Лите́йное произво́дство

Одна из отраслей промышленности, продукцией которой являются отливки ,получаемые в литейных формах при заполнении их жидким сплавом. Годовой объём производства отливокв мире превышает 80 млн. т, из которых около 25% приходится на СССР (1972). Методами литьяизготовляется в среднем около 40% (по массе) заготовок деталей машин, а в некоторых отрасляхмашиностроения, например в станкостроении, доля литых изделий составляет 80%. Из всех производимыхлитых заготовок машиностроение потребляет примерно 70%, металлургическая промышленность — 20%,производство санитарно-технического оборудования — 10%. Литые детали используют вметаллообрабатывающих станках, двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах,электродвигателях, паровых и гидравлических турбинах, прокатных станах, с.-х. машинах, автомобилях,тракторах, локомотивах, вагонах. Значительный объём литых изделий, особенно из цветных сплавов,потребляют авиация, оборонная промышленность, приборостроение. Л. п. поставляет такжеводопроводные и канализационные трубы, ванны, радиаторы, отопительные котлы, печную арматуру и др.Широкое применение отливок объясняется тем, что их форму легче приблизить к конфигурации готовыхизделий, чем форму заготовок, производимых др. способами, например ковкой. Литьём можно получитьзаготовки различной сложности с небольшими припусками, что уменьшает расход металла, сокращаетзатраты на механическую обработку и, в конечном счёте, снижает себестоимость изделий. Литьём могутбыть изготовлены изделия практически любой массы — от нескольких г до сотен т, со стенками толщинойот десятых долей мм до нескольких м. Основные сплавы, из которых изготовляют отливки: серый, ковкий илегированный чугун (до 75% всех отливок по массе), углеродистые и легированные стали (свыше 20%) ицветные сплавы (медные, алюминиевые, цинковые и магниевые). Область применения литых деталейнепрерывно расширяется.

Историческая справка. Производство литых изделий известно с глубокой древности (2—1-етысячелетия до н. э.): в Китае, Индии, Вавилоне, Египте, Греции, Риме отливали предметы вооружения,религиозного культа, искусства, домашнего обихода. В 13—14 вв. Византия, Венеция, Генуя, Флоренцияславились своими литыми изделиями. В русском государстве в 14—15 вв. отливались бронзовые ичугунные пушки, ядра и колокола (на Урале). В 1479 построена в Москве «пушечная изба» — первыйлитейный завод. В царствование Ивана IV созданы литейные заводы в Туле, Кашире и др. городах. В 1586А. Чохов отлил «Царь-пушку» (около 40 т). При Петре I изготовление отливокувеличилось, были созданы литейные заводы на Урале, Юге и Севере государства. В 17 в. чугунныеотливки экспортировались за границу. В России созданы замечательные образцы литейного искусства: в1735 «Царь-колокол» (свыше 200 т) И. Ф. и М. И. Маториными, в 1782 памятник Петру I «Медный всадник» (22 т) Э. Фальконе, в 1816 памятник К. Минину и Д. М. Пожарскому В. П. Екимовым, в 1850 скульптурныегруппы Аничкова моста в Петербурге П. К. Клодтом и др. Одна из самых крупных отливок в мире — шабот(нижняя часть, воспринимающая удар) парового молота (650 т) изготовлена в 1873 на Пермском заводе.Известно мастерство литейщиков старых русских заводов — Каслинского, Путиловского, Сормовского,Коломенского и др.

Первые попытки научного обоснования некоторых процессов литья сделали в своих работах Р.Реомюр, М. В. Ломоносови др. учёные. Однако до 19 в. при литье использовали ранее накопленныймноговековой опыт мастеров. Лишь в начале 19 в. были заложены теоретические основы литейнойтехнологии, были применены научные методы в решении конкретных производственных задач. Труды Д.Бернулли, Л. Эйлера, М. В. Ломоносова послужили прочной базой для разработки и совершенствованиялитейной технологии. В работах русских учёных П. П. Аносова, Н. В. Калакуцкого и А. С. Лаврова быливпервые научно объяснены процессы кристаллизации , возникновения ликвации и внутренних напряжений в отливках, намечены пути к повышению качества отливок. В 1868 Д.К. Чернов открыл критические точки металлов. Его труды продолжили А. А. Байков,А. М. Бочвар, В. Е. Грум-Гржимайло, позднее Н. С. Курнаков и др. русские учёные. Большое значение дляразвития Л. п. имели работы Д. И. Менделеева.

В годы Советской власти Л. п. развивалось ускоренными темпами: в 1922 впервые налаженопроизводство отливок из алюминиевых сплавов, в 1929 — из магниевых; с 1926 производиласьреконструкция существовавших литейных цехов и строительство новых. Строились и вводились вэксплуатацию литейные цехи с высокой степенью механизации, с выпуском отливок до 100 тыс. т и болеев год. Одновременно с перевооружением и механизацией Л. п. в СССР проводилось внедрение новойтехники, создавались основы теории рабочих процессов и методы расчётов литейного оборудования. В 20-е гг. начала формироваться советская научная школа, основателями которой являются Н. П. Аксенов, Н. Н.Рубцов, Л. И. Фанталов, Ю. А. Нехендзи и др.

Технология литейного производства.Процесс Л. п. многообразен и подразделяется: по способузаполнения форм — на обычное литьё, Литьё центробежное, Литьё под давлением; по способуизготовления литейных форм — на литьё в разовые формы (служащие лишь для получения однойотливки), литьё в многократно используемые керамические или глиняно-песчаные формы, называетсяполупостоянными (такие формы с ремонтом выдерживают до 150 заливок), и литьё в многократноиспользуемые, так называемые постоянные металлические формы, например кокили, которыевыдерживают до нескольких тыс. заливок . При производстве заготовок литьёмиспользуют разовые песчаные, оболочковые самотвердеющие формы. Разовые формы изготовляют спомощью модельного комплекта и опоки (рис. 1). Модельныйкомплект состоит из собственно литейной модели , предназначенной дляполучения в литейной форме полости будущей отливки, и стержневого ящика для получения литейныхстержней, оформляющих внутренние или сложные наружные части отливок. Модели укрепляют намодельных плитах, на которых устанавливают опоки, заполняемые формовочной смесью. Заформованнуюнижнюю опоку снимают с модельной плиты, переворачивают на 180° и в полость формы вставляютстержень. Затем собирают (спаривают) верхнюю и нижнюю опоки, скрепляют их и заливают жидкий сплав.После затвердевания и охлаждения отливку вместе с литниковой системой извлекают (выбивают) из опоки, отделяют литниковую систему и очищают отливку — получается литаязаготовка.

Наиболее распространено в промышленности производство отливок в разовых песчаных формах.Этот способ применяется для изготовления из различных сплавов заготовок любых размеров иконфигурации. Технологический процесс литья в песчаные формы (рис. 2) складывается из рядапоследовательных операций: подготовка материалов, приготовление формовочных и стержневых смесей,изготовление форм и стержней, простановка стержней и сборка форм, плавка металла и заливка его вформы, охлаждение металла и выбивка готовой отливки, очистка отливки, термообработка и отделка.

Материалы, применяемые для изготовления разовых литейных форм и стержней, делятся наисходные Формовочные материалы и формовочные смеси; их масса равна в среднем 5—6 т на 1 т годныхотливок в год. При изготовлении формовочной смеси используют отработанную формовочную смесь,выбитую из опок, свежие песчано-глинистые или бентонитовые материалы, добавки, улучшающиесвойства смеси, и воду. В стержневую смесь обычно входят кварцевый песок,связующие материалы (масло, смола и др.) и добавки. Приготовление смеси производят в определённойпоследовательности на смесеприготовительном оборудовании ; ситах, сушилах, дробилках, мельницах, магнитных сепараторах, смесителях и т. п.

Формы и стержни изготовляют на специальном формовочном оборудовании и станках. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием илисовместно тем и др. способом. Крупные формы заполняют с помощью Пескомётов, реже для изготовленияформ используют пескодувные и пескострельные машины. Формы в опоках, заформованные в стержневыхящиках стержни подвергаются тепловой сушке или химическому твердению, например при литье всамотвердеющие формы . Тепловую сушку осуществляют влитейных сушилах, а сушку стержней производят также в нагретом стержневом ящике. Сборка формсостоит из следующих операций: установка стержней, соединение половин форм, закрепление формскобами или грузами, устанавливаемыми на верхнюю форму и предотвращающими их раскрытие призаливке сплавом. Иногда на форму устанавливают литниковую чашу, изготовленную из стержневой илиформовочной смеси.

Плавят металл в зависимости от вида сплава в печах различного типа и производительности . Наиболее часто литейный чугун выплавляют в Вагранках, применяют такжеэлектрические плавильные печи (тигельные, электродуговые, индукционные, канального типа и др.).Получение некоторых сплавов из чёрных металлов, например белого чугуна, ведут последовательно в двухпечах, например в вагранке и электропечи (т. н. дуплекс-процесс). Заливку форм сплавом осуществляют из заливочных ковшей, в которые периодически поступает сплав из плавильногоагрегата. Затвердевшие отливки обычно выбивают на вибрационных решётках или коромыслах. При этом смесь просыпается через решётку и поступает всмесеприготовительное отделение на переработку, а отливки — в очистное отделение. При очисткеотливок с них удаляют пригоревшую смесь, отбивают (отрезают) элементы литниковой системы изачищают заливы сплава и остатки литников. Эти операции проводят в галтовочных барабанах,дробеструйных и дробемётных установках. Крупные отливки очищают гидравлическим способом вспециальных камерах. Обрубку и зачистку отливки осуществляют пневматическими зубилами иабразивным инструментом. Отливки из цветных металлов обрабатывают на металлорежущих станках.

Для получения необходимых механических свойств большинство отливок из стали, ковкого чугуна,цветных сплавов подвергают термической обработке . После контролякачества литья и исправления дефектов отливки окрашивают и передают на склад готовой продукции.

Механизация и автоматизация литейного производства. Большинство технологических операцийв Л. п. очень трудоёмко, протекает при высокой температуре с выделением газов и кварцесодержащейпыли. Для уменьшения трудоёмкости и создания нормальных санитарно-гигиенических условий труда влитейных цехах применяют различные средства механизации и автоматизации технологических процессови транспортных операций. Внедрение механизации в Л. п. относится к середине 20 в. Тогда дляприготовления формовочных материалов начали использовать бегуны, сита, рыхлители, а для очисткиотливок — пескоструйные аппараты. Были созданы простейшие формовочные машины с ручной набивкойформ, позднее стали применять гидравлические прессы. В 20-х гг. появились и быстро распространилисьпневматические встряхивающие формовочные машины. На каждой технологической операции стремилисьзаменить ручной труд машинным: совершенствовались оборудование для изготовления форм и стержней,устройства для выбивки и очистки отливок, механизировалась транспортировка материалов и готовыхотливок, были внедрены конвейеры, разработаны методы поточного производства. Дальнейший ростмеханизации Л. п. выражается в создании новых усовершенствованных машин, литейных автоматов иавтоматических литейных линий, в организации комплексно-автоматизированных участков и цехов.Наиболее трудоёмкие операции при производстве отливок — формовка, изготовление стержней и очисткаготовых отливок. На этих участках литейных цехов в наибольшей степени механизированы и частичноавтоматизированы технологические операции. Особенно эффективно внедрение в Л. п. комплексноймеханизации и автоматизации. Перспективными являются автоматические линии формовки, сборки изаливки форм сплавом с охлаждением отливок и их выбивкой. Например, на линии системы Бюрер —Фишер (Швейцария) (рис. 3) изготовление форм, заливка их сплавом и выбивка отливок из формавтоматизированы. Успешно работает установка для автоматической заливки форм сплавом нанепрерывно движущемся конвейере (рис. 4). Масса жидкого сплава для заполнения форм контролируетсяэлектронным аппаратом, учитывающим металлоёмкость определённой формы. Установка снабженаавтоматической смесеприготовительной системой, контроль качества формовочной смеси ирегулирование смесеприготовления осуществляются автоматическим устройством (системы«Молдабилити-контроллер», Швейцария).

Для финишных операций (очистки и зачистки отливок) применяют проходные барабанынепрерывного действия с дробемётными аппаратами. Крупные отливки очищают в камерах непрерывногодействия, вдоль которых отливки передвигаются на замкнутом транспортёре. Созданы автоматическиеочистные камеры для отливок, имеющих сложные полости. Например, фирмой «Омко-Нангборн» (США —Япония) разработана камера типа «Робот». Каждая такая камера представляет собой независимыймеханизм для транспортировки отливок, который работает автоматически, выполняя команды,поступающие от так называемых модулей управления, расставленных на монорельсовой транспортнойсистеме. В зоне очистки по заранее заданной программе с оптимальной скоростью вращается подвеска,на которую автоматически навешивается отливка. Двери камеры открываются и закрываютсяавтоматически.

При массовом производстве предварительная (черновая) зачистка отливок (обдирка) осуществляетсяв литейных цехах. Во время этой операции также подготавливаются базы для механической обработкиотливок на автоматических линиях в механических цехах. Заключительные операции могут производитьсяи на автоматических линиях. На рис. 5 показана автоматическая линия японской фирмы «Норитакэ» длязачистки блоков цилиндров автомобиля. Такая линия позволяет обработать 120 блоков за 1 ч.

Возможности механизации и автоматизации Л. п. особенно возросли после разработкипринципиально новых технологических процессов литья, например изготовление оболочковых форм, илиКронинг-процесс (40-е гг., ФРГ), изготовление стержней отверждением в холодных стержневых ящиках (50-е гг., Великобритания), изготовление стержней с отверждением их в горячих стержневых ящиках (60-е гг.,Франция). Еще в 40-е гг. в промышленности начали применять метод изготовления отливок высокойточности по выплавляемым моделям. За относительно короткий срок все технологические операциипроцесса были механизированы. В СССР создано комплексно-автоматизированное производство литья повыплавляемым моделям с выпуском 2500 т мелких отливок в год (рис. 6).

Лит.: Нехендзи Ю. А., Стальное литье, М., 1948; Гиршович Н. Г., Чугунное литье, Л. — М., 1949;Фанталов Л. И., Основы проектирования литейных цехов, М., 1953; Рубцов Н. Н., Специальные виды литья,М., 1955; его же, История литейного производства в СССР, 2 изд., ч. 1, М., 1962; Аксенов П. Н., Технологиялитейного производства, М., 1957; его же, Оборудование литейных цехов, М., 1968.

Д. П. Иванов, В. Н. Иванов.