ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОГО ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Кокарева В.В., Малыхина О.Н., Смелов В.Г.

(Самарский государственный аэрокосмический университет имени С.П. Королева, (национальный исследовательский университет), г.Самара, РФ)

Реализация крупных проектов в области машиностроения и литейного производства может быть осуществлена различными способами и в разных масштабах. Возможно формирование государственной программы развития, изложенной, например, в Концепции формирования государственной комплексной программы развития машиностроения России. Эту программу подготовил Российский союз машиностроителей под руководством Председателя Союза С.В. Чемезова (руководитель корпорации «Ростехнологии»). Для литейщиков трудно создать единую программу, поскольку литейное производство обеспечивает разные отрасли машиностроения, и везде необходима разная номенклатура продукции, а значит, различные технологии и оборудование, имеются свои требования и особенности. Поэтому для литейного производства целесообразны программы и проекты применительно к отдельным отраслям машиностроения.

Некоммерческое партнерство «Союз литейщиков Санкт-Петербурга» разработало и планирует реализовать проект создания современного литейно-механического комплекса применительно к локализации производства компонентов для работающих в России сборочных заводов зарубежных марок автомобилей, заводов электробытовой техники, а также для поставки комплектующих на российские заводы автомобильной, тракторной, электробытовой техники и на европейский рынок.

Комплексный подход к созданию подобного производства заключается в следующем.

Современное литейно-механическое производство создается в рамках реализации проекта под названием «Многофункциональный технопарк с литейно-механическим производством для локализации изготовления и поставки комплектующих изделий для машиностроения (автомобилестроения и электробытовой техники) и учебным центром».

Цели данного проекта:

– разработать и осуществить индивидуальный план развития литейно-механических предприятий, создания конкурентоспособных производств литейной продукции для отечественного и зарубежного рынка: от модернизации системы организации и управления, логистики, продаж и качества, до фактической модернизации производства и обучения кадров;

– создать многофункциональный технопарк на основе действующего предприятия для предоставления всех сопутствующих услуг литейно-механическим заводам (лаборатория, испытания, сертификация, сервисная служба), обеспечения их специализации, доведения до реализации отечественных разработок ученых, технологов и конструкторов.

В рамках нашего проекта, полностью соответствующего целям программы модернизации литейного производства России, планируется р ешить проблему повышения эффек­тивности многономенклатурного уникального и мелкосерийного производства с помощью создания технологического комплекса современными методами организации и управления в совокупности с соответствующим оборудованием, которое сможет обеспечить полную обработку заданных изделий при повышенной производительности труда и приближении к автоматизации технологии. В данном случае речь идет об организации таких производственных комплексов, которые обладают высокотехнологичными средствами компьютерного моделирования, быстрого прототипирования и технологий прямого про­изводства изделий наукоемкого машиностроения.

Учитывая необходимость максимизации экономического эффекта от внедрения технологий быстрого прототипирования и прямого производства, в структуре данных комплексов должны быть созданы несколько лабораторий, отвечающих за освоение и применение следующих взаимосвязанных технологий и направлений: «Разработка и ведение проектов», «Конструкторско-технологическая подготовка производства», «Быстрое прототипирование и прямое производство», «Центр принятия решений», «Производство на базе оборудования с ЧПУ».

Рисунок 1 –Схема работы комплекса

Технологии прототипирования и технологии прямого безинструментального производства на передовых западных предприятиях уже несколько десятилетий являются обязательным этапом в процессе разработки и подготовки производства любого нового изделия практически во всех отраслях машиностроения: авиационной промышленности, автомобилестроения, приборостроении, электротехнической промышленности. Они позволяют не только оценить внешний вид разрабатываемого изделия, но и проверить элементы конструкции, ее эргономику, собираемость, провести необходимые испытания, изготовить мастер-модель для последующего литья и многое другое. При использовании этих технологий практически исключается длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов вручную или на станках с ЧПУ. Мировая практика использования этих технологий доказывает, что прототипирование изделий на стадии проектирования позволяет в 2 – 4 раза сократить сроки разработки и технической подготовки производства новой продукции.

Рисунок 2 – Структура интегрированных технологий

В экспериментах NASA сделан вывод, что полимерные модели, изготовленные с помощью технологии лазерной стереолитографии, можно испытывать в аэродинамической трубе при высоких скоростях, вплоть до сверхзвуковых. Экономический анализ, проведенный в ЦАГИ, показал, что аэродинамические модели, получаемые стереолитографией, по сравнению с типовой моделью позволяют снизить трудоемкость до 20-60%, стоимость на 25-75%, а время изготовления на 2-5 месяцев. При этом точность модели находится в пределах 100 мкм, шероховатость Ra = 2-5 мкм. То есть, 3D изготовление деталей/прототипов при концептуальном моделировании может широко применяться на начальных этапах разработки аэрокосмической техники, двигателей, автомобилей, поездов и других сложных, наукоемких машин.

Интегрированные технологии базируются на органическом сочетании последних достижений в различных областях науки, техники, технологий, информатики, материаловедения и др., использование которого обеспечивает быстрое получение нового продукта с принципиально иным уровнем функциональных, эстетических и экологических свойств, гарантирующим ему высокую конкурентоспособность на рынке.

Таким образом, целью современного развивающего производства, в частности, литейного производства, является создание комплекса коллективного доступа к высокотехнологичным средствам компьютерного моделирования, быстрого прототипирования и технологий прямого безинструментального производства изделий наукоемкого машиностроения при использовании передовых технологий и инновационного оборудования «умного производства» наукоемкого машиностроения.

Текущие и перспективные результаты от использования представленных интегрированных инженерных технологий позволят:

· Повысить качество и конкурентоспособность изделий благодаря возможности производства функциональных прототипов на самых ранних стадиях разработки, анализа изделия с точки зрения потребителя, функциональности, ремонто­пригодности и т.п.

· Сократить длительность цикла разработки и производства изделий благодаря применению инновационных технологий в подготовке производства безинструментальное изготовление (выращивание) оснастки, внедрению новых литейных технологий на основе систем быстрого прототипирования.

· Осуществить техническое совершенствование производимой продукции благодаря уменьшению или полному исключению технологических ограничений на сложность, точность и качество производимых изделий или его компонентов.

Комплекс мероприятий по интегрированию современных технологий, описанный выше, мы реализовали на базе лаборатории аддитивных технологий СГАУ имени академика С.П. Королева. В рамках деятельности лаборатории прототипирования решаются следующие задачи:

• проектирование конструкторской документации;
• проектирование и корректировка 3D-моделей изделий по готовым чертежам;
• перевод конструкторской документации в электронную форму 2D-чертежей и3D-моделей;
• изготовление полимерных прототипов изделий;
• создание силиконовых литьевых форм;
• быстрое производство образцов изделий;
• изготовление малых партий изделий (литье в силиконовые формы);
• проектирование и изготовление пресс-форм;
• анализ проливаемости пресс-форм и материаловедение;
• изготовление прототипов и малых партий деталей на оборудовании с ЧПУ;
• измерение и контроль полученных прототипов.

В частности нами было сделано следующее:

Разработана методика проектирования ТП изготовления силиконовых форм с использованием различных методов формирования поверхностей разъема;

Выполнено вакуумное литье в эластичные формы, получены опытные образцы и партии деталей из пластмасс, выплавляемые восковые модели без применения традиционной технологической оснастки;

Произведена расплавка и заливка металла в индукционной печи в вакууме;

Методом быстрого прототипирования получены опытные детали камеры сгорания газотурбинного двигателя, в СА D /С AM системе NX построены модели деталей и в С AE системе ProCast смоделирован процесс заливки металла в керамическую форму.

Рисунок 3 – Элементы интегрированного производства

§ 5. Пути повышения качества отливок

Повышение качества отливок обеспечивается проведением в литейном цехе целого комплекса организационных и технических мероприятий.

Важное значение для улучшения качества выпускаемых отливок имеет состав формовочной смеси. Обеспечение участка качественными исходными материалами, подача оборотной смеси в смесители в охлажденном состоянии, качественная сепарация и просеивание отработанной смеси, точное дозирование компонентов, в частности связующего, благоприятно влияют на улучшение качества отливок. Большое значение имеет хорошо налаженный регулярный контроль свойств формовочных материалов в лаборатории цеха и в первую очередь контроль прочности и газопроницаемости.

Качество отливок зависит и от состояния технологической оснастки. Деревянные модельные комплекты покоробленные, с трещинами не способствуют достижению размерной точности. Коробление опок при изготовлении форм, особенно крупных, недопустимо, это приводит к перераспределению нагрузок в плоскости разъема, смятию формы, а также утечке металла из нее.

Уплотнение формы необходимо проводить строго в соответствии с технической инструкцией. При изготовлении крупных форм целесообразно применять холоднотвердеющие и жидкоподвижные смеси, не требующие уплотнения. Малая шероховатость поверхностей отливок обеспечивается использованием противопригарных покрытий форм.

Большое значение для получения качественных отливок имеет непрерывное повышение квалификации формовщиков бригады на различных курсах.

Важно иметь в цехе четко налаженный контроль выполнения всех операций по изготовлению литейных форм, правильно выполнять указания технологических инструкций, улучшать санитарно-гигиенические условия работы.

Внедрение новейших достижений науки и техники, повышение культуры производства в литейном цехе служат непременным условием выпуска качественной продукции.

Контрольные вопросы

1. Назовите особенности формирования отливок.

2. Расскажите о методах контроля качества форм, стержней, применяемых в литейном производстве.

3. Перечислите дефекты отливок, возникающие при ручной формовке.

4. Назовите мероприятия, способствующие повышению качества отливок.

Теория и практика технологии литейного производства на современном этапе позволяет получать изделия с высокими эксплуатационными свойствами. Отливки надежно работают в реактивных двигателях, атомных энергетических установках и других машинах ответственного назначения. Они используются в изготовлении строительных конструкций, металлургических агрегатов, морских судов, деталей бытового оборудования, художественных и ювелирных изделий.

Современное состояние литейного производства определяется совершенствованием традиционных и появлением новых способов литья, непрерывно повышающимся уровнем механизации и автоматизации технологических процессов, специализацией и централизацией производства, созданием научных основ проектирования литейных машин и механизмов.

Важнейшим направлением повышения эффективности является улучшение качества, надежности, точности и шероховатости отливок с максимальным приближением их к форме готовых изделий путем внедрения новых технологических процессов и улучшения качества литейных сплавов, устранение вредного воздействия на окружающую среду и улучшения условий труда.

Литье является наиболее распространенным методом формообразования.

Преимуществами литья являются изготовление заготовок с наибольшими коэффициентами использования металла и весовой точности, изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы, получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием (магниты).

Литейные сплавы

Требования к материалам, используемым для получения отливок:

Состав материалов должен обеспечивать получение в отливке заданных физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации отливки.

Материалы должны обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов, герметичностью), хорошо свариваться, легко обрабатываться режущим инструментом. Они не должны быть токсичными и вредными для производства. Необходимо, чтобы они обеспечивали технологичность в условиях производства и были экономичными.

Литейные свойства сплавов

Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию.

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

При высокой жидкотекучести сплавы заполняют все элементы литейной формы.

Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т.д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в интервале температур (твердые растворы). Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. Так же влияет химический состав сплава (с увеличением содержания серы, кислорода, хрома жидкотекучесть снижается; с увеличением содержания фосфора, кремния, алюминия, углерода жидкотекучесть увеличивается).

Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки.

Различают объемную и линейную усадку.

В результате объемной усадки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивных частях отливки.

Для предупреждения образования усадочных раковин устанавливают прибыли – дополнительные резервуары с расплавленным металлом, а также наружные или внутренние холодильники.

Линейная усадка определяет размерную точность полученных отливок, поэтому она учитывается при разработке технологии литья и изготовления модельной оснастки.

Линейная усадка составляет: для серого чугуна – 0,8…1,3 %; для углеродистых сталей – 2…2,4 %; для алюминиевых сплавов – 0,9…1,45 %; для медных сплавов – 1,4…2,3 %.

Газопоглощение – способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава увеличивается незначительно; возрастает при плавлении; резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры.

Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы.

Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация образуется в процессе затвердевания отливки, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод.

Различают ликвацию з ональную, когда различные части отливки имеют различный химический состав, и дендритную, Когда химическая неоднородность наблюдается в каждом зерне.

КОНФЕРЕНЦИИ СЕМИНАРЫ ВЫСТАВКИ 121

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Научно-практический семинар «СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА» состоялся 7-10 октября 2008 г. в рамках XII Международного форума «Российский промышленник».

Форум объединил промышленников и предпринимателей из многих регионов России, а также представителей государств дальнего и ближнего зарубежья. С каждым годом этот семинар становится все более представительным, а его программа дополняется наиболее актуальными темами и направлениями, соответствующими требованиям и запросам сегодняшнего дня. Проведение форума является одним из важнейших событий в календаре деловой жизни Санкт-Петербурга и всей России.

В 2008 г. в повестку дня форума было включено обсуждение важнейших вопросов, связанных с внедрением инновационных технологий, развитием малого предпринимательства. В обращении Губернатора Санкт-Петербурга В.И.Матвиенко к участникам и гостям Международного форума «Российский промышленник» было отмечено, что его тематика полностью отвечает интересам города (мегаполиса), задачам его промышленной политики, нацеленной на освоение новых видов продукции, создание наукоемкой, конкурентоспособной продукции мирового уровня.

Важным событием, включенным в программу мероприятия, являлось проведение научно-практического семинара «Совершенствование технологии и повышение эффективности литейного производства», который проходил под научным руководством проф., д-ра техн. наук Ткаченко Станислава Степановича - Президента Ассоциации литейщиков Санкт-Петербурга.

В работе семинара приняли участие специалисты в области литейного дела и металлургии: ФГУТТ «ПО «Октябрь», ОАО «Роствертол», ОАО «НПК «Урал-вагонзавод», ЗАО «Казанский Гипронииавиапром», ЗАО «Технология-М», ОАО «БиКЗ», ОАО «ГПНИИ-5», ОАО «АК ОЗНА», ООО «Полигон», «КомМод», «Эскалада», «Ронтал-Импекс», «СевЗапЭнерго», ЦНИИМ, а также Государственный политехнический институт (технический университет), кафедра «Автоматизации технологических процессов и производств» Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) и др.

Ряд докладов на семинаре вызвал особый интерес участников: «Новые материалы и технологии литейного производства (Г.А.Косников, ГПТУ), «Компьютерный анализ литейной технологии - проблемы и перспективы» (В.М.Голод, ГПТУ), «Литейные алюминиевые сплавы и технологии получения из них качественных отливок» (А.А.Абрамов, ЦНИИМ),

«Комплексные модификаторы для стального литья» (Н.В.Терновый, «КомМод»), «Система компьютерного моделирования «Полигон» (Е.А.Ишханов), «Современные технологии чугунного литья» (С.С.Ткаченко, ГПТУ), «Опыт предприятия по совершенствованию технологии литья под давлением» (С.Л.Самойлов, «Эскалада»), «Новые литейные стали и технологии получения из них качественных отливок» (Г.А.Шемонаева, ЦНИИМ), «Современные технологии титанового литья» (А.М.Подпалкин, ЦНИИМ), «Компьютерный анализ модельно-литейной технологии и применение экзотермических материалов для повышения качества отливок» (Д.А.Луковников, «Ронтал-Импекс»), «Технологии литья с использованием вакуум-пленочной формовки» (В.Д.Рябинкин, ЦНИИМ), «Опыт работы по изготовлению модельной оснастки» (Т.Н.Гаврилова, «СевЗапЭнерго»), «Возможности применения современных твердомеров металлов и вихретоковых дефектоскопов» (М.Ю.Коротеев, «Константа») и др.

9 октября состоялось выездное заседание на Завод арматуры контактной сети, на котором были обсуждены проблемы «Производство литья по выплавляемым моделям» и «Производство литья по газифицируемым моделям» (А.А.Лисовой).

В заключительный день работы семинара 10 октября состоялся обмен опытом по рассматриваемым проблемам литейного производства и обсуждение выступлений участников семинара.

В решении семинара было отмечено, что основной заготовительной базой машиностроения является литейное производство, развитие которого зависит от уровня машиностроительного комплекса в целом. В машиностроительный комплекс России входит около 7500 предприятий. Доля машиностроения в общем промышленном выпуске - около 20%, в том числе на долю станкостроения и приборостроения приходится 2,5%.

В настоящее время в России насчитывается около 1650 литейных предприятий, которые, по экспертной оценке, произвели в 2006 г. 7,68 млн т отливок, в том числе из чугуна - 5,28 млн т, из стали - 1,3 млн т, из цветных сплавов - 1,1 млн т.

В 1980 г. в СССР объем производства отливок из сплавов черных и цветных металлов составил 25,8 млн т. В это время в структуре Минстанкопро-ма находилось 238 литейных цехов и 12 центроли-тов, которые производили 1,35 млн т отливок и име- ё ли технический потенциал (мощность) более 2 млн т. ^ Литейное производство Минстанкопрома считалось ^ флагманом СССР по выпуску чугунного литья, осо- бенно крупного. В этот период в литейных цехах вне- | дрялись передовые технологические процессы плавки, 5 формообразования, финишных операций. В литейном г

122 КОНФЕРЕНЦИИ CЕМИНАРЫ ВЫСТАВКИ

производстве работало около десятка НИИ, имевших всесоюзное значение. Минстанкопромом было изготовлено 70 тыс. металлорежущих и 20 тыс. кузнечно-прессовых машин.

Объемы производства литых заготовок находятся в пропорциональной зависимости от объемов производства машиностроительной продукции, так как доля литых деталей в автомобилях, тракторах, комбайнах, танках, самолетах и др. составляет 40-50%, а в металлорежущих станках и кузнечнопрессовом оборудовании доходит до 80% массы и до 25% стоимости изделия.

Резкое снижение, начиная с 1990-х гг., выпуска металлорежущих, деревообрабатывающих станков и кузнечно-прессового оборудования, как и энергетического оборудования для тяжелого машиностроения, судостроения, тракторов, военной техники и др., привело к тому, что выпуск отливок в России сократился с 18,5 млн т в 1991 г. до 4,85 млн т в 2000 г. Специализированные заводы-центролиты для станкостроения общей мощностью около 1 млн т отливок в год, созданные в 1970-е гг., не выдержали конкуренции, лишились заказов и практически прекратили свою деятельность. Литейные цехи, работающие на сохранившихся стан-

костроительных заводах, в 2006 г. изготовили (по экспертной оценке) 190-195 тыс. т отливок для собственного производства и внешних заказчиков.

Сложилось довольно сложная ситуация. Если сейчас появятся заказы на станки, то литейные цехи не смогут изготовить высококачественные, конкурентоспособные отливки, а отливки массой более 30 т не может изготовить ни один из оставшихся литейных цехов. В отрасли почти не осталось высококвалифицированных специалистов-литейщиков, как рабочих, так и ИТР, ликвидировано большинство НИИ.

Необходима срочная реконструкция литейных цехов, которая должна осуществляться на базе новых, экологически чистых технологических процессов и материалов, прогрессивного плавильного, смесе-приготовительного и формообразующего оборудования, обеспечивающих получение высококачественных отливок, отвечающих европейским и мировым стандартам.

С.С.Ткаченко, И.Н.Белоглазов

С.-Петербургский государственный горный институт (технический университет)

HN>UU fcxrnuSiOft ihOuSTl

Официальный представитель компании Aluminco s.a. в России компания ЕврАзМеталл-Центр

Компания ALUMINCO S.A. образована в 1982 г. в Греции. За время своего существования она превратилась в одну из крупнейших компаний в Европе в области алюминиевого производства. Свою продукцию она поставляет в более чем 60 стран мира. Производственные мощности компании позволяют выпускать в год до 7000 т алюминиевого профиля, до 1000 т. алюминиевого литья, до 50000 шт. алюминиевых сэндвич-панелей.

В производственно-технологическую группу входит:

экструдер производительностью 7000 т профилей в год; литейное производство;

покрасочная линия с предварительной анодировкой; линия по производству сэндвич-панелей; гибочная линия;

сборочные цеха;

инструментальная линия по производству матриц; конструкторское бюро; дизайнерская студия.

Качество продукции отмечается сертификатами ISO 9001, QUALICOAT и BUREAU VERITAS. Продукция кампании ALUMINCO S.A.:

7 профильных систем, предназначенных для изготовления окон, дверей, фасадов, офисных перегородок и т.д., в различных сочетаниях, которые могут работать как в жарком, так и в холодном климате, при различных ветровых нагрузках;

дверные алюминиевые сэндвич-панели порядка 1000 различных конфигураций, предназначенных для использования, как для внутренних дверей, так и для наружных;

решетки из алюминиевого литья; ворота и калитки из алюминиевого литья; уличные фонари; уличная и садовая мебель; козырьки над входными дверями; лестничное ограждение;

малые архитектурные формы (колонны, пилоны, карнизы, порты и т.д.).

В 1996 г. впервые в России были использованы элементы декоративного оформления внутренних фасадов при строительстве ТЦ «Охотный ряд» на Манежной площади.

В последующем продукция компании ALUMINCO S.A., была использована при строительстве различных торговых центров, жилых домов, поселков и других объектов городского и социального назначения.

Наш сайт: www.aluminco.ru

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате

ОГОРОДНИКОВА ОЛЬГА МИХАЙЛОВНА - 2011 г.

После изучения условий образования усадочных раковин и пор, методов расчета объема усадочных раковин и прибылей необходимо разобраться с проблемами, возникающими перед технологом при разработке технологии изготовления отливки. Первая из них заключается в том, надо ли в каждом конкретном случае прибегать к установке прибыли.

Вопрос о целесообразности установки прибылей на первый взгляд кажется парадоксальным: известно, что в любой отливке, если ее не подпитывать из прибыли, обязательно появятся усадочные раковины или усадочные поры. Но и при установке прибылей не всегда возможно устранить эти дефекты в отливках. В тонкостенных отливках характер затвердевания металла обычно приближается к объемному, особенно в осевых слоях стенок, и там образуется усадочная пористость даже при наличии прибылей. При невозможности обеспечить направленное затвердевание, что также обычно наблюдается в тонкостенных протяженных отливках, избежать образования усадочной пористости опять-таки не удается.

При конструировании тонкостенных отливок очень часто для обеспечения эксплуатационной надежности достаточно принять толщину стенки равной 3...5 мм, а принимается толщина в 6...12 мм с целью облегчения процесса изготовления отливки, для выравнивания толщин стенок, для придания отливке более красивого вида и т.п. В этих случаях наличие в осевой зоне стенки отливки усадочной пористости не снижает ее эксплуатационной надежности, а грубые концентрированные раковины из-за малой толщины отливки образоваться не могут. Очевидно, что при таком положении прибегать к установке на отливку прибыли нецелесообразно.

На практике часто не ставят прибыли, если толщина стенки отливки не превышает 10...12 мм, для более крупных и протяженных отливок - 30...40 мм. В то же время в особенно ответственных слу-

Рис. 8.17.

чаях, при работе детали под давлением газа или жидкости и при малом запасе прочности изделия, на все отливки прибыли ставить необходимо.

Вторая проблема, возникающая при конструировании прибылей, заключается в необходимости обеспечить надежное питание отливки с одновременным уменьшением расхода расплава на собственно прибыли. Для решения этой проблемы рассмотрим основные способы повышения эффективности работы прибылей.

Известно, что расход металла на прибыли в случае получения фасонных отливок составляет от 50 до 100 % (а иногда и выше) от массы литой заготовки. В то же время объем усадочной раковины, для ликвидации которой прибыли предназначены, не превосходит 3...5 %. Остальной металл требуется для поддержания источника питания в виде бассейна жидкого металла до конца затвердевания отливки.

Прежде всего отметим, что наиболее неэкономичны прибыли сплошные, т. е. установленные на всю поверхность отливки, и более целесообразны прибыли местные, т.е. установленные лишь на некоторых участках поверхности отливки. Это положение хорошо иллюстрируется на примере отливки бруса, показанной на рис. 8.17.

На сплошную прибыль, равную высоте отливки бруса, расходуется более 50 % от всего залитого в форму металла, и все же усадочная раковина полностью не выводится из тела отливки. Кроме того, сплошная прибыль резко замедляет затвердевание всей отливки, что приводит к ухудшению свойств металла из-за получения более грубого зерна. Если же на отливку установить местную прибыль, то затвердевание отливки будет происходить почти с той же скоростью, как и без прибыли. Это приведет к получению более высоких механических свойств металла и позволит устранить усадочную раковину в отливке при расходе расплава на прибыль всего в 30...40 % от залитого в форму.

Местные прибыли тем экономичнее и эффективнее, чем меньше расходуется на них металла и чем меньшую площадь отливки они перекрывают, поэтому к числу наиболее эффективных следует отнести обогреваемые прибыли. В таких прибылях металл не затвердевает и практически весь расходуется на питание отливки.

Для повышения эффективности действия применяют теплоизоляцию и обогрев прибылей путем засыпки зеркала металла теплоизолирующими и экзотермическими порошками и смесями и покрытия боковых стенок теплоизолирующим материалом. Этим предотвращаются тепловые потери за счет излучения с открытой поверхности прибыли и теплоотвода через боковые стенки в форму.

Значительного снижения тепловых потерь прибыли можно достичь уже простой засыпкой зеркала жидкого металла в прибыли теплоизолирующей смесью (зола, сухой песок, шлак, перлит, вермикулит и др.). Если одновременно изолированы боковая поверхность и зеркало металла в прибыли, то время ее затвердевания значительно увеличится и для различных литейных сплавов становится примерно одинаковым. Для тепловой изоляции стенок прибылей применяются различные материалы (шамот, трепел, древесный уголь), которые имеют низкую теплоаккумулирующую способность (Ьф).

На рис. 8.18 сопоставлены теплоизолирующие эффекты от применения облицовок из различных формовочных материалов: область 1 соответствует теплоизолирующему кирпичу; 2 - огнеупорам на основе А1 2 0 3 ; 3 - кварцевому песку; 4 - обожженному кирпичу; 5 - CrMg-кирпичу; 6 - магнезитовому кирпичу; 7 - графитовым плиткам.

При правильном применении теплоизолирующих облицовок существенно изменяются размер и количество прибылей, например, изменение технологии изготовления отливки стального маховика при применении облицовочных кирпичей на рис. 8.19 (показаны принципы обеих технологий). Интересно, что при правильном

Рис. 8.18. Эффективность действия различных теплоизолирующих материалов на процесс затвердевания отливок из углеродистой стали (т 3 - отношение продолжительности затвердевания металла при использовании материалов 1 -7 и продолжительности затвердевания в сухой форме)

применении изолирующей облицовки диска можно относительно массивный обод маховика отливать без прибылей, лишь с применением наружного охлаждения его нижней поверхности.

Экзотермический материал выделяет тепло в результате протекающей химической реакции, обычно окисления алюминия, по уравнению

Экзотермическая смесь в течение определенного времени выделяет в прибыль теплоту, в результате чего существенно замедляется ее затвердевание. В идеальном случае, когда выделяемая теплота (в течение определенного времени, пока затвердевает отливка) поддерживает в прибыли металл в жидком состоянии, можно предполагать, что коэффициент затвердевания прибыли в начале процесса стремится к нулю (7с зг,->0), в результате время затвердевания прибыли (т 3 п) существенно превышает время затвердевания отливки (т 0ТЛ). Тогда справедливо:

В приведенном случае объем прибыли можно было бы выбрать только с учетом объемной усадки отливки. В действительности же часть теплоты теряется, поэтому и в этих случаях необходимо определять размеры прибыли в зависимости от величины отливки.

Экзотермическая смесь начнет реагировать лишь после контакта с жидким металлом и передачи ей из прибыли определенного количества инициирующего тепла. Поэтому экзотермический обогрев применяют для прибылей, имеющих достаточное теплосодержание, а именно, диаметр не менее 80 мм. Обычно отношение высоты к диаметру прибылей с экзотермической облицовкой составляет 1:1,5.

Экспериментально установлено, что для стальных отливок достаточна величина прибыли, равная примерно 25% массы отливки. Для прибылей различного диаметра опытным путем была также определена толщина слоя экзотермической облицовки, обеспечивающая достаточное количество теплоты, передаваемой в прибыли. Например, для прибыли 0100 мм толщина облицовки

Рис. 8.19.

1 - выпор; 2 - теплоизолирующие обкладки; 3 - обычные прибыли; 4 - холодильник

Рис. 8.20.

1 - экзотермические стаканы; 2 - форма; 3 - прибыли

составляет 15 мм, для 0300 мм - 30 мм, для 0500 мм - 50 мм. Применяют и вкладыши, устанавливаемые под прибылью.

Установлено, что применение экзотермических стаканов, охватывающих прибыли, позволяет значительно уменьшить величину прибылей и благодаря этому сократить расход металла, что экономически выгодно, особенно для крупных отливок. Преимуществом этого метода изготовления отливок является также возможность удобного применения прибылей для низко расположенных тепловых узлов отливки, как показано на рис. 8.20, и регулирования скорости затвердевания локальных тепловых узлов конструктивно сложных отливок (рис. 8.21).

Обогревать прибыль можно электрической дугой или, как предлагают Г.С. Белоус и Д.А. Дудко, сделать прибыль в виде электро- шлаковой ванны и подавать горячий металл в отливку, постепенно расплавляя электрод, или поддерживая шлаковую ванну с помощью нерасходуемого (графитового) электрода.

Объем собственно прибыли (остатка металла в ней) в этих случаях можно принимать равным 3...3,5 % от объема отливки. Так как прибыли с электрическим или электрошлаковым обогревом и подпиткой неудобны в конвейерном производстве, рекомендуют обычно только для крупных отливок, заливаемых в стационарно расположенных опоках или в кессонах. Экономичность этих прибылей должна быть проверена по разности стоимости затраченной электроэнергии и электродов и стоимости экономящегося жидкого расплава и труда на удаление прибыли.

Рис. 8.21.

1 - экзотермическая смесь; 2 - подприбыльные вкладыши

В литейных цехах наибольшее распространение имеют прибыли необогреваемые, в которых одна часть расплава затвердевает на стенках полости прибыли, и другая часть его расходуется на питание отливки. Необогреваемые прибыли по конструктивным признакам можно подразделить на следующие группы:

• прибыли открытые прямые или боковые, обычные или легко- отделяемые;
• прибыли закрытые прямые или боковые, обычные или легко- отделяемые, с атмосферным или сверхатмосферным (воздушным или газовым) давлением.

Полости открытых прибылей выходят на поверхность формы. Это имеет свои преимущества и недостатки. Основным недостатком является быстрое охлаждение поверхности расплава из-за лучеиспускания в атмосферу. Для уменьшения скорости затвердевания открытых прибылей их часто после заливки формы засыпают термитной смесью (лункеритом) или сухим древесным углем. Второй недостаток - необходимость отхода от оптимальной конфигурации прибыли из-за извлечения модели прибыли из стенки формы вверх. Преимущества открытых прибылей в том, что их можно пополнять горячим расплавом непосредственно из заливочного ковша, можно при затвердевании отливки подкачивать расплав с помощью металлических или деревянных шомполов, погружаемых и поднимаемых внутри прибыли, можно применить электрообогрев металла в прибыли.

Полости закрытых прибылей помещают целиком внутри стенки формы, и металл в них затвердевает только за счет теплоотвода через стенку формы. Закрытые прибыли делают такой конфигурации, которая при наибольшей металлоемкости обладает наименьшей поверхностью охлаждения, что позволяет сокращать расход металла на прибыли. Однако формовка таких прибылей обычно более сложна, чем формовка открытых прибылей.

Как отмечалось ранее, прибыли могут выполняться прямыми, устанавливаемыми сверху на питаемый узел отливки, или боковыми, т.е. устанавливаемыми сбоку от питаемого узла отливки.

При выборе формы прямых прибылей полезно учитывать практические результаты, учитывающие соотношения между объемами прибылей разной конфигурации при обеспечении одинакового эффекта их работы. Эти соотношения определяются коэффициентом к, причем объем новой прибыли V H п находят из равенства

где V H п - объем исходной прибыли.

Величина коэффициента к приведена в табл. 8.5.

8.5. Значения коэффициента к формы прибыли

Данные таблицы показывают, что наиболее экономичны закрытые шаровые и полушаровые прибыли, а из открытых - конусная прибыль. Выполнять эти прибыли рекомендуется с соблюдением соотношений, показанных на рис. 8.22.

При применении прямых прибылей можно увеличить их эффективность подводом питателей непосредственно в полость прибыли. Протекающий через полость прибыли расплав разогревает стенки формы; кроме того, металл в прибыли в конце заливки оказывается наиболее горячим и затвердевает медленнее, чем в остальных частях отливки.

Необходимо помнить, что прямые прибыли питают ограниченную часть отливки, которую называют зоной действия прибыли. Последняя определяется толщиной питаемой стенки отливки, условиями затвердевания отливки сбоку от прибыли и условиями подвода расплава к полости формы.

Рис. 8.22.

а - шаровой; б - полушаровой; в - полушаровой срезанной; г - конусной; д - полушаровой вытянутой; е - конусной вытянутой

Анализ схемы (см. рис. 8.16) показывает, что для лучшего использования прибылей необходимо использовать захолаживающее действие торцов отливки, располагая прибыли ближе к средней части питаемой стенки. Кроме того, целесообразно сочетать установку прибылей с установкой между ними наружных холодильников. Для отливок с разной толщиной стенок прибыль целесообразнее всего устанавливать на наиболее массивной части отливки, если это не послужит причиной появления других дефектов, в частности, горячих трещин.

При конструировании прямых прибылей приходится решать вопрос о выборе минимального диаметра прибыли и рациональном способе сочленения прибыли с отливкой. Для решения этого вопроса П.Ф. Василевский рекомендует разделить все отливки на две группы (см. рис. 8.12):

• горизонтально расположенные типа плит, фланцев, дисков;
• вертикально расположенные типа плит, цилиндров, ступиц, зубчатых венцов.

Для первой группы диаметр прибыли всегда будет меньше ширины питаемой отливки, и его приходится поэтому выбирать по толщине отливки. Чтобы усадочная раковина из прибыли не проникла в тело отливки, можно проверить ее действие методом вписанных изотерм, как показано на рис. 8.23.

Проведя такую проверку и подтвердив ее производственными данными, П.Ф. Василевский рекомендует для первой группы отливок принимать диаметр прибыли в зависимости от толщины стенки прибыли по данным, приведенным в табл. 8.2. Сочленение таких прибылей с отливкой осуществляют обычно формовочной галтелью на переходе от отливки к прибыли.

Для второй группы отливок, по данным П.Ф. Василевского, можно использовать сведения из табл. 8.3. Сочленение прибылей с

Рис. 8.23.

Рис. 8.24.

1 - 25; 2 - 50; 3 - 75; 4 -100

отливками осуществляют с использованием технологических напусков, обеспечивающих направленное затвердевание и питание отливки. Выбирать форму напуска лучше всего методом вписанных окружностей, как показано на рис. 8.24. Для очень высоких плит и цилиндров напуск можно выбирать по графику, полученному экспериментально Р.У. Раддлом. Невысокие отливки часто питаются прибылью без напуска.

Боковые прибыли применяют чаще всего тогда, когда более массивные узлы отливки располагаются в нижней или средней части формы и установить над ними прямые прибыли не удается. Боковые прибыли широко используются при машинной формовке сравнительно мелких отливок из стали и ковкого чугуна, так как такую прибыль можно формовать по модели, закрепленной на подмодельной плите. К ней легко подвести питатели литниковой системы и, тем самым, обеспечить наиболее горячий расплав в полости прибыли. Боковые прибыли часто применяют при литье из серого чугуна, потому что их легче отделять от отливок.

При конструировании боковых прибылей необходимо строго следить за тем, чтобы металл не затвердевал в прибыли и в переходе от прибыли к отливке раньше, чем затвердеет металл в отливке.

Рис. 8.25.

Для обеспечения такого направленного затвердевания П.Ф. Василевский рекомендует следующие соотношения размеров боковых прибылей (рис. 8.25):

• диаметр прибыли в зоне сочленения с отливкой от 1,8 до 2,5 толщины питаемого узла отливки Т;
• высота перехода от отливки к прибыли (1,3...1,7)7’;
• ширина перехода от отливки к прибыли (1,2...1,5)7’;
• длина шейки прибыли (ш минимально возможная, d m = = 1,2/ ш + 0,ld np . Длину зоны действия боковой прибыли принимают равной (4...6)Т.

При применении боковых закрытых прибылей, установленных в нижней части отливки, может возникнуть нежелательный эффект обратного питания, когда расплав будет подаваться не из прибыли в отливку, а наоборот, из отливки в прибыль. Это явление наблюдается при недостаточной высоте прибыли и при достаточно массивных стенках отливки выше питаемого узла. В последнем случае боковые прибыли надо применять совместно с холодильниками, чтобы обеспечить направленное затвердевание от питаемого узла отливки к прибыли.

В закрытых прибылях затвердевшая корка металла образует плотный и достаточно прочный сосуд, внутрь которого не проникают воздух и газы из стенки формы. При образовании внутри этого сосуда усадочной раковины создается разрежение, ухудшающее условия подачи и питания расплава из прибыли в отливку. Чтобы устранить вакуум в усадочной раковине, закрытые прибыли выполняют с коническим углублением в верхней части или, при более крупных прибылях, сверху в полость прибыли вставляют стержень из смеси песка с органическим крепителем. Формовочная смесь в коническом углублении быстро нагревается от залитого металла, и затвердевшая корка около нее образуется значительно позже. Усадочная раковина в этом случае соединяется с атмосферой через поры смеси. Стержень, вставленный в закрытую прибыль, также соединяет полость усадочной раковины с атмосферой, кроме того, из стержня при его нагреве начинают выделяться газы, что способствует сохранению в усадочной раковине атмосферного давления. Вот почему такие прибыли называют прибылями с атмосферным давлением.

Для еще большего давления в прибыли можно применять прибыли со сверхатмосферным (газовым) давлением. Они могут быть прямыми и боковыми, но обязательно закрытыми. Для создания сверхатмосферного давления в прибыль вставляют керамический патрон с газообразующим зарядом. Чаще всего в качестве заряда используют мел, который при нагреве до 750...800 °С разлагается с выделением углекислого газа. Выделение газа должно начинаться тогда, когда на поверхности прибыли и всей отливки образуется плотная корка затвердевшего металла, а в литниковой системе металл затвердеет полностью. Выделяющийся из керамического патрона газ создает в полости усадочной раковины избыточное давление, и питание отливки значительно улучшается. Давление облегчает борьбу не только с концентрированными усадочными раковинами, но и с усадочной пористостью в отливках. Период выделения газа регулируется подбором толщины керамического патрона. Чтобы патрон прогревался жидким расплавом в течение всего периода питания отливки из прибыли, его устанавливают так, чтобы он не попал в область образования усадочной раковины, т.е. ставят в нижней части прибыли. Следует иметь в виду, что прибыли со сверхатмосферным давлением требуют очень четкого соблюдения предусмотренного расчетом режима заливки и затвердевания отливки. В противном случае выделение газа либо запоздает и намеченный эффект не будет достигнут, либо расплав будет

Рис. 8.26.

выброшен из формы, а отливка окажется пустой, если выделение газа начнется ранее предусмотренного времени.

Конструкции закрытых прибылей с атмосферным и сверхатмосферным давлением показаны на рис. 8.26.

Все прибыли после получения отливки приходится удалять. Стремление литейщиков облегчить процесс их удаления привело к созданию конструкций легкоотделяемых прибылей. Для чугунного литья, чтобы получить легкоотделяемую прибыль, часто достаточно сделать ее с небольшим пережимом в основании. Такой пережим позволяет отбивать прибыль молотком или специальным бойком без разрушения самой отливки. Для сталей и других вязких сплавов в основании прибыли приходится делать глубокий тонкий надрез с помощью специального разделительного стержня. Чем меньше стержень, тем меньше его влияние на режим питания отливки прибылью и тем меньше можно сделать питающее отверстие в этом стержне для передачи расплава из прибыли в отливку, тем легче отделяется прибыль. Минимальная толщина стержня лимитируется технологическими возможностями его изготовления, прочностью стержня, жесткостью (отсутствием коробления при нагреве) и способностью отводить газы, образующиеся в материале стержня при нагревании от залитого расплава. Вот почему для малых прибы-

Рис. 8.27.

1 - прибыль; 2 - разделительный стержень; 3 - питающее отверстие; 4 - отливка

лей рекомендуется стержень выполнять из тонкой металлической пластины, покрытой с обеих сторон толстым слоем формовочной краски и хорошо просушенной перед употреблением. Для более крупных прибылей чаще всего используют стержни из шамотной смеси с прокалкой перед употреблением. Конструкции легкоотделяемых прибылей при этом приобретают вид, показанный на рис. 8.27.

Устранение усадочных пустот может быть достигнуто также прессованием затвердевающей отливки поршнем. Поршень может иметь конфигурацию, соответствующую верхней фасонной поверхности отливки. В таком виде процесс называется кристаллизацией под давлением (в отличие от литья под давлением, когда последнее действует только при заполнении формы металлом).

В условиях поршневого прессования усадка металла компенсируется непрерывной деформацией затвердевающей части отливки; усадочная раковина не образуется и прибыль не нужна.

На работу прибыли и формирование усадочной раковины оказывает влияние вибрация. Под ее воздействием область усадочной раковины приобретает форму блюдечка, ее глубина уменьшается и размер прибыли, в принципе, может быть уменьшен.

На эффективность работы прибыли оказывает влияние способ заливки форм и режим разливки металла.

При сифонном заполнении форм устанавливается неблагоприятный температурный градиент по высоте, что приводит к вытягиванию усадочной раковины. В этом случае сечение и высоту прибыли необходимо увеличить. Таким образом, заливка сверху повышает выход годного.

Можно значительно уменьшить размеры прибылей, если применить заливку сверху с уменьшенной скоростью наполнения. При медленном наполнении поступающий жидкий металл уже во время заливки компенсирует начавшуюся в отливке усадку.

Кроме малой скорости заполнения необходима «подпитка» прибыли отливок (подкачка). К концу заполнения формы на несколько секунд закрывают стаканчик стопором, прекращают подачу стали из ковша. Затем в прибыль вновь добавляют некоторое количество жидкого металла. Делается это через литниковую систему, происходит как бы подкачка металла в прибыль. Добавленный металл идет на заполнение того сокращенного объема, который уже образовался в отливке. Благодаря этому уменьшается объем усадочной раковины и прибыли.

Несмотря на значительную эффективность применения, длительная подпитка в практике ограничена. Подпитывают обычно только несколькими перекрытиями стопора во время заполнения прибыли. Длительная подпитка задерживает разливку, создает опасность примерзания пробки к стаканчику ковша.

Для больших отливок, заливаемых с открытыми прибылями, наиболее эффективна для уменьшения их размеров прямая доливка. Через определенное время после заливки в прибыль крупных отливок добавляют новую порцию жидкого металла. Этот метод способствует направленному затвердеванию, сохраняя в прибыли горячий металл более длительное время, и повышает качество металла и технологический выход годного.

Во многих случаях при сифонной заливке в отливках создаются неблагоприятные температурные градиенты. Значительное улучшение температурного градиента может быть достигнуто применением метода частичного или полного поворота формы после заливки металла. При этом повышается металлостатическое давление в прибыли, которое благоприятно действует при затвердевании металла.

Метод поворота или наклона формы эффективен только в тех случаях, когда применяются прямые прибыли (прибыли прямого действия).

Поворотные способы отливки требуют устройства поворотных приспособлений, чтобы после заливки формы могли поворачиваться немедленно.

В последнее время для устранения усадочных дефектов и повышения выхода годного находит применение суспензионная заливка.

Контрольные вопросы

• 1. Что такое прибыль? Назовите необходимые условия для ее эффективной работы.
• 2. Назовите типы прибылей и их назначение.
• 3. Перечислите основные правила выбора места расположения прибылей.
• 4. Опишите методику и основные положения расчета прибылей по методу Б.Б. Гуляева.
• 5. Опишите методику и основные положения расчета прибылей по методу А.А. Рыжикова.
• 6. В чем заключается сущность расчетов прибылей по П.Ф. Василевскому и И. Пржибылу?
• 7. Для чего необходимо знать зону действия прибыли и как ее можно увеличить?
• 8. Назовите основные способы повышения эффективности работы прибылей.