Виготовлення заготівки за допомогою лиття та штампування

Для плавлення чавуну в ливарних цехах найчастіше застосовують вагранки. Вагранка (чудовий російський винахід XVIII століття)— це шахтна піч(Рис.3), викладена шамотною цеглою і у стальному кожусі 3. Завантажують шихту через колошниковий отвір 5^з колошникової площадки 4. Повітря для горіння палива звичайного коксу надходить у вагранку від вентилятора по трубах через стальну коробку 6, що оперізує вагранку, і через фурми 7. Частину вагранки від верхнього ряду фурм до колошникового отвору називають шахтою. Вище від шахти міститься димова тру- ба з іскрогасником. Нижню частину, від поду 1 до фурм, називають горном. Під нахилений у бік копильника 9, де накопичується розплавлений чавун і вирівнюється його склад. У копильника є льотка 10 і жолоб 11 для випускання чавуну, а також одна або дві шлакові льотки 8. Як правило, вагранка працює 4—8 год на добу, іноді до 16 год і більше. Продуктивність її залежить від діаметра шахти і коливається в межах від 1 до 25 т чавуну на годину. У ливарних цехах машинобудівних заводів найчастіше вагранки видають по 3—8 т/год.

 Іноді  вагранки будують без копильника, і тоді чавун і шлак випускають  через льотки з горна.

Шихту завантажують баддею 12 з конусним або відкиднимдном, що опускається.

Для видачі литва заданого хімічного складу шихту складають із чушкового чавуну, чавунного та стального брухту своїх цехових відходів і феросплавів у певних пропорціях.

Підготовлену металеву шихту, паливо і флюси завантажують у вагранку окремими порціями (колошами).

Під час плавлення у вагранці кисень дуття випалює домішки кремнію 10—15 %, марганцю 17—22 %, заліза 0,4—1,5 %; вміст фосфору залишається без змін; вуглець дещо вигоряє, але втрати його врівноважуються навуглецюванням чавуну від коксу. Вміст сірки дещо збільшується за рахунок коксу, тому для вагранок використовують ливарний кокс з пониженим вмістом сірки.

Оксиди, що утворюються, разом із золою коксу та домішками фермової суміші шлакуються з вапняком.

Для виплавлення високоякісних сортів сірого чавуну, а також легованого і ковкого чавуну застосовують подвійні (дуплекс) процеси: плавлення у вагранці і дуговій або полуменевій печі, що дає можливість перегрітії чавун і видати його з точно заданим складом.

Стальне лиття. Ливарні властивості у сталі гірші, ніж у чавуну: вона не настільки рідкотекуча і гірше заповнює форму. Усадка сталі становить 2 % і вище, тому усадочні раковини у відливках можуть бути значних розмірів, сталь тугоплавка (температура плавлення 1400—1540°С). Щоб не було браку із-за усадочних раковин, у формах кр'м випорів передбачають додатки, достатні для живлення рідкою сталлю охолоджуваного відливка.

Рис.3

 

Лиття в кокіль

 

Кокіль виготовляють з чавуну або сталі. При литті з легких сплавів застосовують чавунні і стальні стержні, а для лиття із сталі, чавуну та мідних сплавів — піщані стержні. При відносно легкоплавких сплавах кольорових металів кокіль витримує десятки тисяч заливок; стійкість кокілю при литті сталі і чавуну коливається в межах від 100 до 5000 заливок залежно від розміру відливків; тому лиття в кокіль для великих стальних відливків вигідніше лише у випадку простих форм, коли вартість виготовлення кокілю невелика. Що ж стосується сплавів кольорових металів і чавуну, то цей спосіб вигідний, оскільки крім більш точних розмірів відливків поліпшується структура і механічні властивості їх.

Для запобігання відбілюванню чавуну і для більшої стійкості форм застосовують вогнетривкі покриття їх; цим уповільнюється швидкість охолодження чавуну. Крім того, перед заливанням чавуну кокіль підігрівають до 200—300 °С. Відбілюванню запобігає також збільшення кремнію в чавуні.

Для лиття складних деталей застосовують кокіль з кількох частин з роз'емами.

На рис.4 показано кокіль із штирями (пальцями) ззовні для прискореного охолодження. При масовому виробництві лиття в кокіль можна автоматизувати, як, наприклад, на заводах-автоматах, де відливають алюмінієві поршні для двигунів внутрішнього згоряння.

Рис.4

Відбіленим литтям називають чавунне лиття з відбілюванням на потрібну глибину при швидкому охолодженні в металевій формі (кокілі). У відбіленому шарі увесь або майже увесь вуглець хімічно зв'язаний із залізом (у цементиті). Твердість відбілених деталей коливається в межах від 300 до 500 і вище, глибина відбілювання — від 12 до 30 мм залежно від призначення деталі. Швидкість охолодження відливка повинна забезпечувати поступовий перехід білого чавуну в сірий, інакше відбілений шар може викришуватися.

Найбільшого поширення відбілене лиття набуло у виробництві прокатних валків і коліс залізничних вагонів.

На рис.5 показано форму, підготовлену для заливання прокатного валка. Тут кокілем є тільки середня частина 1, що утворює робочу поверхню валка; верхня 2 і нижня 5 частини формуються в опоках із формової суміші за моделлю і утворюють шийки валка, які потім обробляють на верстатах. Через ливникову чашу 3 і ливниковий стояк 4 чавун сифоном підводять у нижню частину складеної форми.

Рис.5

 

Відцентроване лиття

 

При відцентровому відливанні метал заливають у форму, яка обертається навколо вертикальної або горизонтальної осі. В результаті рідкий метал відтісняється відцентровою силою до стінок форми. При цьому структура металу стає ущільненою, тому що гази і неметалеві включення витісняються до поверхні, яка розташована ближче до центра обертання і піддається звичайно механічній обробці. Форму обертають до повного затвердіння металу, після чого виймають готові відливки.

Машини з горизонтальною віссю обертання застосовують для відливків значної довжини. Швидкість обертання форми повинна забезпечувати однакову товщину стінок по всьому перерізу.

На рис.6 наведено схему установки для відливання труб. Рідкий метал із ковша 7 по жолобу 6 спрямовується в обертовий під 5. У кінці поду для обмеження внутрішньої поверхні розтруба встановлено стержень /. Між кожухом 4 і подом циркулює вода, що охолоджує форму. Форма обертається від електродвигуна 3 за допомогою зубчастої передачі 2. У міру подачі рідкого металу машина рівномірно переміщується в напрямі, показаному стрілкою, доти, поки передній зріз жолоба не досягне кінця форми. Далі подача металу припиняється; після затвердіння металу припиняється обертання і готову трубу виймають із форми. Чавунні труби внаслідок швидкого охолодження відбілюються, тому їх відпалюють. Щоб зменшити відбілювання, вживають тих самих заходів, що й у кокілях.

Рис.6

Машини з вертикальною віссю обертання застосовують здебільшого для кільцеподібних відливків невеликої висоти. Метал заливають в обертову форму із стопорного ковша. При відцентровому способі лиття немає живильників, ливників і випорів, що знижує витрату металу.

 

Лиття під тиском

 

При литті під тиском сплав поршнем машини запресовується в рознімну стальну форму, що називається прес-формою. Лиття під тиском застосовують в основному для алюмінієвих, магнієвих і цинкових сплавів, рідше для мідних сплавів; освоюється лиття сталі і чавуну. Деталі виходять точними (11—13-й квалітети) і чистими, масою від кількох грамів до десятків кілограмів. Тиск поршня становить при пресуванні до 200 МПа. Механічна обробка відливків незначна або взагалі не потрібна. Вартість прес-форм висока, тому лиття під тиском застосовують при масовому виробництві, коли в одній формі одержують тисячі відливків

Продуктивність машин дуже висока — до 3000 відливків на годину, при роботі в автоматичному режимі. Машини для лиття під тиском мають холодну або гарячу камеру пресування.

Машини з холодною камерою пресування застосовують для лиття з алюмінієвих, магнієвих і мідних сплавів, а також сталі та чавуну; при цьому в камеру заливається дозована кількість рідкого металу з окремої печі, після чого виконується пресування.

На рис.7,а наведено робочу зону машини з холодною камерою пресування 1. Під час руху вниз плунжер 2 гиене на залит; порцію металу 3 і на п'яту 4, яка, переміщуючись донизу, зідкриває отвір ливника 5, і метал заповнює прес-форму.

Нерухома 2 (рис.7,б) і рухома 4 частини прес-форми утворюють порожнину, що відповідає відливку. Стержень 3 призначе ний для утворення отвору. Рідкий метал надходить у форму під тиском поршня через мундштук 1. Затвердіння відливка тривав кілька секунд, після чого форма рознімається і готовий відливок виштовхується із форми штовхачем 5.

Залежно від положення отворів стержні можуть розміщуватися як у нерухомій, так і в рухомій частині форми.

Форму конструюють з таким розрахунком, щоб при рознятті відливок затримався в рухомій частині, де розміщені штовхачі  Машини з гарячею камерою пресування застосовують для лиття з цинкових сплавів. Камера 4 і тигель 5 (рис.7) являють собою один чавунний відливок, який міститься в печі; сплав підтримують у рідкому стані. При піднятому плунжері 3 як на схем сплав через отвори 2 з тигля переливається в камеру. При опускан ні вниз плунжер перекриває отвори і сплав під тиском заповнюють прес-форму , де твердіє. Потім плунжер піднімається і рідкий метал з каналу зливається в камеру

Рис.7

 

Лиття у піщано-глиняні форми

 

Лиття у піщано-глиняні форми (в земляні форми) (Рис.8) – найбільш універсальний та розповсюджений спосіб виготовлення заготовок. Він використовується в одиничному, серійному й навіть у масовому виробництві. Литтям у земляні форми звичайно виготовляють великі та середньогабаритні заготовки простої та складної форми в одиничному та дрібносерійному виробництві.

Рис.8

Береться модель, яку треба відлити, і ставиться в опоку, туди додається суміш і ущільнюється. Потім дві половинки складають і заливають рідкий метал. Механізоване та автоматизоване машинне формування опок сумішшю, її ущільнення, виймання моделей з форми, складання, фарбування, сушіння та транспортування форм використовується в серійному та масовому виробництвах. Застосування роботизованих та автоматизованих ліній з програмним управлінням виробничого процесу забезпечує високу якість заготовок, поліпшені умови праці та високу продуктивність устаткування. Розрізняють такі способи виготовлення форм для лиття заготовок: у двох, трьох і більше опоках;за роз’ємними та нероз’ємними моделями; за моделями з віднімними частинами; з перекидною колодою; за шаблонами; за скелетною моделлю; у грунті; у стержнях. Форми за станом перед їх заливанням є сирі, напівсухі хімічнотвердіючі і самотвердіючі. Останні забезпечують можливість організації автоматизованого та екологічно чистого виробництва. Застосовують також лиття за газифікованими моделями. Суть його полягає в тому, що рідкий метал заливають через ливникову систему беспосередньо на заформовану в наповнювальну суміш пінополістиролову модель, яка під дією тепла рідкого металу згоряє і газифікується, звільняючи порожнину форми для заповнення її металом. Особливістю цього способу є використання невиймальної перед заливанням форми разової пінополістиролової моделі, відсутність стержнів та площини рознімання форми. Все це дає змогу розширити можливості процесу лиття в піщано-глиняні форми, отримати виливки складної конфігурації, сприяє підвищенню їх якості. Для виготовлення моделей використовують бук, березу, клен, сосну чи ялицю. Для машинного формування моделі виготовляють з металу . Переваги дерев’яних моделей – їх низька ціна, простота виготовлення; при великих розмірах – невелика маса; але недоліком є недовготривалість, зміна розмірів відповідно до вологовмісту. Металеві моделі мають більшу довготривалість, високу точність та чисту робочу поверхню. Існують ще моделі із пластмас Розрізняють такі формувальні суміші: наповнювальні, облицювальні та універсальні. Основні вимоги, яким вони повинні відповідати: вогнетривкість, пластичність, міцність, газопроникність, податливість, непригоряння, негігроскопічність, довговічність, дешевизна, недефіцитність. Для приготування формувальних сумішей використовують як наповнювачі глину та кварцовий порошок; як протипригарні елементи – кам’яновугільний пил, тальк і графіт; як барвники – маршальт, магнезит і цирконій. У шишкових сумішах замість глини застосовують оксоль, рідке скло, смоли, декотрин, патоку з додаванням дерев’яного трачиння та торфу, які, вигоряючи, підвищують пористість і податливість сумішей. Для підвищення якості виливків формувальні суміші у формах пресують на гідравлічних пресових машинах або на машинах з гумовою діафрагмою під тиском 2-4 МПа. Шишкові форми складають із сухих шишок у спеціальних металевих опоках. У масовому виробництві використовують оболонкові шишки, які виготовляють піскодувним способом у нагрітій металевій формі. Часто великі шишки роблять порожнистими, що дає змогу економити матеріал для виготовлення сумішей.

 

Лиття у напівсталі форми

 

Напівсталі форми залежно від матеріалу та рідкого стопу витримують до кількох сот заливань.Наприклад, графітові форми, які використовують для виготовлення заготовок з жароміцнихчавунів, сталей, молібденових, вольфрамових, вольфрамокобальтових та інших стопів з високоютемпературою плавлення, витримують до 300 заливань. Графітові форми виготовляють збрикетованого графіту за допомогою обробки різанням. Шамотні, гіпсові та металокерамічніформи залежно від вмісту металевого порошку дають змогу керувати швидкістю охолодження виливка та напрямком твердіння його стінок. Керамічні форми виготовляють з рідкої хімічної суміші, яку додатково обпалюють. Застосовують керамічні форми з пластичних та сипких сумішей, що виготовляються пресуванням. У керамічних формах утворюються виливки масою від 0,2 до 10000 кг із різних матеріалів, з точністю розмірів виливків до 11 квалітету та чистоти поверхонь до 5 мкм за параметром Ra. Це дає змогу отримувати фасонні виливки для ковальського, пресового та різального інструменту, лопаток турбін, арматури високого тиску з легованих сталей тощо. Виливки з деяких стопів нікелю та титану отримують тільки способом лиття у керамічні форми. Для виготовлення графітових форм застосовують природний або штучний графіт, пірографіт, інші вуглецеві матеріали. Ці форми практично незамінні для виготовлення виливків з хімічно активних тугоплавких стопів на основі титану, урану, ніобію, вольфраму тощо. У виробництві використовують як чисто графітові форми, так і форми, покриті вуглецевими композиціями, оболонкові вуглецеві та форми, виготовлені з вуглецевих сумішей за виплавлюваними моделями. Останнім часом все частіше застосовують одноразові форми, що тверднуть у спорядженні (на моделі, у формі). Спільним для них є використання синтетичних зв’язувальних матеріалів, які за відповідних умов безповоротно тверднуть. Виливки, отримані в цих формах, відзначаються великою точністю розмірів, якістю поверхонь, малими припусками на обробку різанням. Технологічні процеси легко механізуються та автоматизуються. Недоліками цього способу є токсичність зв’язувальних матеріалів.

 

Розділ 3. Технології штампувального виробництва

 

Продуктивність штампування в десятки разів більша, ніж кування, а кваліфікація робітників потрібна значно нижча. Крім того, при штампуванні досягається значно більша, ніж при куванні, точність розмірів і чистота поверхні, тому нерідко після штампування деталі не потребують механічної обробки. У цьому й полягає перевага штампування над куванням. Проте штампування вигідне лише з масовому і серійному виробництві, тому що витрати на виготовлення стальних форм (штампів) виправдують себе тільки при випуску значної кількості поковок. Штампування буває гарячим і холодним, об'ємним і листовим.