22.04.2015

Кокили (рис. 73) по конструкции разделяются на неразъемные (а) и разъемные с вертикальной (б), горизонтальной (в), и комбинированными (г) плоскостями разъема. Они могут быть одноместными и многоместными (т. е. в одной форме одновременно получают несколько отливок). Внутренние полости отливок при литье в кокиль получают как с помощью постоянных (металлических) стержней (рис. 73, б), так и разовых песчаных (рис. 73, а, в, г). Формы с использованием песчаных стержней называют комбинированными.
Число плоскостей разъема и их расположение зависят от конфигурации литой детали и положения отливки при заливке. Спаривание и центрирование разъемных частей кокиля делают с помощью металлических штырей (в одной половине кокиля предусматривают штырь, а в другой — калиброванное отверстие).
Литье в кокиль

Литье в металлические формы имеет следующие основные преимущества.
1. Получаются отливки с повышенными механическими свойствами и плотностью вследствие высокой скорости затвердевания. Быстрое затвердевание также подавляет вредное действие растворенных в жидком металле газов; они не успевают выделяться в виде пузырей, пор и остаются в пересыщенном растворе в атомарном, почти безвредном для отливки состоянии. При быстром затвердевании измельчается структура металла, вредные примеси также выделяются в мелкодисперсной форме (например, железо в алюминиевых сплавах, алюминий в оловянных бронзах) и оказывают менее отрицательное влияние на качество отливок. По сравнению с литьем в песчаные формы при литье в кокиль получаются отливки с более высокими механическими свойствами при одном и том же химическом составе сплава. Например, при литье в песчаные формы сплав АЛ2 имеет σв = 150 МПа и относительное удлинение δ = 4 %; при литье в кокиль σв = 200 МПа и δ = 8 %; магниевый сплав МЛ6 в первом случае имеет σв = 150 МПа, δ = 1 % и во втором σв = 170 МПа и δ = 3%.
2. Отливки имеют повышенные точность размеров и чистоту поверхности. Так, точность отливок размером 250—400 мм составляет ±0,5—1,2 мм против ±1—2 мм при литье в песчаные формы. Чистота поверхности на два класса выше, чем при литье в песчаные формы.
3. Припуски на механическую обработку уменьшаются примерно на 40—50 % по сравнению с литьем в песчаные формы.
4. Получается экономия на формовочных материалах. При литье в кокиль исключается либо расходуется небольшое количество (на стержни) песчаных смесей. Отпадает необходимость затрат на обслуживание землеприготовительных отделений.
5. Снижается расход металла благодаря более точным отливкам, повышается выход годного за счет снижения массы литников и прибылей, а также создается возможность снижения расхода свежих материалов для приготовления металла путем применения низкокачественных отходов.
6. Снижается брак из-за более стабильных условий технологического процесса и более высокой культуры производства.
7. Снижается трудоемкость и себестоимость отливок. Отпадает необходимость изготовления формы, а в большинстве случаев и стержней перед каждой заливкой, уменьшаются расходы на плавку металла за счет повышенного выхода годного, на очистку и отделку отливок; увеличивается съем литья с производственной площади, повышаются производительность и улучшаются санитарно-технические условия труда.
Из основных недостатков литья в металлические формы следует отметить: трудности литья деталей сложной конфигурации из-за практической неподатливости форм при усадке залитого металла или усложненной конструкции формы; стоимость изготовления форм из металла выше, чем песчаных, однако при серийном и массовом производстве они экономически более выгодны. В промышленности нередко мирятся с удорожанием стоимости отливки, если это гарантирует высокое качество изделий.
Для изготовления металлических форм применяют серый и высокопрочный (модифицированный магнием) чугун, углеродистые стали (СтЗ, Ст4, Ст5, стали У7, У10 и др.), легированные стали (5ХНМ, 30ХГСА, ХНЗ, ЗХ2В8Ф и др.), алюминиевые (анодированные) и медные сплавы.
Кокили изготовляют либо литыми, либо из поковок, проката путем механической обработки. Литые кокили дешевле, поскольку требуется минимальная механическая обработка. Основной качественный показатель кокиля — его стойкость. Рабочие поверхности кокилей подвергаются быстрому нагреву и охлаждению; в них возникают термические напряжения, приводящие к короблению и поверхностным трещинам, которые называют сеткой разгара. Серый чугун, применяемый для изготовления кокилей, стойкий к знакопеременным тепловым нагрузкам и, кроме того, дешевый и легко обрабатываемый материал. Стальные кокили более дороги, и получение из них литых кокилей связано со значительными затратами. Стальные кокили более «живучие», так как они не боятся ударных нагрузок, но общая их стоимость выше, чем чугунных. Металлические стержни делают практически всегда из стали, так как при извлечении из отливок они испытывают повышенные растягивающие напряжения. Применяют алюминиевые кокили с анодированными (т. е. покрытыми пленкой Al2O3) поверхностями, но при работе такие кокили не допускают ударной нагрузки, так как в нагретом состоянии у них прочность невысокая. Применяют металлические формы, охлаждаемые снаружи водой (водоохлаждаемые), функционирующей в специально предусмотренных каналах. Стойкость водоохлаждаемых кокилей выше, чем неводоохлаждаемых.
Разъем кокилей предусматривают ручным и механизированным с помощью механических, пневматических и гидравлических приводов.
При литье сложных по конфигурации отливок применяют различные подвижные металлические стержни и вставки. Подвижность нужна для своевременного удаления стержня из отливки. В противном случае из-за неподатливости стержня во время усадки залитого металла при затвердевании могут образоваться трещины. Чтобы облегчить извлечение стержня, его делают конусным. Поверхность стержня и вставок должна быть гладкой, без выступов и поднутренний. Если внутренние контуры отливки сложные, то стержни делают составными из нескольких частей. Такой кокиль с ручным разъемом для отливки моторных поршней 1 из алюминиевых сплавов (АЛ10, АЛ25 и др.) показан на рис. 74. Стержни для отверстий пальцев поршня имеют гладкую поверхность и удаляются с помощью рычага 5 при нажатии рычажных ручек 6. Металлический стержень, оформляющий внутреннюю полость поршня, состоит из пяти частей (7, 8, 9, 10, 11) (рис. 74, разрез а—а). После затвердевания металла в кокиле 12 первым вынимают центральный стержень 13. Затем поочередно извлекают стержни 7, 11, 9, 10. Стержни в этом случае вначале выводят из отливки в горизонтальном направлении к центру, а затем движением вверх с помощью ручек 14.
Литье в кокиль

Часто для получения отливок со сложной внутренней конфигурацией применяют песчаные стержни. Их устанавливают в форме каждый раз при сборке ее с помощью знаковых частей. Наиболее удобны оболочковые стержни, которые обеспечивают точные размеры и чистые поверхности отливок. Песчаные стержни податливы, поэтому отпадает необходимость их удаления до выбивки отливки из формы. Однако они уменьшают скорость затвердевания жидкого металла в форме, и металл получается со стороны стержней менее плотным; сами стержни могут размываться металлом и загрязнять отливку песком.
По конструкции различают детали технологичные, удобные для кокильного литья, и нетехнологичные. Технологичные детали не имеют выступов, впадин, поднутрений, массивных узлов; у них плавные переходы от тонких к толстым сечениям, небольшое число отверстий; на деталях предусмотрены конусы и уклоны, облегчающие извлечение отливок из кокилей.
Стойкость чугунных и стальных кокилей при получении медных сплавов составляет 5—10 тыс. заливок, легких сплавов 10 тыс. и более, Для повышения стойкости кокилей рабочие поверхности покрывают красками. С помощью красок устраняется также приваривание металла к стенкам кокиля, обеспечивается получение качественных поверхностей и регулируется направленность затвердевания отливок. Обычно литниковые канаты и прибыли покрывают более толстым слоем краски для предотвращения охлаждения металла в процессе заливки и питания. Там, где необходимо обеспечить быстрое затвердевание, наносят небольшой слой краски; в отдельных случаях в кокиле для ускорения затвердевания делают вставки из более теплопроводного металла (медь, бронза).
В практике различаются краски сухие и жирные. Сухие краски состоят из порошкообразного наполнителя (мел, тальк, оксид цинка, маршалит и др.), связующего (жидкое стекло и др.) и воды. Они имеют сметанообразную консистенцию. Например, для крупных сложных отливок из алюминиевых сплавов со стенками толщиной 6 мм и более применяют краску состава: 4 % мела, 3 % оксида цинка, 5 % графита коллоидального, 3 % жидкого стекла и 85 % воды. При литье магниевых сплавов в состав красок, кроме того, добавляют присадки, предохраняющие жидкий металл от взаимодействия с кислородом. Для средних и мелких отливок широко распространен следующий состав краски: 5 % мела, 5 % талька, 2 % борной кислоты, 88 % воды.
Краску наносят кистью или пульверизатором один-два раза в смену на подогретый до 100—200 °C кокиль. В крупносерийном и массовом производстве для нанесения краски применяют автоматические устройства. Предварительный подогрев кокиля необходим для замедленного охлаждения металла в начале работы и быстрого высыхания краски. Толщина слоя краски 0,5—0,6 мм, а на литниковых и прибыльных частях 0,6—4 мм.
При литье в кокиль медных сплавов, которые склонны к привариванию, чаще применяют краски на основе различных масел, мазута. Например, при литье оловянных бронз поверхность кокиля смазывают смесью из 96 % олифы и 4 % графита или 50 % мазута и 50 % керосина. При соприкосновении с металлом краска возгоняется, создается газовая и сажистая прослойка между жидким металлом и кокилем, которая предохраняет от приваривания жидкого металла к кокилю.
В процессе работы очень важным технологическим параметром является температурный режим кокиля. Для получения качественного литья из медных и алюминиевых сплавов температура кокиля должна поддерживаться в пределах 200—350 °C, магниевых 300—400 °С. Температура кокиля в последнем случае выше из-за более быстрого охлаждения магниевых сплавов, у которых удельная теплоемкость почти в два раза меньше, чем у алюминия. Температуру кокиля поддерживают специальным подогревом или искусственным охлаждением, а контроль осуществляют термопарами с помощью терморегуляторов.
Выбор оптимального теплового режима кокиля — основная, но довольно сложная технологическая задача. Для обеспечения условий направленного затвердевания отливки в кокилях приходится одни части охлаждать (массивные узлы отливки), а другие (прибыли тонкие стенки) утеплять.
Охлаждение кокиля осуществляется естественным путем передачи тепла окружающей среды через оптимальные толщины стенок кокиля. Стенки кокиля делают примерно в 1,2—2 раза массивнее стенок отливки. Для увеличения поверхности охлаждения кокиля на его наружной стороне предусматривают тонкие ребра, которые одновременно делают его конструкцию более жесткой, долговечной. Для местного охлаждения делают вставки из теплопроводной меди и ее сплавов Внутренние (рабочие) поверхности кокилей обрабатывают до чистоты, соответствующей 4—6-му классам. Поверхности разъемов обрабатывают по 6-му классу. Отдельные части кокиля центрируют с помощью штырей и втулок. Штырь (7-й класс чистоты) цилиндрической формы запрессовывают в одной половине кокиля, а в другой (симметрично) — втулку (отверстие). Половинки кокилей (при горизонтальном) разъеме делают створчатыми (т. е. раскрывающимися, как книга). Для вывода газа и воздуха из полости кокиля предусматривают вентиляционные каналы (риски толщиной 0,1-0,2 мм по разъему формы). Газы удаляются также через знаковые части песчаных стержней (если они предусмотрены).
Большое значение имеет температура заливки сплавов в кокиль, которая зависит от состава сплава, конфигурации и толщины стенок отливок и литниковой системы, температуры подогрева кокиля и других технологических факторов. Обычно температура заливки сплавов в кокиль несколько выше, чем при литье в песчаные формы, из-за более быстрого охлаждения в кокиле. Однако стремятся работать с минимально возможными температурами заливки, чтобы уменьшить усадку, снизить время охлаждения, увеличить стойкость кокиля. Вместе с тем заниженные температуры заливки приводят к незаполнению формы, появлению усадочных трещин, например при литье сплавов с широким интервалом кристаллизации. Практически алюминиевые сплавы заливают при 680—750 °C, магниевые при 700—760 °C, оловянные бронзы при 1150—1250 °С, алюминиевые бронзы при 1130—1200 °С, латуни при 980—1100 °C. Однако каждая отливка имеет оптимальную температуру заливки, которая устанавливается опытным путем и строго соблюдается.
Принципы технологического проектирования кокилей для получения качественной отливки не отличаются от тех, которые соблюдаются при проектировании моделей для разовых форм. Отливки располагают таким образом, чтобы обеспечить принципы направленного затвердевания, т. е. тонкие сечения снизу, массивные сверху при одновременном соблюдении условий удобного разъема формы и ее частей, чтобы отливка легко извлекалась из кокиля. Необходимо, чтобы литниковые системы обеспечивали спокойное, без образования пены и брызг поступление металла в полость кокиля. Скорость движения металла в кокиле должна быть достаточной, чтобы обеспечить хорошее заполнение полости формы, так как жидкотекучесть сплава в кокиле меньше, чем в песчаной форме. Одновременно скорость движения металла должна быть умеренной, чтобы воздух и газы успевали выйти из формы через прибыли, выпоры и специальные вентиляционные каналы, так как сама форма негазопроницаема. Эти условия в наибольшей степени обеспечиваются при нижнем подводе металла в полость формы или через вертикально-щелевые литниковые системы.
На рис. 75 приведены схемы наиболее распространенных литниковых систем при литье алюминиевых сплавов в кокиль (по разъему). Изогнутые формы литников обеспечивают снижение линейной скорости движения жидкого металла в литниковых каналах; при этом уменьшается опасность окисления и попадание окисных пленок в отливку.
Литье в кокиль

Недостатком нижнего подвода металла является неблагоприятное затвердевание металла в форме, когда нижние части, более разогретые, затвердевают позднее верхних (прибылей) и тем самым не обеспечивается надлежащее питание отливки. При заливке сверху достигается удобная направленность затвердевания (часто металл подводится в прибыль), но металл разбрызгивается, окисляется и образуется много включений, что особенно заметно при литье пленообразующих сплавов.
Поэтому при верхнем подводе металла в форму предусматривают механизмы в кокиле для одновременного его наклона таким образом, чтобы металл в течение всей заливки плавно стекал по стенкам формы (рис. 76). Для уменьшения в полости формы окислительных процессов в ходе заливки ее заполняют иногда инертными газами или окрашивают стенки покрытиями из хлористых или фтористых солей.
Литье в кокиль

Прибыли предусматривают для питания массивных частей отливок (однако по массе они обычно меньше, чем при литье в песчаные формы). Прибыли бывают открытыми (соприкасающимися с атмосферой) или закрытыми (глухими), имеющими верхнюю сферу, выполненную в кокиле. Поскольку металл в прибылях должен затвердевать в последнюю очередь, в прибыльные части подводят дополнительный литниковый канал, либо утепляют прибыль (оклеивают рабочую внутреннюю поверхность прибыли листовым асбестом), либо выполняют ее в песчаных, малотеплопроводных стержнях; предусматривают также обогрев газовой горелкой или электричеством (с помощью нихромовых спиральных нагревателей).
Наладка кокиля (определение оптимального технологического процесса) заключается в установлении трех основных параметров рациональных размеров литниковоприбыльных систем (при минимальном расходе на них металла и обеспечении максимальной плотности и качества отливок), оптимальных температур заливки металла и самого кокиля.
Основные виды дефектов при кокильном литье — усадочная пористость и трещины в местах перехода от толстых к тонким сечениям. Поэтому прежде всего необходимо обеспечить плавные переходы сечений (в кокиле выполняются соответствующие радиусы-галтели). Усадочные раковины и пористость обнаруживаются визуально или рентгеновским просвечиванием. Основные причины усадочных раковин и пор — отсутствие направленного затвердевания металла в форме, недостаточное питание. Устраняют эти дефекты изменением литниково-прибыльной системы, методами дифференцированного утепления или охлаждения различных частей формы.
В современных литейных цехах процессы литья в кокиль механизируют и автоматизируют, применяя специальные кокильные машины с механическим, пневматическим, гидравлическим и другими устройствами для разъема и сборки кокилей, которые используют индивидуально или в поточных линиях обычно карусельного типа.
Различают машины с вертикальным и горизонтальным разъемами кокилей, с одной подвижной и одной неподвижной плитой, с двумя, тремя и более подвесными плитами.
На рис. 77 приведена отечественная универсальная однопозиционная кокильная машина модели 5А93 для производства отливок из черных и цветных сплавов. Цикл работы на этой машине может быть полуавтоматическим или автоматическим (в случае применения автоматического дозирующего устройства для заливки). Машина состоит из двух подвижных плит 1, на которых крепятся половинки кокилей и которые установлены на станине 2 и перемещаются по колоннам 3 с помощью гидравлических приводов 4. Сверху укреплен гидроцилиндр 5 для крепления подвижного металлического стержня, который может перемещаться вокруг продольной оси, что позволяет производить установку его под разными углами по отношению к кокилю. Управление машиной осуществляется с помощью пульта 6.
Литье в кокиль

Машина осуществляет смыкание двух половинок кокилей, раскрытие, выталкивание отливки из кокилей (с помощью толкателей в виде металлических стержней, проходящих через стенки кокилей и выталкивающих отливку при раскрытии кокиля). Вытолкнутые отливки через нижний проем в станине попадают на транспортер.
Наиболее высокую производительность обеспечивают карусельные машины, которые обычно состоят из нескольких однопозиционных машин, установленных на вращающемся карусельном столе.
На рис. 78 показана кокильная многопозиционная карусельная машина, состоящая из шести кокильных машин 1 с горизонтальным разъемом с помощью копира 2. Машины укреплены на вращающейся карусели 3 с приводом 4. Установка управляется с пульта 5. Заливка металла в один из кокилей производится из ковша 6. После заливки на позиции А происходит охлаждение отливок на позициях Б, B, Г, а на позиции Д — раскрытие кокиля и сталкивание отливки пневмоцилиндром 7 на приемный рольганг 8, на позиции E — очистка, окраска и смыкание половин кокилей.
Литье в кокиль