Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Для получения отливок, имеющих форму тел вращения (цилиндры, кольца, трубы) применяют литье во вращающуюся металлическую форму (центробежное литье). Под действием центробежной силы металл равномерно распределяется по внутренней поверхности вращающейся формы, хорошо заполняет все полости и затвердевает, образуя отливку.
По конструкции различают машины с горизонтальной, вертикальной (рис. 88), иногда с наклонной осью вращения Центробежные силы обеспечивают не только хорошее заполнение полости формы, но и создают благоприятные условия питания отливки при затвердевании, которое направлено от стенок формы, и способствуют повышению ее плотности. При этом легкие неметаллические включения оттесняются к внутренним поверхностям, скапливаются там и затем удаляются при механической обработке.
При получении отливок цилиндрической формы не требуется применять стержни Отливки сложной формы с тонкостенным сложным профилем можно получать со стержнями, они оказываются более точными, чистыми и с повышенным выходом годного. Способ этот производителен и сравнительно легко поддается механизации и автоматизации.
Недостаток способа — значительное развитие ликвационных процессов под действием центробежных сил у сплавов, в состав которых входят элементы, сильно различающиеся по плотности, например высокосвинцовые бронзы с 10—30 % Pb. Возможна также неоднородность макроструктуры — полосчатость. Внутренняя поверхность отливок, затвердевшая в последнюю очередь получается неровной, пленистой, с включениями шлака, а толстостенные отливки получаются с усадочной пористостью. Поэтому для внутренних размеров необходим сравнительно большой припуск на механическую обработку.
Выбор типа машин центробежного литья зависит от наибольших размеров отливки. Машины с горизонтальной осью вращения применяют для получения, пустотелых цилиндрических отливок (различных труб) диаметром от 50 до 1500 мм и длиной до 4—5 м. Отливки, у которых размеры по диаметру превышают высоту (венцы, кольца), и фасонные отливки разнообразного профиля получают на вертикальных машинах. Развес цветного литья, получаемого центробежным способом, колеблется от граммов до нескольких тонн.
В России этим способом получают отливки крупных барабанов из БрО10Ц2 массой 7,5 т, диаметром 1000 мм, длиной 3500 мм с толщиной стенок до 80 мм. По конструкции различают горизонтальные машины консольного типа (рис. 89, а), когда изложница крепится к горизонтальному валу, и машины роликового типа, когда изложница устанавливается на нескольких роликах (рис. 89, б). В России для литейных цехов выпускается комплект центробежных машин консольного типа с ручным, механизированным и полуавтоматическим обслуживанием. Например, машина марки 552-2 служит для отливок массой 80 кг, диаметром 75—200 мм и длиной до 320 мм. Производительность машины 14 отливок в час. Основные части машины (рис 89, а): станина 1, шпиндель с изложницей 2, привод 3 и кожух 4. Кроме того, машина имеет систему охлаждения 5, пневмосистему и пульт управления. Машина снабжена приводом постоянного тока, что позволяет плавно и бесступенчато регулировать скорость вращения в пределах 500—1100 об/мин.
Роликовая машина (рис. 89, б) состоит из привода 1, вращающихся опорных роликов 2, балансировочного ролика 3 и съемной изложницы 4.
При центробежном литье имеет значение конструктивная надежность машины, обеспечивающая вращение изложницы без вибрации и биений, иначе может произойти нарушение процесса формирования отливки и быстрый износ машины. Качество отливок определяется правильным подбором скоростей вращения изложницы, соблюдением оптимальных температур и скоростью заливки сплава в изложницы. Оптимальными считают условия, когда скорость заливки соответствует скорости направленного затвердевания.
Скорость вращения формы зависит от интервала кристаллизации сплава и тем больше, чем больше этот интервал. В практике расчет скорости вращения или число оборотов изложниц ведут в основном по эмпирическим формулам, построенным на основании опыта, а также изучения свойств отливок. Приведем одну из расчетных формул в упрощенном виде (формула Л.С. Константинова) n = 5520/√rρ, где n — число оборотов изложниц, об/мин; r — радиус свободной поверхности, см; ρ — плотность заливаемого металла, г/см3.
Эта формула не учитывает, однако, толщину стенок отливок. При толстостенном литье и при быстром вращении возможен сдвиг наружных слоев отливки по отношению к изложнице, а также образование между ними зазора, что приводит к нарушению нормального процесса формирования отливки. Поэтому при литье массивных отливок заливку вначале ведут при небольшом числе оборотов, а затем по мере нарастания корки металла обороты плавно увеличивают до максимальных, при которых наружный слой отливки не будет поврежден. В зависимости от сплава и характера отливок скорость вращения колеблется от 200 до 1400 об/мин.
Наиболее технологичными для центробежного литья считаются сплавы эвтектического состава и с узким интервалом затвердевания: латуни, алюминиевые бронзы, силумины. Для сплавов с широким интервалом кристаллизации (оловянных, никелевых и др.) необходимо более быстрое и интенсивно направленное затвердевание, поэтому изложницы надо интенсивно охлаждать, заливку производить быстро при небольшой температуре и больших скоростях вращения (900—1200 об/мин).
Формы для центробежного литья изготовляют из чугуна и стали. Толщина формы-изложницы обычно в 1,5—2,0 раза больше толщины отливки. Изложницы в процессе работы иногда охлаждают (снаружи обдувают холодным воздухом или водой). Внутренние рабочие поверхности форм смазывают красками либо выкладывают фигурными вставками из песчаных смесей.
Основные операции при центробежном литье на горизонтальных машинах — подготовка формы к эксплуатации (очистка, подогрев до 60—200 °C, окраска внутренней поверхности или установка стержней и торцовой крышки), заливка расплава из мерных ковшей с помощью заливочных желобов, подающих металл в полость формы через отверстие в крышке, формирование и затвердевание отливок и извлечение готовых отливок из формы с помощью захватов или толкателей.
Машины с вертикальной осью вращения получили распространение для литья фасонных тонкостенных отливок, где центробежные силы способствуют заполнению тонких сечений (до 1 мм) и сложных поверхностей литых заготовок, например рабочих колес насосов из медных и никелевых сплавов, турбин из алюминиевых сплавов и др. При литье из сплавов, склонных к пленообразованию, такие машины устанавливают в вакуумные камеры (рис. 89, в) или ведут заливку в атмосфере инертных газов. Машина с вакуумной камерой представлена на рис. 89, е. Здесь 1 — привод, 2 — форма, 3 — камера, 4 — заливочное устройство. Бездефектное оформление тонкого и геометрически сложенного профиля зависит в основном от соблюдения условий неразрывности потоков жидкого металла в форме, их скорости, гидравлического сопротивления формы. Скорости вращения формы подбирают опытным путем. Они меньше, чем при литье пустотелых цилиндрических отливок на горизонтальных машинах, и колеблются от 160 до 500 об/мин.
При центробежном литье встречаются также специфические дефекты — «свищи» т. е. газовые раковины, пронизывающие отливки по всей толщине. При заливке и соприкосновении с горячим металлом воздух и газы от сгорающей смазки, прижатые к стенкам изложницы, нагреваются, расширяются в объеме и внедряются в незатвердевшую отливку. При этом чем медленнее металл затвердевает в форме, тем больше опасность образования таких дефектов. Такого рода дефекты наиболее характерны при литье сплавов с широким интервалом кристаллизации (оловянные бронзы).