Технология машинной формовки

Литниковые системы

Рис. 196. Элементы литниковой системы: 1- Литниковая чаша; 2 — стояк; 3— шлакоуловитель; 4 — питате­ли; 5, 6 -— чаша и стояк выпоров (прибылей); 7 — фильтр из специаль­ной стеклоткани

Литейную форму заливают расплавом через литниковую систему. Литниковой системой называют сово­купность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из ковша в полость формы. Литниковая система должна обеспечить непрерывное поступление расплава в форму, питание отливки для компенсации усадки, предотвращать разрушение формы, попадание шлака и воздуха со струей расплава.

Основными элементами литниковой системы являются литни­ковая чаша, стояк, шлакоуловитель, питатели (рис. 196). Чаша уменьшает размывающее действие струи расплава, задерживает всплывающий шлак.

Для лучшего задержания шлака в литниковой системе для чу­гунного литья выдерживают следующее соотношение размера се­чения стояка, шлакоуловителя и питателей: F_cт > F_шл >F_пит.

На верхних частях средних и крупных отливок делают в ы поры — каналы для выхода из формы воз­духа и газов и всплывающих неметалли­ческих включений. Они содействуют нормальной усадке застывающего сплава.

Литниковые системы в зависимости от формы, размера отливки, состава и свойств литейного сплава имеют различное, иногда сло­жное устройство (рис. 196).

г

Верхняя литниковая система наиболее проста. Ее применяют для мелких деталей

небольшой высоты. С увеличением высоты про­исходит размывание формы струей расплава, разбрызгивание и окисление его, увеличивается количество неметаллических вклю­чении в теле отливки.

Нижнюю (или сифонную) литниковую систему применяют для средних и толстостенных отливок значительной высоты. Она обе­спечивает спокойное заполнение формы расплавом. Вместе с тем эта система более сложна.

Ярусная литниковая система обеспечивает последовательное питание отливки снизу вверх, и ее применяют для крупных от­ливок. Недостатки ярусной литниковой системы — сложность в изготовлении и значительный расход расплава. Ее разновидность — вертикально-щелевая система — предназнача­ется главным образом для цветных сплавов.

Для лучшего задержания шлаковых включений в литнико­вые чаши или другие элементы литниковой системы иногда уста­навливают фильтры (например, керамические сетки). С их по­мощью можно, отделить относительно крупные шлаковые ча­стицы.

Чрезвычайно перспективным способом тонкой очистки метал­лических расплавов в литниковых системах является фирам-процесс (фильтрационное рафинирование металлов), при котором фильтрующий узел делают из специальной стеклоткани (см. рис. 196). При фирам-процессе значительно повышается чистота металла и, как следствие, качество отливок, уменьшается брак, что в целом дает значительный экономический эффект. Этот способ используют на многих предприятиях для отливок из серого и вы­сокопрочного чугуна, бронзы и других сплавов.

Прибыли

рис. 198. Прибыли: а — открытая коническая; 6 — закрытая полушаровая; в — закрытая шаровая; г - работающая под атмосферным давлением; д — работающая под газовым давлением; с — легкоотделяемая

Назначение прибылей — получение отливок без усадочных рако­вин и пористости, которые могут образовываться вследствие умень­шения объема расплава при его затвердевании. Прибыли размещают у массивных частей отливки, где усадка проявляется наи­более значительно.

Прибыли различают по их геометрической форме, месту расположения, условиям питания металлом тела от­ливки и т. д. Выбор рациональной прибыли зависит от формы, размеров, массы отливки, усадки сплава и других условий. Правильность расчета прибылей проверяют экспериментальными исследованиями структуры металла. Некоторые типы прибылей показаны на рис. 198.

• Открытые прибыли прямого питания применяют для крупных стальных отливок, производя иногда добивку, по мере снижения уровня металла. Такая прибыль служит также выпором, в нее могут всплывать частицы формовочной смеси и другие загряз­нения.

Во многих случаях применяют закрытыеприбыли, дающие эко­номию металла. Например, для ответственных стальных отливок с массой 100—500 кг и толщиной стенок до 30мм технологический выход годного составляет при открытых прибылях 56—64%, при закрытых 61—69%. Наименьший необходимый объем имеют прибыли шаровой формы, наибольший — кониче­ской.

В закрытых прибылях, действующих под атмосферным дав­лением, создаются благоприятные условия для образования вы­годно расположенных усадочных раковин и обеспечения плотной структуры отливки. Атмосферное давление создают, устанавливая в полость прибыли специальные газопроницаемые стержни из песчано-масляных смесей.

Прибыли, действующие под давлением газов, впервые раз­работаны советскими исследователями П. И. Яшмановым, А. А. Рыжиковым и др. В полость прибыли помещают в специаль­ном патроне заряд газотворного вещества, обычно мел с добавками кокса. Патрон устроен так, что заряд начинает разлагаться после образования на поверхности прибыли тонкой твердой корочки металла. Выделяющиеся газы создают давление, вытесняя жидкий металл в тело отливки.

Для получения легко отделяемых прибылей (приоритет П. А. Иванова) применяют разделительные пластины (стержни-пластины, стержни-диафрагмы), например, как показано на рис. 198, е, которые изготовляют из шамотно-глинистых смесей.

Ручная формовка

Основной способ изготовления форм в отечественном литейном производстве — машинная формовка. Доля ручной формовки составляет менее 8% отливок по массе и непрерывно сокраща­ется.

Ручная формовка связана с тяжелой и трудоемкой работой, что приводит к низкой производительности. Этот способ формовки еще находит некоторое применение для получения мелких и средних отдельных отливок или небольшой их партии. Более важное зна­чение ручная формовка имеет в производстве крупных отливок в почву (в кессонах), формы для которых трудно или невозможно изготовить методами машинной формовки.

5 в г

Рис. 199. Схема формовки в Двух опоках по разъемной модели а- модель; 6, в - изготовление нижней и верхней полуформ, г —со­бранная форма;1 — вентиляционные накалы; 2 —нижняя опока; 3 - нижняя половина модели; 4 — подмодельный щиток; 5 — модель стояка; 6 — модели выпоров; 7 — верхняя половина модели; 8 —верхняя опока; 9— стержень

Формовка в двух опоках по разъемной модели - наиболее рас­пространенный способ ручной формовки в производстве мелких и средних отливок - показана на рис. 199.

Для изготовления ниж­ней полуформы на подмодельный щиток устанавливают половину модели 3, опоку 2, засыпают и уплотняют трамбовкой сначала об­лицовочную, а затем наполнительную смесь; в уплотненной смеси специальной иглой делают газоотводные (вентиляционные) наколы. Затем опоку поворачивают на 180°, устанавливают по шипам вторую половину модели, модели стояка и выпора. После

в г

уплотнения смеси делают вентиляционные наколы и вынимают модели стояка и выпора; затем опоку снимают и вынимают поло­винки модели (специальным приспособлением).

Рис. 200. Схема формовки по шаблону: а — изготовление модели из формовочной смеси; 6-изготовление верх­ней полуформы в опоке; в-собранная форма; г – отливка.

В нижней полуформе прорезают питатель — канал, соединя­ющий стояк литниковой системы с телом отливки. Для удаления случайных частиц формовочной смеси полуформы обдувают воз­духом и на их внутреннюю поверхность наносят тонкий слой при­пыла (для сухих форм — формовочной краски). При сборке формы в нее устанавливают отдельно изготовленный стержень.

Формовка по шаблону также находит некоторое применение в производстве отдельных средних и крупных отливок относи­тельно простой формы, поверхности которых можно оформить вращением шаблона — профильной доски. Сущность изготовления формы поясняет рис. 200.

В уплотненной формовочной смеси вращением шаблона оформ­ляют наружную поверхность отливки и используют ее как модель для формовки в опоке верхней полуформы. Затем удаляют опоку, вторым шаблоном оформляют нижнюю полуформу, снимая слой смеси, равный толщине стенки отливки.

Машинная формовка

а Рис.201. Схема верхнего (а) и нижнего (б) прессования

Машинная формовка обеспечивает не только современное мас­совое, крупносерийное, серийное производство; во многих случаях ее успешно используют для получения мелких серий или даже отдельных отливок. Применение машинной формовки во много раз увеличивает производительность труда, улучшает качество форм, а следовательно, и отливок, снижает брак, облегчает условия ра­боты формовщика. Совершенствование формовочных машин при­вело к созданию полуавтоматических и автоматических формовоч­ных установок, поточных и автоматических линий.

По характеру уплотнения смеси различают машины прессовые, встряхивающие и др.

Уплотнение прессованием может осуществляться по различным схемам, выбор которых зависит от размеров, формы модели, требу­емой степени и равномерности уплотнения формовочной смеси и других условий.

В машинах с верхним прессованием (рис. 201, а) уплотняющее давление действует сверху. На столе машины 1 закрепляют модельную плиту 2 с моделью 3, устанав­ливают опоку 4 и на нее наполнительную рамку 5. Опоку и рамку заполняют формовочной смесью из бункера. При подъеме стола прессовая колодка 6 входит в наполнительную рамку, запрес­совывая смесь в опоку; высота наполнительной рамки определяет вытесняемый объем формовочной смеси, а следовательно, и степень ее уплотнения в опоке. После завершения прессования стол с мо­дельной оснасткой опускают в исходное положение.

В машинах с нижним прессованием (рис. 201, б) формовочная смесь уплотняется самой моделью и модельной плитой. Удельное давление при прессовании обычно составляет 300—500 кПа.

Рис. 202. Схемы прессования: а —профильной колодкой, б — дифференциальное; в - эластичной мембра­ной; 1-стол машины: 2-опока; 3— модель; 4- прессовая колодка; 5-рамка

Недостатком этих способов прессования является неравномер­ность уплотнения формовочной смеси. При верхнем прессовании наиболее уплотнены верхние слои смеси, наименьшая степень уп­лотнения у поверхности модели. При нижнем прессовании наи­более уплотнена смесь у поверхности модели, что обеспечивает получение более качественной формы. Несмотря на это, чаще применяют машины с верхним прессова-

-нием. Машины с нижним прес­сованием имеют более сложное устройство и менее надежны в эк­сплуатации.

Неравномерность уплотнения смеси возрастает с увеличением высоты опоки. Поэтому уплотнение прессованием применяют для изготовления полуформ в невысоких опоках (до 200—250мм). Этот недостаток может быть устранен применением профильных колодок (рис. 202, а), дифференциальным прессованием с вдавли­ванием в смесь нескольких колодок (рис. 202, б). Равномерное уплотнение смеси можно получить также прессованием с диаф­рагмой — эластичной резиновой мембраной (рис. 202, в). Смесь уплотняется, например, давлением сжатого воздуха через эластич­ную мембрану, повторяющую рельеф поверхности модели.

Прессование под высоким давлением (до 4 МПа) сравнительно новый, прогрессивный способ формовки. Этот способ дает воз­можность изготовлять полуформы с требуемой степенью уплот­нения в высоких опоках (до 350мм), с повышенной точностью по размерам и гладкой поверхностью. При высокой степени уплот­нения повышается теплопроводность смеси, что способствует улуч­шению структуры металла в отливке.

Уплотнение встряхиванием получило широкое применение в ли­тейном производстве. На встряхивающих машинах уплотнение происходит в результате многократно повторяемых встряхиваний. Принципиальная схема встряхивающей машины показана на рис. 203, а. На столе 1 укрепляют модельную плиту с моделью 2,
устанавливают опоку 3 и наполнительную рамку 4. Под давлением
сжатого воздуха, поступающего через каналы 5, стол поднимается
на высоту 30—100мм (рис.203,б), определяемую положением
выпускного отверстия 6. Вследствие понижения давления подвиж-
ные части падают вниз. При ударе стола по торцовой поверхности
направляющего цилиндра смесь уплотняется в результате появления инерционных сил

Уплотнение смеси происходит не­равномерно. Дополнительное уплотнение верхних рыхлых слоев смеси осуществляют допрессовкой.

На некоторых заводах при­меняют другой комбинирован­ный способ — совмещение встряхивания с подпрессовкой.

При включении встряхивающего стола на слой формовочной смеси, выступающей под опокой, накладывают тя­желую подпрессовочную плиту. Такой способ повышает время набивки смеси и качество ее уплотнения. Встряхивание машины дают возможность уплотнения смеси в высоких опоках, изготавли­вать формы по сложным моделям с высокими ребрами и впадинами. Режим уплотнения: подъем стола 30—100 мм, число ударов 30— 50 в мин. Для уплотнения смеси в опоке 1200x800х460 мм для крупной отливки требуется 25—50 ударов, время уплотнения 25—40 с (время допрессовки 2—5 с). В нашей стране созданы уни­кальные встряхивающие машины, обеспечивающие формовку очень крупных отливок (до 15 т) в опоках размерами до 2500х2000 мм. Основными недостатками встряхивающих машин яв­ляются меньшая производительность, чем у прессовых машин, а также сильный шум при работе.

Вакуумная формовка (иногда ее называют пленочно-ваку- ум­ной формовкой). Сущность ее заключается в следующем (рис. 204).

Рис. 206. Схема устройства метательной головки песко­мета: ' — метательный ковш; 2 — подача формовочной смеси 3 —кожух головки; 4 — от­верстие для выброса смеси я опоку

Модельная плита 1 имеет вакуумную полость 7. На плиту устанав­ливают модель (деревянную, металлическую или пластмассовую), которая имеет по всей поверхности сквозные отверстия диаметром 0,5—1 мм, совпадающие с такими же отверстиями в модельной плите. Модельную плиту с моделью 2 накрывают разогретой поли­мерной пленкой толщиной 0,05—0,1 мм. Вакуумным насосом создают в воздушной коробке 7 вакуум, равный 40-50 кПа, Под действием вакуума пленка 6 плотно прилегает к модели и модель­ной плите. Затем на модельную плиту устанавливают опоку 3, которую запол­няют сухим кварцевым песком 5. Уплот­няют его с помощью вибрации. На верхнюю поверхность накладывают разо­гретую полимерную пленку 4, которая вследствие разрежения плотно прилегает к опоке. Форма приобретает высокую твердость. После этого полуформу сни­мают с модели. Аналогично изготовляют вторую полуформу. Затем форму соби­рают.

Вакуумирование продолжается не только при изготовлении полуформ, но и при их сборке, заливке и затвердевании залитого металла. При заливке металла в форму пленка сгорает. Продукты сгорания выполняют роль противопригарного покрытия.

Этот способ имеет целый ряд преимуществ, в том числе удешев­ление формовочной смеси и упрощение смесеприготовления, по­вышение точности отливок и улучшение чистоты их поверхности, упрощение выбивки форм, удлинение срока службы оснастки и др.

Процесс позволяет получать отливки из различных сплавов массой 0,1—10 т. Формовка может быть ручной или на автомати­ческих линиях.

Пескометы — высокопроизводительные формовочные маши­ны — используют преимущественно для изготовления форм круп­ных отливок в опоках ив кессонах. Особенность формовки состоит в том, что пескомет обеспечивает одновременно две операции: за­сыпку смеси и ее уплотнение.

Основной частью пескомета является его метательная головка (рис. 205). Формовочную смесь, поступающую в головку пескомета по транспортеру, подхватывают метательные ковши (лопасти), вращающиеся с частотой до 1500 мин^-1, и выбрасывают со скоро­стью 30—60 м/с через отверстие в опоку. Из-за большой скорости выброса формовочная смесь хорошо и равномерно уплотняется в опоках любой высоты. Для направления струи формовочной смеси головку можно перемещать в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Производительность пескометов обычно не менее 10—15 м³/ч.

Извлечение моделей из форм при формовке вручную — ответ­ственная операция, требующая определенного навыка в работе. Модель предварительно «расталкивают» легкими ударами, а затем осторожно извлекают при помощи крючка или ввернутого болта. При машинной формовке эта операция механизирована, что обе­спечивает сохранение точных размеров и отсутствие повреждений форм.

Рис. 206. Схема устройства механизмов для удаления моделей из форм: а — подъемом опоки; б - опусканием модели через протяжную плиту; в- поворотной плитой; 1 - модель; 2 - опока; 3 - модельная плита; 4 — про­тяжная плита; 5- поворотный стол; 6-штифтовый механизм

На рис. 206, а показано извлечение невысокой модели. Опоку поднимают при помощи штифтов подъемного механизма, а мо­дельная плита (модель) остается на месте. Модель большой высоты опускают вниз через протяжную плиту, заформованная опока оста­ется на месте (рис. 206, б).

Часто модели извлекают при помощи поворотной плиты. Эту плиту прочно скрепляют с опокой и мо­дельной плитой и поворачивают на 180°. Затем опоку освобождают и опускают вниз или поднимают модель вверх (рис. 206, в).

Технология машинной формовки

Формовка в двух опоках (рис. 207) является наиболее распростра­ненным способом. Модельную плиту с моделью обдувают воздухом для удаления пыли и опрыскивают керосином, чтобы не прилипала формовочная смесь. Затем устанавливают нижнюю опоку и запол­няют ее формовочной смесью из бункера, расположенного над ма­шиной. После уплотнения смеси прессованием или другим спо­собом удаляют ее излишек. На опоку устанавливают щиток, по­ворачивают ее на 180° и вынимают модель.

Аналогичным образом формуют верхнюю полуформу. При сборке формы в нижнюю полуформу устанавливают стержень и обдувают сжатым воздухом для удаления пыли. Затем по направ­ляющим штырям устанавливают верхнюю полуформу, скрепляют обе опоки скобами или другим способом и направляют к месту заливки.

Безопочная формовка на формовочных машинах и высокопро­изводительных полуавтоматических установках (200—300 форм/ч) широко применяется в массовом производстве мелких изделий.

Этот способ формовки можно выполнять по различным вариантам. Основные операции формовки в двух опоках с двусторонней модельной плитой показаны на рис. 208.

На нижнюю опоку по штырям устанавливают модельную плиту и верхнюю опоку. Затем сборку поворачивают на 180° и изготовляют нижнюю полуформу; далее накладывают подопочный щиток, поворачивают сборку на 180° и уплотняют смесь в верхней опоке. После этого снимают верхнюю опоку и удаляют модельную плиту. После сборки полуформ обе опоки снимают, на форму надевают тонкостенный металлический

кожух-жакет для предохранения от разрушения. Для изготовле­ния форм требуется ограниченное число опок, что дает большую экономию.

При безопочной формовке по схеме, приведенной на рис. 209, формовочную смесь из бункера подают сжатым воздухом в рабо­чий резервуар. Уплотнение смеси происходит при перемещении модельной плиты штоком 3. Затем поворотную модельную плиту поднимают вверх. Полуформу перемещают штоком в положение 6. Из полуформ образуются безопочные формы.

Стопочная формовка (этажная и ступенчатая) (рис. 210) при­менима в литейных цехах, где формы заливают не на конвейерах, а на специальной площадке. При этажной формовке формы для не­больших отливок простой конфигурации изготовляют, например, на прессовых машинах таким образом, чтобы в одной опоке была полу­чена нижняя полуформа с одной стороны и верхняя полуформа с дру-

Pug. 208. Безопочная формовка:

Рис. 210, Схема стопочкой формовки: слева — этажная; оправа ™ стопорная формовка; 1 — общий литниковый сто­як; 2 — полости форме 3 «— опоки; 4 — подопечный щиток? 5- литниковый стояк

гой. Стопочную формовку применяют с целью лучшего исполь­зования площади цеха; кроме того, вся стопка имеет общую лит­никовую систему с одним центральным стояком, что дает экономию металла и улучшает заполнение тонких полостей форм благодаря увеличению статического давления металла. Недостаток этих спо­собов — в необходимости сборки форм.

Рис. 211. Изготовление форм в стержнях: а — в опоках; б - о применением жакета; 1-нижняя опока, 2 - жакет; 3 - верхняя опока; 4 - прибыль;- 5 — отливка

—

Изготовление форм в стерж­нях (формовку в стержнях) при­меняют для получения тонкостен­ных отливок сложной конфигу­рации или при наличии тонких выступающих ребер, как эконо­мически более выгодный способ изготовления форм, чем фор­мовка по моделям. При этом спо­собе наружные и внутренние по­верхности отливки получают в форме, собранной из стержней (рис. 211, а). Формовка в стерж­нях упрощает изготовление формы,увеличивает производительность труда; отливки получают о чи­стыми поверхностями, минимальными допусками и припусками на механическую обработку. Более широкое применение этого способа стало возможным с применением ЖСС и других специальных смесей.

Комплект стержней, чтобы предупредить его разрушение при заливке, скрепляют скобами, помещают в опоки или жакеты —чугунные ящики; в последнем случае этот способ называют фор­мовкой в жакетах (макетная формовка).

Формовка в жакетах находит применение и в серийном произ­водстве крупных отливок. На рис. 211, б показано использование жакета для получения средней части формы, верхняя и нижняя части которой выполнены в опоках. Такой способ дает возможность изготовить формы большей высоты, чем при обычной машинной формовке в опоках. Для особо крупных отливок формовку в стержнях ведут в кессонах.

Изготовление форм в кессонах проводят для крупных отливок, например, с массой более 10 т и с размерами более 2,5 м; некоторые отливки имеют массу до нескольких десятков тонн, длину 10— 15м и более. Для таких отливок формы в опоках изготовить нельзя, их изготавливают в кессонах формовкой вручную, в стержнях, с применением жидких самотвердеющих смесей и др.

Рис. 212. Сборка формы из стержней — блоков в механизированном кессоне.

Кессон — железобетонная яма, расположенная ниже уровня пола цеха, водонепроницаемая для грунтовых вод. Сов­ременный механизированный кессон имеет две неподвижные и две подвижные стенки из чугунных плит, что позволяет изменять его размеры. Его дно выкладывают из полых чугунных плит, которые можно продувать воздухом для ускорения охлаждения отливки и кессона. Кессон имеет механизмы для передвижения стенок, приспособления для установки и закрепления верхней полуформы.

Формовка вручную в почве обычно выполняется в кессонах. Для крупных отливок нижняя часть формы испытывает большое давление и должна иметь хорошую газопроницаемость. Поэтому в нижней части кессона делают «твердую постель», уплотняя ска­чала формовочную смесь, затем слой твердой засыпки (куски кокса, шлака, огнеупорного кирпича и т. п.) и снова слои напол­нительной и облицовочной смеси. Для отвода газов в слое твердой засыпки устанавливают вентиляционные трубы.

На подготовленную постель помещают модель и набивают ос­тальную часть формы. Уплотнение формовочной смеси является наиболее сложной, ответственной и трудоемкой операцией. Смесь уплотняют пневматическими трамбовками, могут быть использо­ваны и пескометы. Наибольшие затруднения вызывает уплотнение смеси под моделью; набивку труднодоступных мест выполняют через специальные окна в модели.

Формовка в кессонах с применением ЖСС позволяет значительно упростить технологию изготовления форм для крупных отливок при одновременном улучшении их качества. На рис. 213 приведен пример изготовления формы с применением ЖСС для крупной чугунной отливки. После фиксации модели 2 планками 3 через круглые или квадратные отверстия 5 заливают ЖСС и затем вы­давливают ее толкателями 4 для лучшего заполнения подмодель-ного пространства. Далее заливают формовочную смесь по пери­ферии в зазоры между стенками модели и кессона /. Во избежание всплывания при заливке модель нагружают. Через 30—40 мин модель извлекают, форму окрашивают противопригарной краской, сушат 2—4 ч (переносными газовыми сушилами). Вследствие вы­сокой газопроницаемости смеси отвод газов значительно упро­щается по сравнению с формовкой в почве. Газоотвод может быть обеспечен, например, прокладкой в слой смеси системы Трубок из нейлона или других синтетических материалов.

Из песчано-глинистых смесей такую форму изготовить невоз­можно, так как нельзя обеспечить уплотнение смесей под моделью.