' до 3°.
Разрабатывая технологию литейной формы и готовя чертежи для изготовления модели и стержневых ящиков, все острые углы отливки в местах сопряжения сечений скругляют, так как они могут быть причиной трещин в отливках. Радиус скругления (галтель) зависит от толщины стенок и марки сплава. В среднем он равен значению наименьшей толщины двух сопрягающихся стенок отливки.
Известно, что при затвердевании металла уменьшается его объем, а следовательно, и размеры отливки Поэтому все размеры модели заведомо увеличивают на величину линейной усадки Значение усадки в процентах от линейных размеров указывают в чертежах. В модельных цехах при изготовлении моделей и ящиков, чтобы не пересчитывать каждый размер с учетом усадки, пользуются специальными усадочными метрами, деления которых длиннее обычных на величину линейной усадки. Например, если линейная усадка бронзы равна 2 %, то для получения отливки длиной 100 мм длина модели должна быть 102 мм. Линейная усадка при литье алюминиевых сплавов составляет 0,9—1,5 %, магниевых сплавов 1,8—1,9 %, бронзы 1,4—2,2 %. Однако эти значения справедливы при свободной усадке. На самом же деле из-за сопротивления литейной формы величины линейной усадки неравномерны по разным направлениям. Поэтому окончательные ее значения устанавливают после уточнения опытных данных и размеры модели затем корректируют на основании данных разметки первых пробных отливок.
Технолог-литейщик одновременно с указаниями для изготовления модели решает две важные задачи определение места подвода металла при заливке его в форму и питание массивных частей отливки. Металл в полость формы подается через литниковую систему — каналы, которые выполняются в форме. Она состоит (рис. 38, 5) из литниковой воронки, стояка, коллектора (шлаковика) и литников. Конструкция литниковой системы должна быть простой, чтобы расход металла был минимальным, расплавленный металл двигался в форму плавно, без завихрений и в нее не попадали воздух, окисные пленки и шлак. Расположение литниковой системы должно способствовать снабжению прибылей наиболее горячим металлом, а также благоприятствовать направленному затвердеванию отливки в форме, что является главным условием получения плотной отливки без усадочных раковин и пустот. При выборе типа и конструкции литниковой системы учитывают особенности сплава и процессы затвердевания. Вопрос решают конкретно в каждом отдельном случае. Для получения отливок из цветных сплавов применяют литниковые системы со следующими основными способами заливки металла через литниковые каналы (рис. 43):
1) подводящие металл снизу — (сифонная заливка, рис. 43, а);
2) сверху со свободным падением жидкого металла в форму (рис. 43, б);
3) сбоку — по разъему формы (рис. 43, в);
4) в полость формы через вертикальную щель, проходящую по всей или значительной высоте отливки — вертикально-щелевая литниковая система (рис. 43, г);
5) комбинированные (многоярусные) (рис. 43, б).
Литье в песчаные формы

При нижнем (сифонном) подводе металл поступает в форму спокойно, без вспенивания (что особенно важно при литье алюминиевых сплавов), но сильно разогревает нижнюю часть отливки и затрудняет ее питание от верхних прибылей.
При верхнем подводе металла обеспечивается направленное затвердевание и хорошее питание отливки, так как горячий металл все время поступает в верхние слои металла, однако свободное падение струи сверху вызывает сильное окисление металла и может привести к размыву формы. Этот способ применяют чаще всего при литье сплавов, кристаллизующихся в широком интервале, не склонных к пленообразованию, например оловянных бронз.
Вертикально-щелевые системы применяют чаще всего при литье высоких изделий, преимущественно цилиндрической формы. Благодаря наличию сравнительно протяженной щели по всей высоте отливки происходит спокойное заполнение формы, а поступление горячего металла все время сверху улучшает условия питания.
Многоярусные (комбинированные) системы применяют при литье тонкостенных высоких и больших по размерам отливок сложной конфигурации. Наиболее удобны для исполнения литниковые системы, которые располагаются по разъему форм. Для задерживания плен и шлака в литниковых системах (под стояком или в коллекторе) ставят фильтры в виде сеток из стеклоткани, перфорированных металлических пластин, керамики, стержневых смесей. С точки зрения гидравлики различают расширяющиеся и сужающиеся литниковые системы, В цветном литье наиболее распространены расширяющиеся системы, т. е. когда Fст≤Fпл≤∑Fлитн или Fст≤Fшл≥∑Fлитн.
При расчете литниковых систем для цветного литья пользуются формулой: Fmin = Ql000/(τμρ√2gHp), где Q — масса металла, прошедшего через минимальное сечение Fmin (Fст или Fлитн), кг; τ — время заливки, с; ρ — плотность жидкого металла, г/см3; μ — коэффициент расхода или потери напора на трение при поворотах (μ≤1); Нр — расчетный напор, см; g — ускорение силы тяжести, см с2.
Время заливки т определяют по эмпирическим формулам в зависимости от массы и толщины отливки: τ = s3√δQ или τ = s√Q, где 6 — преобладающая толщина стенки отливки; s — коэффициент, зависящий от толщины и конфигурации отливки; при литье алюминиевых сплавов при обычных литниковых системах s равно 1,7—2,4 и при вертикально щелевых литниковых системах 2,7—3,0 (меньшие значения относятся к мелким отливкам, а большие — к крупным); при литье магниевых сплавов s равно соответственно 2,3—2,8 и 3,0—4,5; при литье медных сплавов s = 1,8/2,2.
Время заливки проверяют по скорости подъема металла в форме. Она должна быть достаточной, чтобы металл не успел сильно охладиться, и по возможности минимальной, чтобы не вызвать нежелательных завихрений и пленообразований в текущем металле.
Для алюминиевых и магниевых сплавов, алюминиевых бронз скорость подъема металла в форме рекомендуется определять по эмпирической формуле: vпод = (3/4,5)/δ, где δ — преобладающая толщина стенок отливки, см. Для литейных латуней vпод = (3,5/4,5)/δ см/с и для оловянных бронз vпод = (3/5)/δ см/с. Другие размеры элементов литниковых систем находят по следующим соотношениям: для алюминиевого и магниевого литья Fст:Fшл:ΣFлитн = 1:2:4; 1:3:1; 1:4:2 и др.; для медных сплавов Fст:Fшл:ΣFлитн = 1:2:2; 1:4:4; 1:4:2.
Расчетный напор Hр зависит от высоты стояка hст и места подвода металла в форму. На рис. 44 приведены возможные случаи подвода металла в форму и соотношения для подсчета величины Hр.
Литье в песчаные формы

Коэффициент расхода μ зависит от сложности элементов литниковой системы, числа поворотов при движении металла по ее каналам, шероховатости стенок формы, изменения вязкости металла при заливке. Он колеблется в пределах 0,2—0,9. Чем сложнее литниковая система, больше поворотов при движении металла и сильнее шероховатость формы, тем меньше μ.
При литье тонкостенных отливок с протяженными поверхностями иногда применяют литниковые системы сужающегося типа с соотношениями каналов: ΣFлитн:Fшл:Fст = 1:1,1:1,2. Линейная скорость поступления металла в форму повышается, и полости формы быстрее заполняются металлом. Опасность подсоса воздуха в сужающихся литниковых системах меньше, чем в расширяющихся, но пленообразование происходит более интенсивно.
После разработки литейной технологии чертежи отливки направляют в модельный цех (отделение) для изготовления моделей.