Отливка получается в результате заполнения полости литейной формы расплавленным металлом, (расплавом), охлаждения его в форме и затвердевания. Последовательность технологического процесса изготовления отливки рассмотрим на примере получения чугунной втулки 1 (рис. 1). По чертежу втулки изготовляют деревянную модель 3. Модель — это приспособление для получения в форме отпечатка, соответствующего конфигурации отливки. Залитый в форму расплав при охлаждении и затвердевании уменьшается в объеме. Это явление называют усадкой. В местах, где отливка будет обрабатываться резанием, необходимо иметь припуск на обработку, т.е. слой металла, удаляемый при обработке. Следовательно, для получения отливки с заданными размерами требуется модель больших размеров, чем отливка, на величину усадки и припусков на обработку. Модели изготовляют из дерева, металла, гипса, пластмасс и других материалов.
Модель втулки состоит из двух половин, которые взаимно центрируются с помощью шипов и гнезд.
Отверстие втулки 1 оформляется стержнем 9. Стержень — это часть литейной формы. Его изготовляют из стержневой смеси, уплотняемой в ящике 2. После извлечения из ящика стержень подвергают сушке для придания ему прочности. При сборке литейной формы сухой стержень устанавливают стержневыми знаками в соответствующие гнезда формы, полученные с помощью знаков 4 модели 3. Длина стержня больше длины полости отливки на величину знаков.
Литейную форму для втулки собирают из верхней 6 и нижней 14 полуформ, которые изготовляют из формовочной смеси, уплотняемой в металлических рамках, называемых опоками 7.
Изготовление литейной формы втулки. На плиту 10 устанавливают половину модели 3, по которой необходимо получить отпечаток в нижней полуформе, а также опоку 7 (рис. 1, а). Поверхность модели 3 и плиты 10 посыпают сухим разделительным песком или опрыскивают разделительной жидкостью (керосином), после чего в опоку насыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Излишек формовочной смеси счищают с поверхности полуформы, перевертывают ее на 180° и устанавливают на плиту 10. Затем на нижнюю
половину модели устанавливают верхнюю половину модели, на нижнюю опоку — верхнюю по центрирующим штырям 5 (рис. 1, б). Вновь посыпают поверхность модели разделительным песком, ставят модели литников, засыпают формовочную смесь в верхнюю опоку и уплотняют ее.
Снимают верхнюю полуформу, извлекают половины модели, устанавливают стержень (рис 1, в) и собирают форму. Для точной сборки формы опоки имеют специальные втулки 11, в которые входят центрирующие штыри. При заполнении формы расплав давит на ее стенки, в результате чего верхняя полуформа может подняться, и тогда по плоскости разъема образуется зазор, через который расплав может вытекать из формы. Для предупреждения этого верхнюю полуформу крепят к нижней скобами 13, а иногда ставят на верхнюю опоку груз (рис. 1, г).
При заливке расплав поступает в полость 8 формы по специальным каналам. Систему каналов, подводящих расплав в форму, называют литниковой. Литниковая система состоит из стояка 12 (вертикального канала), шлакоуловителя 15 и питателя 16, через который расплав поступает в форму. К литниковой системе относится также выпор 17 (рис. 1, д) Выпор служит для выхода из формы воздуха, газов и для контроля заполнения формы.
После затвердевания и охлаждения металла форму разрушают, отливку освобождают от формовочной смеси, выбивают стержень, отрезают литники, а поверхность отливки очищают от формовочной смеси.
Описанную выше литейную форму называют разовой, так как ее используют однократно. Разовые литейные формы изготовляют из формовочных смесей, основной составляющей которых является кварцевый песок. В качестве связующей добавки, придающей прочность смеси, используют глину. Прочность таких смесей относительно невысока, а давление расплава на стенки формы достаточно велико, поэтому формы из песчано-глинистых смесей приходится делать толстостенными. Однако, если в качестве связующего использовать материалы, придающие высокую прочность формовочной смеси, то разовую литейную форму можно сделать оболочковой (тонкостенной). Это позволяет резко сократить расход формовочной смеси, а также, благодаря ее особым свойствам, повысить точность и уменьшить шероховатость поверхности отливок.
В разовых толстостенных формах из песчано-глинистых смесей можно получать отливки сложной конфигурации массой от нескольких граммов до десятков тонн из различных сплавов в условиях как единичного, так и серийного и массового производства. Это объясняется относительной простотой технологического процесса, низкой стоимостью используемых материалов, достаточной точностью отливок, хорошей поверхностью, возможностями механизации и автоматизации процесса их изготовления.
В литейном производстве применяют также формы, изготовляемые из высокоогнеупорных масс, например, на основе графита. В них можно получать до нескольких десятков отливок без существенного износа формы. Такие формы называют полупостоянными. Их применяют в мелкосерийном производстве отливок из чугуна, цветных сплавов (алюминиевых, магниевых, медных). Для массового производства стойкость этих форм недостаточная, а для единичного производства высока стоимость их изготовления.
Широкое применение находят кокили — металлические формы, часто называемые постоянными. В этих формах можно получать от нескольких десятков до нескольких тысяч отливок из стали, чугуна и цветных сплавов. Отливки могут быть сложной конфигурации и массой в несколько тонн.
Наиболее часто в металлических формах изготовляют отливки малой и средней (до нескольких десятков килограммов) массы из легких цветных сплавов, чугуна, медных сплавов.
Отливки, полученные в кокилях, имеют чистую поверхность и повышенную точность размеров. Применение кокилей позволяет исключить формовочную смесь, улучшить условия труда, механизировать и автоматизировать производство. Однако стоимость кокилей высокая, поэтому их применяют в крупносерийном и массовом производстве.
Технологический процесс изготовления отливок. В литейном производстве наиболее широко распространено получение отливок в разовых формах. Технологический процесс складывается из различных процессов, выполняемых в специальных цехах или отделениях литейного цеха (рис. 2).
Изготовление отливки начинают с подготовки формовочного комплекта: моделей или модельных плит, стержневых ящиков, опок, сушильных плит, шаблонов для проверки размеров формы и стержней, кондукторов и шаблонов для контроля правильности установки стержней в форме.
Модельный комплект — модели, модельные плиты, стержневые ящики — изготовляют и подготовляют в модельном цехе или модельном отделении литейного цеха. Не менее важным звеном технологической цепи является подготовка материалов для изготовления литейной формы. Формовочными материалами называют материалы, применяемые для изготовления разовых и полупостоянных форм. Это пески, связующие и специальные добавки. Исходные формовочные материалы хранят на складе формовочных материалов в коробах и бункерах. При поступлении этих материалов на склад обязательно проверяют соответствие их качества сертификату. Качество формовочных материалов контролируют в лабораториях.
Формовочные материалы поступают в смесеприготовительное отделение, где в смесителях приготовляют формовочные и стержневые смеси, контролируют их качество и транспортируют в формовочные и стержневые отделения литейного цеха.
Процесс изготовления литейных форм называют формовкой. В литейном производстве применяют ручную, машинную и автотоматическую формовку. Ручную формовку используют в единичном и мелкосерийном производстве; машинную — в серийном и крупносерийном; автоматическую — в крупносерийном и массовом.
Стержни изготовляют в стержневых ящиках или с помощью шаблонов. Готовые стержни сушат в специальных печах (сушилах) для увеличения их прочности, газопроницаемости, уменьшения газотворной способности. Перед установкой в форму стержни покрывают противопригарными покрытиями, состоящими из огнеупорных материалов: графита, пылевидного кварца, циркона обезжелезненного и др., что необходимо для устранения пригара формовочной смеси к поверхности отливки. С этой же целью перед сборкой сырые формы припыливают (графитом, тальком, древесным углем и др.) или окрашивают, а при формовке по-сухому окрашивают противопригарными покрытиями и сушат. Если отливка имеет полость, то в форму перед сборкой устанавливают стержень. Затем форму собирают, скрепляют полуформы скобами или болтами и подают на заливку.
В качестве исходных материалов для получения жидкого чугуна и стали применяют чушковые литейные и передельные чугуны, чугунный и стальной лом, брикетированную стружку, ферросплавы, топливо и флюсы. Эти материалы называют шихтовыми. Их хранят на складе шихты, где также подготовляют исходные материалы к плавке: сортируют, дробят до необходимых размеров, шихтуют — взвешивают отдельные порции различных материалов в соответствии с расчетом для получения заданного химического состава металла. Подготовленную шихту специальными транспортными средствами подают в плавильное отделение для приготовления жидкого металла – плавки металла.
Плавильными печами называют агрегаты, предназначенные для расплавления и перегрева черных и цветных металлов и сплавов заданного химического состава. Для плавки чугуна применяют шахтные печи-вагранки, электропечи и пламенные печи; для плавки стали — электропечи, мартеновские печи; для цветных сплавов — электропечи и пламенные печи.
Расплавленный металл (расплав) должен быть перегрет в печи до определенной температуры, чтобы он хорошо заполнял литейную форму. После расплавления, доводки по химическому составу и перегрева расплав из печи сливают в разливочные ковши и транспортируют на участок заливки форм. Расплав, залитый в форму, отдавая теплоту последней, охлаждается и затвердевает.
После охлаждения отливок формы разрушают (выбивают) и отливки извлекают из них. Выбивку форм выполняют только после остывания отливок до определенной температуры, так как при высоких температурах сплавы недостаточно прочны и отливка может разрушиться. Для выбивки форм служат специальные установки, расположенные в отделении или на участке выбивки.
Отливки имеют литники, выпоры, иногда заусенцы и заливы металла, их поверхность может быть загрязнена пригоревшей формовочной смесью. В отделении очистки и обрубки отливок специальным инструментом отрезают или обрубают литники, выпоры, заусенцы, на дробеструйных и дробеметных установках, в гидравлических, пескогидравлических и очистных барабанах очищают поверхность отливок.
После этого отливки поступают в отдел технического контроля (ОТК). Здесь контролируют отливки: проверяют их размеры и герметичность, наличие внутренних и внешних дефектов (усадочных раковин, газовых раковин, трещин и др.), механические свойства и структуру металла Отливки, имеющие незначительные дефекты, исправляют различными способами: газовой и дуговой сваркой, пропиткой различными смолами, нанесением замазки и др.
Для получения требуемых структуры и механических свойств, снижения внутренних напряжений отливки часто подвергают термической обработке -нагреву и охлаждению по строго заданным режимам (по времени и температуре) в термических печах. Эту операцию выполняют в термическом отделении литейного цеха. После этого отливки вновь подвергают очистке и контролю.
Отливки, принятые ОТК литейного цеха, отправляют на склад, а оттуда на обработку резанием. Некоторые отливки перед отправкой на склад окрашивают, чтобы предотвратить коррозию.
При обработке резанием отливкам придается окончательная геометрическая форма, требуемые точность и шероховатость поверхности, предусмотренные чертежом и техническими условиями на готовую деталь. Это наиболее трудоемкий процесс в машиностроении, так как затраты на обработку резанием составляют 40-60% всех «трат на изготовление машины. Следовательно, необходимо стремиться получать отливки с минимальными припусками на обработку резанием или такими точными и чистыми, чтобы не требовалась обработка резанием.