X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Литейное производство страны многие годы находилось в сложных экономических условиях: в стране остро проявлялся кризис государственной инвестиционной системы, глубина и продолжительность которого привели к тяжелым, а в ряде случаев к катастрофическим последствиям для целых научных направлений, институтов, больших и малых предприятий этой важной отрасли [1].

Литейное производство – основная заготовительная база современного машиностроения. Методом литья производится почти 80% всех деталей, относящихся к машиностроению и промышленности. Литьё предполагает получение копии изделий, заданного размера и нужных свойств. Данный вид изготовления деталей требует дополнительных процессов обработки отлитой заготовки, но он наиболее точно передает конфигурацию, размер и форму требуемой детали.

Целью данной статьи является анализ технологий, используемых в современном литье. В данной статье рассмотрены такие способы получения заготовок, как: литье в постоянные металлические формы (кокиль), центробежный способ литья, литье по выплавляемым моделям, электрошлаковое литье, литье в одноразовые тонкостенные формы, литье под давлением.

Важной задачей современного литья является разработка и усовершенствование какой-либо технологии производства заготовок, которая, в свою очередь, позволит повысить производительность труда при меньших затратах (рабочей силы, сырья, энергии, необходимой для реализации производства), повысить качество выпускаемой продукции и при всем этом минимизировать негативное воздействие на окружающую среду.

Данная тема актуальна в наши дни, так как от выбора и использования определенного способа литейного производства зависит технология обработки детали и её эффективность.

Роль литейного производства в современном машиностроении

В современном мире все большее внимание уделяется литейному производству. Выше уже отмечалось, что в современных условиях литейное производство нуждается в модернизации. Так, например, если рассматривать классическое литейное производство, то в нем можно отметить следующие недостатки:

-низкая производительность, особенно при производстве крупных отливок;

-большие затраты на производство (топливо и материалы, необходимые для создания литейных форм);

-необходимость в наличии большого количества рабочей силы;

-неоднородность состава и пониженная плотность материала заготовок[2].

Способы литья

Один из самых простых и распространенных способов литья является литье в разовые песчано-глинистые формы (они же земляные). Данным способом получают до 80% отливок. Песчано-глинистые формы могут быть приготовлены либо непосредственно в почве (в полу литейного цеха) по шаблонам, либо в специальных ящиках-опоках по моделям. Крупные отливки изготавливаются в почве, а мелкие, как правило, - в опочных формах [3]. Этот способ хоть и является простым, универсальным и экономически выгодным (низкая себестоимость получаемых заготовок и самих форм), но вместе с тем имеет и ряд недостатков, таких как: невысокие механические свойства отливок, малая размерная точность и низкая чистота поверхности отливок. Кроме того, данный метод может потребовать какие-либо дополнительные технологические операции, которые в результате могут оказывать вред здоровью рабочих. Необходимость в использовании большого количества топлива и изготовление крупномасштабных изделий могут оказывать крайне негативное воздействие на окружающую среду различными химическими соединениями, которые возникают в ходе технологического процесса.

Способы литья, отличные от литья в песчано-глинистые формы, называются специальными. К ним относятся:

-литье в постоянные металлические формы (кокиль)

-центробежный способ литья;

-литье по выплавляемым моделям;

-электрошлаковое литье;

-литье в одноразовые тонкостенные формы;

-литье под давлением.

Суть кокильного литья заключается в том, что отливка образуется путем заливки расплава в металлическую форму (кокиль), которая имеет естественное или принудительно охлаждение. Расплав под действием гравитационных сил заполняет кокиль через литниковую систему. При этом все образующиеся газы удаляются через специальные вентиляционные каналы [4]. Данный способ литья имеет очевидные преимущества по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы: использование металлической формы повышает качество отливки и стабильность показателей качества; повышение производительности труда в результате исключения трудоемких операций приготовления смеси, формовки и очистки отливок. Поэтому использование литья в кокиль, по данным различных предприятий, позволяет в 2 – 3 раза повысить производительность труда в литейном цехе, снизить капитальные затраты при строительстве новых цехов и реконструкции существующих за счет сокращения требуемых производственных площадей, расходов на оборудование и очистные сооружения. Кроме того, данный метод отливки обеспечивает устранение тяжелых и вредных операций выбивки форм, очистки отливок от пригара, их обрубки, общее оздоровление и улучшение условий труда, меньшее загрязнение окружающей среды.

Однако следует отметить, что использование данного способа имеет большую себестоимость, которая обусловлена сложностью и трудоемкостью изготовления кокиля. Недостатком является и то, что количество изготавливаемых отливок, которые можно получить в одном кокиле, ограничено стойкостью кокиля, что, в свою очередь, существенно влияет на экономическую эффективность процесса. К тому же использование этого способа требует высокую интенсивность охлаждения, что ограничивает возможность получения тонкостенных протяжных отливок.

Метод центробежного литья представляет собой формирование отливок под действием центробежных сил при свободной заливке расплава во вращающиеся формы[5]. На рис. 1 изображена схема центробежного литья с горизонтальной осью вращения [13].

 

Рисунок 1 - Схема центробежного литья

 

Продукция центробежного литейного производства – заготовки, имеющие форму тела вращения: кольца, трубы, втулки, подшипники качения и т.п. [6]. Большим преимуществом центробежного литья является возможность получать оливки не только из черных металлов, но и из некоторых цветных, например: цинк, олово, медь, титан, магний и др. Использование центробежных сил при формировании отливки позволяет обеспечить высокую плотность и хорошие механические свойства получаемых заготовок, а также позволяет исключить появление раковин и повысить износостойкость. В принципе, данный способ является высокотехнологичным и достаточно автоматизированным, что, в свою очередь, существенно облегчает задачу в необходимости большого числа работников и исключает использование тяжелых и вредных операций. Такой метод получения отливок имеет гораздо меньшее негативное воздействие на окружающую среду в сравнении с литьем в песчано-глинистые формы. Но производители могут пренебрегать рассматриваемым способом в связи с тем, что отливки имеют химически неоднородную поверхность (это связано с тем, что участки расплава неравномерно распределяются при вращении) и имеют значительную шероховатость, причем внутренняя поверхность более шероховатая.

Литье по выплавляемым моделям – сложный и трудоемкий процесс получения отливок путем свободной заливки расплава в форму, изготовленную по выплавляемым моделям. Особенностью данного метода отливки является предварительное изготовление мастер-модели, которая является прототипом будущей выплавляемой модели и в конечном итоге – отливки. Обычно для изготовления мастер-модели используются специальные модельные материалы, которые легко обрабатывать. Мастер-модель нужна для того, чтобы по ней в дальнейшем можно было изготовить матрицу, пресс-форму для литья, которую тщательно полируют. Материалом для пресс-формы может быть резина, метал, гипс и др. Пресс-форма заполняется специальным модельным составом (например – воском, парафином), который заполняет форму и образует модель. Полученную из специального состава модель покрывают огнеупорным материалом. Как правило, он представляет собой смесь молотого маршалита с гидролизованным раствором этилсиликата. После формирования оболочки модельный состав нагревают до необходимой температуры, которая позволяет удалить его, после чего оболочку прокаливают при температуре свыше 900 градусов, затем заполняют расплавом. После завершения отливки форму разрушают [7].

Преимуществом такого метода литья является то, что он позволяет получить сложные по форме отливки. Данная технология обеспечивает получение отливок с поверхностью, которая соответствует достаточно высоким классам чистоты и с высокой точностью размеров [8]. К сожалению, литье по выплавляемым моделям не получило широкого распространения, так как его использование нецелесообразно в более тяжелом производстве, хотя и является оно экологически чистым. Используется эта технология в основном при изготовлении художественных отливок, в ювелирной промышленности, а иногда - в медицине.

Ещё существует способ литья, технология которого очень похожа на технологию предыдущего – это литье в одноразовые тонкостенные формы. Но заготовки, получаемые таким способом, обладают особыми свойствами и имеют очень узкую область применения, в связи с чем данный метод не сильно востребован в машиностроении.

Суть электрошлакового литья состоит в том, что отливки получаются в охлаждаемой водой металлической форме путем приготовления жидкого металла непосредственно в ее полости методом электрошлакового переплава расходуемого электрода. Отличительный момент этого метода – операции приготовления расплава, заливки и выдержки отливки в форме совмещены по месту и времени. Охлаждаемая водой форма – это кристаллизатор, полость которого соответствует конфигурации отливки или её части [9]. Расходуемый электрод имеет близкий или одинаковый с отливкой химический состав. Получаются отливки путем пропускания электрического тока большой мощности через залитый в кристаллизатор предварительно расплавленный шлак и погруженные в него электроды. Напряжение составляет 45-60В, а сила тока – порядка 20А на 1 мм диаметра электрода. Пропускание электрического тока обеспечивает разогрев шлака до температуры на 200-300°С выше температуры плавления сплава. Электроды постепенно оплавляются, и жидкий металл в виде отдельных капель стекает в металлическую ванну в виде лунки. Схема электрошлакового литья приведена на рис. 2 [14].

 

Рисунок 2 - Электрошлаковое литьё

 

Повышение температуры плавления расплава на 200-300°С позволяет одновременно расплавить и рафинировать металл в литейной форме, что, в свою очередь, повышает плотность металла и его чистоту (по содержанию вредных примесей и неметаллических включений). Повышение плотности и чистоты металла обеспечивает высокие механические свойства отливок. Электрошлаковое литье позволяет получить отливки, имеющие точную поверхность и низкую шероховатость. При электрошлаковом литье исключаются многие технологические операции при изготовлении отливок, не используются специальные плавильные агрегаты, формовочные и стержневые смеси; отливки получают без литниковых систем и прибылей чистой и гладкой поверхностью; возможно изготовление отливок с высокими механическими свойствами и массой до 300 т. Этот способ отличает высокий выход годного литья, снижение объема механической обработки отливок, уменьшение трудоемкости их изготовления [10]. Недостатком электрошлакового литья необходимость в использовании литейных форм, имеющих большую себестоимость. Кроме того, такие литейные формы крайне сложны в производстве.

Литьем под давлением получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осуществляют под давлением (до 300 МПа).

Литье под давлением является одним из высокопроизводительных способов изготовления отливок, обеспечивающим высокое качество поверхности. Литьем под давлением обычно изготавливают отливки из цинковых, магниевых и медных сплавов. Масса отливок колеблется от нескольких граммов до нескольких десятков килограмм. Этот метод применяется для массового производства тонкостенных отливок из цветных сплавов сравнительно простой конфигурации.

Машины для литья под давлением имеют или горячую, или холодную камеры прессования.

На машинах с горячей камерой прессования (рис. 3) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера 3 металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстие перекрывается, сплав под давлением 10…30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного металла сливаются в камеру прессования, а отливка удаляется из пресс-формы выталкивателями 6. На рис. 3 [15] изображена схема литейной машины с горячей камерой.

 

Рисунок 3 – Литейная машина с горячей камерой

 

Холодную камеру заполняют вручную. Машины с холодной камерой прессования способны развивать несколько более высокое давление на жидкий металл. На рис. 4 [16] изображена схема литейной машины с холодной камерой.

Расплавленный металл заливается в камеру прессования специальной машины (рис. 4), а затем под действием прессующего поршня, перемещающегося в этой камере, через литниковые каналы заполняет с высокой скоростью полость формы. Затвердевание металла происходит под высоким давлением. По окончании затвердевания сначала извлекаются стержни 3, затем форма раскрывается, и толкатель 4 удаляет отливку из пресс-формы. Скорость подачи жидкого металла в пресс-форму составляет примерно 0,5 м/с, а конечное давление на металл может составить от 40 до 100 МПа. Форма заполняется за десятые доли секунды, а особо тонкостенные отливки – за сотые. Это позволяет, несмотря на высокую скорость охлаждения металла в форме, изготавливать отливки с очень тонкими стенками. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45 кг. [11].

 

Рисунок 4 - Литейная машина с холодной камерой

 

Данный способ литья имеет большой ряд преимуществ по сравнению с рассматриваемыми ранее способами:

-высокая производительность,

-высокое качество поверхности,

-точные размеры литого изделия,

-высокая плотность отливки.

Литье под давлением применяется для сплавов из цветных металлов (цинк, алюминий, магний, медь, олово) и некоторых видов стали.

Благодаря литью под давлением практически полностью исключается необходимость в дополнительной механической обработке изделия. Этот метод достаточно автоматизирован, не нуждается в сложных технологических операциях, что позволяет сократить количество рабочей силы. Кроме того, такой способ является экологически чистым, что делает его одним из самых перспективных.

Продукция литья под давлением:

детали автомобильных двигателей (в том числе алюминиевые блоки, детали карбюраторов);

детали сантехнического оборудования;

детали бытовых приборов (пылесосы, стиральные машины, телефоны);

детали приборов

детали кораблей

детали самолетов

детали для аэрокосмической промышленности

детали автомобилей

корпуса электродвигателей

детали для энергетической промышленности.

Однако в настоящее время данный метод хоть и является высокотехнологичным и универсальным в плане вида получаемой продукции, сфера его применения ограничена в связи с высокой стоимостью пресс-форм и оборудования. Описанный способ не подходит для тяжелого машиностроения.

Как следует из данных, приведенных в [12], литье в песчано-глинистые формы и литьё в разовые формы из ХТС занимают 78%, кокильное литьё – 5%, литьё под давлением – 8%, центробежное литьё – 5%, литьё по выплавляемым моделям – 1,5%. На остальные виды литья приходится оставшаяся часть – 2,5%.

Заключение

В данной статье были рассмотрены следующие способы литейного производства: литьё в песчано-глинистые формы, литье в постоянные металлические формы (кокиль), центробежный способ литья, литьё по выплавляемым моделям, электрошлаковое литьё, литьё в одноразовые тонкостенные формы, литьё под давлением. Каждый из этих способов был проанализирован с точки зрения перспективности на сегодняшний день. На основании анализа можно сделать вывод, что в настоящее время наиболее перспективными являются кокильное литьё и литьё под давлением. Оба метода позволяют получать отливки самой различной формы, которые обладают хорошими характеристиками. Эти методы в настоящее время являются достаточно автоматизированными и обладают большой производительностью. Продукция, получаемая такими способами литья, сильно востребована на современном рынке. Кроме того, использование этих методов позволяет значительно уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.

Библиографический список

Евсеев В.И. Проблемы литейного производства и автопром // Журнал «Промышленный вестник». – 2006. – №4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rsl.npp.ru/articles/economy/article_8636.html (дата обращения: 09.12.2017)

Искусство литья. Современное литье и литье будущего [Электронный ресурс].– Режим доступа:http://pereosnastka.ru/articles/sovremennoe-lite-i-lite-budushchego (дата обращения: 09.12.2017)

Сущность литейного производства. Методы литья. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://studopedia.org/4-190718.html (дата обращения: 09.12.17)

Специальные методы литья. Литьё в кокиль. Суть процесса. Основные операции и область использования. // сайт Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://uas.su/books/spesialmethodsforcasting/31/razdel31.php (дата обращения: 12.12.2017)

Центробежное литьё. // сайт «Материаловед». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai/uchebniki/specialnye-vidy-litya/6-centrobezhnoe-lite (дата обращения: 12.12.2017)

Элементы и области применения центробежного литья, заливки и намотки пластмасс. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://upinip.narod.ru/otviti/50.html (дата обращения: 12.12.2017)

Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству [Текст]: справочник / В.Н. Иванов – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов. Технология литейного производства. Специальные способы литья. // сайт «Инженерная Энциклопедия» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://engineeringsystems.ru/procesi-proizvodstva-chernih-i-cvetnih-metaliv-i-ih-splavov/spec-sposoby-litya.php

Специальные методы литья. Электрошлаковое литьё. // сайт «Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://uas.su/books/spesialmethodsforcasting/77/razdel77.php (дата обращения: 13.12.2017)

Литейное производство. Электрошлаковое литьё. // Электронная библиотека [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bibliotekar.ru/5-liteynoe-proizvodstvo/63.htm (дата обращения: 15.12.2017)

Литьё металлов под давлением. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bse.sci-lib.com/article070853.html (дата обращения: 16.12.2017)

Литьё под давлением. // сайт «Материаловед» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai/uchebniki/specialnye-vidy-litya/5-lite-pod-davleniem(дата обращения: 18.12.2017)

Центробежное литьё // сайт «ИнКо» [Ил.]. – Режим доступа: http://www.lvm74.com/tehnologiya/centrbejnoe-lityo/ (дата обращения: 18.12.2017)

Печи электрошлакового переплава для спецэлектрометаллургии. Печи электрошлакового переплава // сайт «Комтерм» [Ил.]. – Режим доступа: http://www.comterm.ru/products_service_ru/esr_ru.php (дата обращения: 18.12.2017)

Литьё металлов под давлением. [Ил.]. – Режим доступа: http://bse.sci-lib.com/article070853.html (дата обращения: 16.12.2017)

Литьё металлов под давлением. [Ил.]. – Режим доступа: http://bse.sci-lib.com/article070853.html (дата обращения: 16.12.2017)

Код для цитирования: Скопировать