Специальные технологии литья
Покупка
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 368
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3383-4
Артикул: 167940.02.99
Доступ онлайн
1 900 ₽
В корзину
Приведены основные характеристики и параметры процессов литья по выплавляемым и газифицируемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежного литья, литья выжиманием и др. Описаны основные операции этих технологических процессов и используемое оборудование. Впервые рассмотрены возможности литья в условиях невесомости, использования нанотехнологий в литье и ряд других вопросов. Материалы учебника соответствуют курсу лекций, читаемых авторами в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности "Машины и технологии литейного производства", а также для специалистов литейного производства.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
им. Н.Э. Баумана МГТУ ИЗДАТЕЛЬСТВО
УДК 621.74(075.8)
ББК 34.61я73
Г49
Р е ц е н з е н т ы:
зав. кафедрой «Литейное производство» Московского государственного
индустриального университета, д-р техн. наук, проф. А.Н. Задиранов;
Президент Российской ассоциации литейщиков,
д-р техн. наук, проф. И.А. Дибров
Гини Э. Ч.
Г49
Специальные технологии литья : учебник для вузов / Э. Ч. Гини, А. М. За-
рубин, В. А. Рыбкин. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. –
367, [1] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-3383-4
Приведены основные характеристики и параметры процессов литья по выплавляемым
и газифицируемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежного
литья, литья выжиманием и др. Описаны основные операции этих технологических
процессов и используемое оборудование. Впервые рассмотрены возможности
литья в условиях невесомости, использования нанотехнологий в литье
и ряд других вопросов. Материалы учебника соответствуют курсу лекций, читаемых
авторами в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Машины и технологии
литейного производства», а также для специалистов литейного производства.
УДК 621.74(075.8)
ББК 34.61я73
© Гини Э.Ч., Зарубин А.М.,
Рыбкин В.А., 2010
© Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-3383-4
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010
Оглавление
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .........................................................................................................
6
Введение ...............................................................................................................
7
1. Литье в разовые неразъемные формы .......................................................
11
1.1. Литье по выплавляемым моделям ........................................................
11
1.1.1. Общие сведения ..........................................................................
11
1.1.2. Пресс-форма ................................................................................
17
1.1.3. Технологический процесс получения моделей ........................
22
1.1.4. Изготовление оболочковых форм ..............................................
41
1.1.5. Заливка расплава в формы, выбивка и очистка отливок .........
63
1.1.6. Автоматизация технологического процесса .............................
68
1.1.7. Проектирование технологического процесса ...........................
73
1.1.8. Технология изготовления лопаток газотурбинных
двигателей ....................................................................................
83
1.1.9. Особенности изготовления отливок из титановых сплавов ........
92
1.2. Литье по газифицируемым моделям ....................................................
98
1.2.1. Общие сведения ..........................................................................
98
1.2.2. Модельные материалы ................................................................
100
1.2.3. Изготовление газифицируемых моделей ..................................
100
1.2.4. Изготовление литейных форм ....................................................
106
1.2.5. Заливка литейных форм ..............................................................
109
1.2.6. Механизация и автоматизация процесса ...................................
110
1.2.7. Литье в магнитно-скрепляемые формы ....................................
112
2. Литье в постоянные и полупостоянные разъемные формы ..................
116
2.1. Литье в кокиль ........................................................................................
116
2.1.1. Общие сведения ..........................................................................
116
2.2. Кокиль .....................................................................................................
122
2.2.1. Классификация, элементы и материалы конструкций
кокиля ...........................................................................................
122
2.2.2. Изготовление кокилей, их стойкость и пути ее повышения ........
131
2.3. Технология литья в кокиль ...................................................................
135
2.3.1. Технологические режимы литья. Получение отливок
из различных сплавов ..................................................................
135
2.3.2. Технология литья в облицованные кокили ...............................
155
2.4. Кокильные машины и автоматизация литья в кокиль ........................
157
2.4.1. Типы кокильных машин .............................................................
157
2.4.2. Автоматизация литья ..................................................................
161
2.5. Проектирование технологического процесса ......................................
168
2.5.1. Технологичность конструкции отливки. Конструирование
кокиля. Усилие запирания кокиля .............................................
168
2.5.2. Графитовые формы .....................................................................
178
Оглавление
4
3. Литье с использованием внешних физических воздействий .................
180
3.1. Литье под регулируемым давлением ...................................................
180
3.1.1. Общие сведения ..........................................................................
180
3.1.2. Литье под низким давлением .....................................................
183
3.1.3. Магнитодинамический способ подачи металла в форму ........
193
3.1.4. Литье с противодавлением .........................................................
195
3.1.5. Литье вакуумным всасыванием .................................................
197
3.1.6. Вакуумно-компрессионное литье ..............................................
200
3.1.7. Особенности использования литья под регулируемым
давлением в массовом и в мелкосерийном производстве ..........
201
3.2. Литье под давлением .............................................................................
202
3.2.1. Общие сведения ..........................................................................
202
3.2.2. Технология литья под давлением ..............................................
208
3.2.3. Материалы пресс-форм ..............................................................
225
3.2.4. Конструкция пресс-форм ............................................................
227
3.2.5. Машины для литья под давлением и автоматизация
технологического процесса ........................................................
238
3.2.6. Проектирование технологического процесса ...........................
250
3.3. Центробежное литье ..............................................................................
266
3.3.1. Общие сведения ..........................................................................
266
3.3.2. Технология изготовления отливок ............................................
275
3.3.3. Машины для центробежного литья и автоматизация
технологического процесса ........................................................
283
3.3.4. Изготовление толстостенных отливок для тяжелого
машиностроения ..........................................................................
288
3.3.5. Проектирование технологического процесса ...........................
289
4. Другие специальные технологии литья .....................................................
294
4.1. Непрерывное литье ................................................................................
294
4.1.1. Общие сведения ..........................................................................
294
4.1.2. Технология непрерывного литья и агрегаты для
непрерывного литья ....................................................................
295
4.2. Полунепрерывное литье ........................................................................
299
4.2.1. Технология и установка для полунепрерывного литья ...........
299
4.3. Литье намораживанием .........................................................................
300
4.3.1. Литье непрерывным намораживанием непосредственно
из расплава ....................................................................................
300
4.3.2. Намораживание на валках ..........................................................
302
4.3.3. Литье с последовательным заполнением формы
и с кристаллизацией отливки ......................................................
302
4.4. Менее распространенные способы литья ............................................
303
4.4.1. Жидкая штамповка ......................................................................
303
4.4.2. Литье выжиманием .....................................................................
306
4.4.3. Литье в оболочковые формы ......................................................
308
4.4.4. Изготовление объемных керамических форм
по постоянным моделям ..............................................................
312
4.4.5. Изготовление гипсовых форм ....................................................
314
4.4.6. Особенности технологии литья по выплавляемым моделям
для отливок художественного назначения ................................
315
4.5. Электрошлаковое литье .........................................................................
317
Оглавление 5 5. Направления развития специальных технологий литья ....................... 323 5.1. Поиск новых структур процессов литья .............................................. 323 5.1.1. Общие сведения .......................................................................... 323 5.1.2. Понятие идеальной технологии ................................................. 323 5.1.3. Факторы, обеспечивающие физическое воздействие на производство ........................................................................... 325 5.1.4. Формообразование с использованием метода самораспро- страняющегося высокотемпературного синтеза ....................... 326 5.2. Специальные технологии литья ........................................................... 327 5.2.1. Общие сведения .......................................................................... 327 5.2.2. Литье в многослойные керамические формы ........................... 328 5.3. Литье по моделям из фотополимерных материалов ........................... 329 5.4. Использование условий космического пространства для литья деталей специального назначения ...................................................... 330 5.4.1. Общие сведения .......................................................................... 330 5.4.2. Область применения условий космического пространства .... 331 5.4.3. Требования к отливкам специального назначения ................... 331 5.4.4. Влияние условий невесомости на расплав ................................ 332 5.5. Производство монокристаллов ............................................................. 337 5.5.1. Методы выращивания монокристаллов .................................... 337 5.5.2. Литые композиционные материалы .......................................... 342 5.6. Использование нанотехнологий в процессах литья............................. 343 5.6.1. Общие сведения .......................................................................... 343 5.6.2. Сканирующий туннельный микроскоп и принцип его действия .................................................................................. 344 Приложение .......................................................................................................... 346 Литература ............................................................................................................ 367
ПРЕДИСЛОВИЕ В книге представлены наиболее распространенные в промышленности способы литья с акцентом на физическую и физико-химическую сущность процессов той или иной технологии, особенности формирования качества отливок, выбор материалов, конструкции оснастки, назначение технологиче- ских режимов, применяемое оборудование и средства автоматизации. Впер- вые рассмотрены возможности литья в условиях невесомости, использование нанотехнологий литья и другие вопросы. В учебнике изложена одна из частей дисциплины «Технология литейного производства» – специальные технологии литья. В приложении 1 дан список ГОСТов на технологическую оснастку, в приложении 2 – схемы технологи- ческой оснастки. Учебник соответствует программам учебных дисциплин специальности «Машины и технологии литейного производства» по направлению подготов- ки специалистов «Машиностроительные технологии и оборудование» и раз- вивает многолетние педагогические традиции, заложенные первым в стране учебным пособием профессора Н.Н. Рубцова «Специальные виды литья» (1955) и продолженные его учениками профессорами Г.Ф. Баландиным и Ю.А. Степановым, а также другими преподавателями кафедры «Литейные технологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Издание предназначено для студентов высших технических учебных за- ведений, а также может быть рекомендовано специалистам литейного произ- водства. Учебник подготовлен преподавателями кафедры МТ-5 МГТУ им. Н.Э. Бау- мана: введение и гл. 3 – А.М. Зарубиным, Э.Ч. Гини, В.А. Рыбкиным, гл. 1 и 5 (кроме разд. 1.2) – В.А. Рыбкиным, разд. 1.2, гл. 2, 4 – Э.Ч. Гини.
ВВЕДЕНИЕ Литейное производство – одно из старейших и в настоящее время основ- ных способов получения металлических деталей для различных отраслей промышленности. Литые детали используются не только в машино- и прибо- ростроении, но и в домостроении и дорожном строительстве, а также являют- ся предметами быта и культуры. Это обусловлено тем, что литьем можно по- лучить детали из различных сплавов, практически любой конфигурации, структуры, макро- и микрогеометрией поверхности, массой от нескольких граммов до нескольких сот тонн, с разными эксплуатационными свойствами. При необходимости и экономической оправданности перечисленные показа- тели достигаются без применения других технологических процессов (меха- нической обработки, сварки, термической обработки и др.). Основное направление совершенствования любого производства – модерни- зация известных и создание новых технологических процессов, уменьшающих расход материалов, снижающих затраты труда и энергии, улучшающих усло- вия труда, устраняющих (или уменьшающих) вредное воздействие на окру- жающую среду и в конечном счете повышающих эффективность производства и качество продукции. В рассмотренном смысле литейное производство не яв- ляется исключением. В настоящее время для получения литых деталей используют несколько десятков технологических процессов и их вариантов, обладающих доста- точно широкой универсальностью или пригодных для изготовления узкой номенклатуры определенных отливок. Исторически сложилось деление этих процессов на традиционные, под которыми чаще всего подразумевают лишь литье в песчано-глинистые формы, и все остальные – специальные технологии литья. С ростом числа различных процессов и вариантов полу- чения отливок все острее ощущается необходимость в более четкой и де- тальной их классификации по основным общим признакам. Это даст воз- можность систематизировать изложение сущности разных процессов, облегчит понимание заложенных в них принципов и создание новых более эффективных способов литья. Главным признаком традиционного метода литья можно считать важнейшие характеристики основного инструмента технологического процесса – литейной формы. Это прежде всего разовая, разъемная литейная форма из дисперсных огнеупорных материалов, упрочняемых механическими, химическими, физическими или комбинированными способами при ее изготовлении. Дополнительный, обязательный признак – заполнение формы расплавом гравитационным методом сверху из ковша через литниковую систему.
Введение 8 Остальные характеристики литейной формы (объемная, оболочковая, опочная, безопочная, кесонная и т. д.), составы и свойства формовочных смесей, способы их уплотнения или упрочнения, характеристики отливок и сплавов для их изготовления, типы производства и другие характеристики, определяют лишь варианты этого технологического процесса и оборудование для выполнения конкретных операций. Указанный технологический процесс и варианты его осуществления – предмет рассмотрения дисциплины «Технология литейного производства». Из многочисленных разнообразных специальных технологий литья в первую очередь целесообразно выделить способы, обладающие характерными признаками, отличными от традиционной технологии. Рассмотрим способы литья, отличающиеся применяемыми инструментами – литейными формами. I. Литье в разовые неразъемные литейные формы из дисперсных огнеупорных материалов с сохранением заполнения формы гравитационным методом сверху из ковша через литниковую систему, как в традиционной технологии. Особенность этого способа – использование разовой модели, которую для удаления из неразъемной формы разрушают до или в процессе заполнения формы расплавом. В этот способ входят литье по выплавляемым, выжигаемым, растворяемым и газифицируемым моделям. В настоящее время наибольшее распространение получило литье по выплавляемым моделям, а новым и развивающимся процессом является литье с использованием моделей из фотополимерных материалов. II. Литье в полупостоянные или постоянные разъемные формы с сохранением заполнения формы гравитационным методом сверху из ковша через литниковую систему. Общая характеристика этого способа – разборная литейная форма, состоящая из полупостоянных (или постоянных) и разовых элементов. Конструкция формы должна позволять извлекать отливку без повреждения многократно используемых элементов формы. Основной метод – литье в кокиль. Известно также литье в углеродные (графитовые) формы. Характерные признаки следующих способов – дополнительные воздействия на расплав при заполнении формы и затвердевании отливки. В этих случаях тип и конструкция литейной формы определяются требованиями к отливке и параметрами воздействия на расплав и кристаллизующуюся отливку. III. Литье с различными дополнительными воздействиями на расплав при заполнении формы в целях получения, главным образом, тонкостенных отливок или отливок с массивными и тонкими частями: 1) запрессовка металла в форму с высокими скоростями поршневой системы (литье под давлением), при этом применяются лишь металлические разъемые литейные формы (пресс-формы) и не исключается использование
Введение 9 стержней и формообразующих вставок из дисперсных огнеупорных мате- риалов; 2) литье под регулируемым, относительно невысоким газовым давлением ( литье под низким давлением, с противодавлением, вакуумным всасыванием и др.), что позволяет применять разъемные и неразъемные литейные формы из любых материалов, обладающих достаточной огнеупорностью и прочностью; 3) центробежное литье фасонных отливок с возможностью использования разнообразных конструкций литейных форм. Однако при центробежном литье тел вращения (труб, втулок, гильз и др.) обычно применяют формы специальной конструкции – изложницы; 4) способы, основанные на других принципах заполнения формы (литье выжиманием, погружением форм в расплав и др.). Конечно, воздействия на расплав продолжаются и после заполнения им формы, что способствует повышению плотности отливок и качества их поверхности. Приведем способы, в которых наиболее значимо воздействие на расплав в период затвердевания. Такие способы используют для получения особо плотных отливок со специальной микроструктурой. IV. Литье под всесторонним газовым давлением (автоклавное литье) с применением литейных форм из различных материалов; литье с кристаллиза- цией под давлением (жидкая штамповка) с использованием металлических форм. V. Литье с воздействием на расплав, оказывающим существенное влия- ние на формирование микроструктуры отливок. К таким способам можно отнести способы с электрическим и электромагнитным воздействием на расплав до, во время или после его поступления в форму, с ультразвуковой обработкой расплава и др. VI. Способы, основанные на формировании свойств отливок при непре- рывных и полунепрерывных процессах литья: непрерывном литье с исполь- зованием стационарных и подвижных кристаллизаторов; литье вытягивани- ем из расплава и полунепрерывном литье для получения отливок постоян- ного профиля по длине; электрошлаковом литье, литье с последовательным заполнением, литье намораживанием и другие способы для получения фа- сонных отливок. VII. Способы получения отливок с различными специальными свойства- ми: армированных отливок; отливок из композиционных материалов и др. В производстве литых заготовок специальные технологии литья зани- мают значительное место. Традиционным литьем в песчано-глинистую форму получают 70…75 % отливок от общего объема производства и толь- ко 25…30 % отливок – специальными технологиями литья (это далеко не точно характеризует объем производства специальными технологиями ли- тья). Как правило, специальными технологиями обычно изготовляют не-
Введение 10 крупные отливки из черных сплавов и большинство легких отливок из цветных сплавов. Поэтому по количеству получаемых отливок специальные технологии литья не уступают традиционному литью в песчано-глинистые формы. Следует отметить, что влияние специальных технологий литья в про- мышленности не одинаково. Они обладают разной универсальностью, а не- которые из упомянутых выше способов находятся в стадии разработки или освоения. Описать все существующие методы в рамках одного учебника не- возможно, так как это задача справочной и специальной литературы.
1.1. Литье по выплавляемым моделям 11 1. ЛИТЬЕ В РАЗОВЫЕ НЕРАЗЪЕМНЫЕ ФОРМЫ 1.1. Литье по выплавляемым моделям 1.1.1. Общие сведения Сущность. Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в применении разовых, точных, неразъемных, керамических оболочковых форм, получаемых по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Перед заливкой расплава модель удаляют из формы выплавлением, выжиганием, растворением или испарением. Для удаления остатков модели и упрочнения форму нагревают до высоких температур. Прокалка перед заливкой практически исключает газотворность формы и улучшает ее заполняемость расплавом. Основные операции. Модель 2 или звено моделей изготовляют в разъемной пресс-форме 1, рабочая полость которой имеет конфигурацию и размеры отливки с припусками на усадку (модельного состава и материала отливки) и обработку резанием (рис. 1.1, а). Модель получают из материалов с невысокой температурой плавления (воск, стеарин, парафин) и материалов, способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков ( полистирол). Готовые модели или их звенья собирают в блоки 3 (рис. 1.1, б), включающие в себя модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель. В блок моделей входят звенья, центральная часть которых образует модели питателей и стояка. Модели чаши и нижней части стояка выполняют отдельно и устанавливают в блок при сборке. Блок моде- лей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью – суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидного огнеупорного материала (на- пример, из пылевидного кварца или электрокорунда) и связующего (рис. 1.1, в). В результате на поверхности модели формируется тонкий (менее 1 мм) слой 4 суспензии. Для упрочнения и увеличения толщины этого слоя на него нано- сят зернистый огнеупорный материал 5 (мелкий кварцевый песок, электроко- рунд или зернистый шамот) (рис. 1.1, г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3–10 слоев). Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что зависит от связующего (рис. 1.1, д). После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. На рис. 1.1, е показан процесс удаления выплавляемой модели в горячей воде 7 (при температуре 100 оС), с помощью которого получают многослойную оболочко- вую форму по выплавляемой модели. Для упрочнения перед заливкой оболоч- ковую форму помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным
1. Литье в разовые неразъемные формы 12 Рис. 1.1. Изготовление многослойной оболочковой формы литьем по выплавляемым моделям: а – запрессовка модельного состава в пресс-форму; б – сборка блока; в – нанесение суспензии; г – обсыпка; д – сушка; е – удаление модели; ж – засыпка огнеупорным материалом; з – прокал- ка; и – заливка пресс-формы расплавом; 1 – пресс-форма; 2 – модель; 3 – блок моделей отливок и литниковой системы; 4 – слой суспензии; 5 – зернистый огнеупорный материал; 6 – пары аммиака; 7 – горячая вода; 8 – огнеупорный материал; 9 – печь; 10 – прокаленная оболочковая форма материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рис. 1.1, ж). Для удаления остатков моделей из оболочковой формы и упрочнения связующего контейнер с формой помещают в печь 9 для прокали-
1.1. Литье по выплавляемым моделям 13 вания (рис. 1.1, з). Форму 10 нагревают до температуры 900…1100 оС, а затем извлекают из печи и заливают расплав в форму (рис. 1.1, и). После затвердева- ния и охлаждения отливки до заданной температуры оболочковую форму вы- бивают, отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники. В ряде случаев оболочковые формы прокаливают в печи, а затем для уп- рочнения засыпают предварительно нагретым огнеупорным материалом. Это позволят сократить продолжительность прокаливания формы перед заливкой и снизить энергозатраты. Так, например, организован технологический про- цесс на автоматических линиях для массового производства отливок (более подробно это рассмотрено в подразд. 1.1.7). Низкая шероховатость поверхности формы при достаточной огнеупор- ности и химической инертности материала дает возможность получать от- ливки с поверхностью высокого качества. После очистки от остатков оболоч- ковой формы шероховатость поверхности отливок может быть от Rz = 20 мкм до Rа = 1,25 мкм. Отсутствие разъема формы, использование для изготовления моделей материалов, позволяющих не разбирать форму для их удаления, высокая огнеупорность материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой улучшают заполняемость и дают возможность получать отливки сложнейшей конфигурации, максимально приближенной или соответст- вующей конфигурации готовой детали, практически из всех известных сплавов. Коэффициент точности отливок по массе (КТМ) может достигать 0,85…0,95, что резко сокращает объемы обработки резанием и отходы металла в стружку. Точность отливок может соответствовать 2–5-му классу точности по ГОСТ 26645–85, припуски на обработку резанием для отливок размером до 50 мм обычно не превышают 1,0 мм, а размером до 500 мм – 3,0 мм. Поэтому литье по выплавляемым моделям относится к прогрессивным материало- и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов. Краткие исторические сведения. Прообраз современного процесса литья по выплавляемым моделям – литье в формы, полученные по восковым моделям. Около 4 тыс. лет назад в Древнем Эламе и Вавилоне использовали восковые модели для изготовления литых украшений и предметов быта. Этот способ также был известен в Древнем Китае и Индии. Позднее он получил распространение и в Европе. Находки отливок показывают поразительный расцвет художественной обработки металлов у древних племен Кавказа 2,5…3,0 тыс. лет назад. В эпоху Возрождения великие художники и скульпторы применяли восковые модели для литья художественных изделий – скульптур и украшений. Восковые модели использовались и мастерами России при литье статуй, колоколов, пушек, церковной и домашней утвари. Примерами высокого мас- терства литейщиков прошлого являются статуя Персея и отрубленной головы Медузы скульптора Б. Челлини, скульптурная группа «Укротители коней» скульптора П.К. Клодта, который впервые в истории российского искусства
Доступ онлайн
1 900 ₽
В корзину