Литье в песчаные формы это

Что такое литье в песчаные формы

Литье в песчаные формы, также называемое литьем в песчано-глинистые формы или литьем в землю, является процессом изготовления металлических изделий путем заливки расплава в специально подготовленные формы из формовочной смеси. Технология основана на использовании разовых форм, которые разрушаются при извлечении готовой отливки.

Суть метода заключается в создании полости в песчаной массе, точно повторяющей геометрию будущего изделия. После заполнения этой полости жидким металлом и его последующего затвердевания форма разбирается, а готовая деталь подвергается финишной обработке. На долю песчаного литья приходится более 70% всех металлических отливок, производимых в мировой промышленности.

Формовочные смеси и их состав

Формовочная смесь представляет собой многокомпонентный состав, определяющий качество будущей отливки. Правильный подбор компонентов обеспечивает необходимые свойства формы: прочность, газопроницаемость, огнеупорность и формуемость.

Основные компоненты формовочных смесей

Базовую основу составляют природные и синтетические материалы, которые в определенных пропорциях создают рабочую массу для изготовления форм:

• Кварцевый песок служит основным наполнителем, обеспечивая огнеупорность до 1700 градусов и необходимую структуру смеси
• Глина выполняет функцию связующего компонента, скрепляя песчинки между собой и придавая смеси пластичность
• Вода активирует связующие свойства глины и обеспечивает необходимую консистенцию массы
• Специальные добавки включают огнеупорные материалы (шамот, хромистый железняк), органические вещества (древесная мука, торф), улучшающие определенные характеристики смеси

Типы формовочных смесей

В зависимости от назначения и условий применения различают несколько категорий формовочных составов:

Модельный комплект и технологическая оснастка

Модельный комплект является ключевым элементом технологического процесса, определяющим точность и качество будущей отливки. Он представляет собой совокупность специальных устройств и приспособлений, необходимых для формирования полости в песчаной массе.

Состав модельного комплекта

• Модель детали точно воспроизводит конфигурацию будущего изделия с учетом усадочных коэффициентов металла и припусков на механическую обработку
• Стержневые ящики служат для изготовления внутренних стержней, формирующих полости и отверстия в отливке
• Подмодельные плиты обеспечивают установку и фиксацию модели в опоке
• Литниковая система включает элементы для подвода расплавленного металла в рабочую полость формы

Модели изготавливают из различных материалов в зависимости от планируемого объема производства. Для единичных отливок используют дерево или пластик, для крупносерийного производства применяют металлические модели, обладающие высокой износостойкостью. Размеры модели превышают номинальные размеры детали на величину усадки, которая для стали составляет около 2%, для чугуна 1%, для алюминиевых сплавов до 1,5%.

Технология изготовления литейных форм

Процесс формообразования включает последовательность технологических операций, обеспечивающих создание качественной литейной формы, готовой к заливке металлом.

Основные этапы формовки

Формирование литейной формы начинается с установки модели на подмодельную плиту, закрепленную в нижней опоке. Модель покрывают противопригарным составом или графитовой смазкой для облегчения последующего извлечения. Затем пространство между стенками опоки и моделью заполняют формовочной смесью, которую тщательно уплотняют ручным или механическим способом.

Уплотнение смеси обеспечивает необходимую прочность формы и точность воспроизведения поверхности модели. В современном производстве применяют встряхивающие, прессовые и пескодувные машины, позволяющие достичь равномерной плотности по всему объему формы. После формовки нижней половины процесс повторяется для верхней части формы.

Установка стержней и литниковой системы

Стержни, формирующие внутренние полости отливки, изготавливают отдельно в стержневых ящиках из специальной стержневой смеси с повышенной прочностью. После извлечения модели из формы стержни устанавливают в предусмотренные знаковые части и фиксируют. Литниковая система, состоящая из литниковой чаши, стояка, шлакоуловителя и питателей, обеспечивает плавный подвод металла и удаление шлаковых включений.

Заливка металла и кристаллизация

Заливка расплавленного металла представляет собой ответственную операцию, требующую точного соблюдения технологических параметров. Температура заливки, скорость подачи металла и продолжительность заполнения формы определяются свойствами сплава и конфигурацией отливки.

Расплав подают в форму непрерывной струей через литниковую систему, избегая разбрызгивания и захвата воздуха. Для стальных отливок температура заливки составляет 1530-1580°C, для чугуна 1350-1400°C, для алюминиевых сплавов 700-750°C. После заполнения формы металл выдерживают до полной кристаллизации, длительность которой зависит от массы и толщины стенок отливки.

Охлаждение и выдержка

Процесс охлаждения протекает в несколько стадий. Первоначально происходит кристаллизация металла с выделением скрытой теплоты плавления, затем следует период охлаждения твердой отливки до температуры, при которой возможно безопасное извлечение из формы. Формовочная смесь выполняет роль теплоизолятора, обеспечивая постепенное и равномерное охлаждение, что минимизирует внутренние напряжения и предотвращает образование трещин.

Выбивка отливок и финишная обработка

Выбивка представляет собой процесс извлечения затвердевшей отливки из песчаной формы путем разрушения последней. На специальных выбивных решетках форму подвергают механическому воздействию, в результате которого формовочная смесь осыпается, освобождая отливку.

После выбивки отливка проходит очистку от остатков формовочной смеси, удаление литниковой системы и прибылей, зачистку заусенцев. Применяют дробеструйную, гидроабразивную обработку или термическую очистку в зависимости от материала и требований к качеству поверхности. Завершающим этапом становится контроль качества отливки с применением визуального осмотра, измерительного контроля и неразрушающих методов дефектоскопии.

Преимущества и недостатки технологии

Преимущества песчаного литья

• Универсальность материалов: возможность отливки практически любых металлов и сплавов, включая черные и цветные металлы, сталь, чугун, алюминий, бронзу
• Широкий диапазон габаритов: технология позволяет изготавливать детали массой от нескольких граммов до 200 тонн и размерами от нескольких миллиметров до десятков метров
• Низкая стоимость оснастки: формовочные материалы доступны и многократно используются после регенерации, что снижает производственные затраты
• Гибкость производства: подходит как для единичного, так и для серийного изготовления без значительных капиталовложений
• Возможность создания сложных форм: технология обеспечивает получение отливок со сложной внутренней геометрией благодаря использованию стержней
• Короткие сроки подготовки производства: быстрое изготовление модельной оснастки позволяет оперативно запустить выпуск новых изделий

Недостатки метода

• Низкая точность размеров: достигаемая точность соответствует 7-15 классам размерной точности отливок по ГОСТ 26645-85, что требует последующей механической обработки для получения точных сопряжений
• Грубая поверхность отливок: шероховатость составляет Ra 25-100 мкм, поверхность требует дополнительной обработки для улучшения качества
• Пористость структуры: заливка металла происходит без давления, что приводит к образованию газовой пористости и снижает механические свойства
• Вероятность дефектов: возможны усадочные раковины, газовые включения, песчаные пригары, что требует строгого контроля технологии
• Трудоемкость процесса: многие операции, особенно в единичном производстве, выполняются вручную, что увеличивает затраты труда
• Экологические аспекты: процесс сопровождается выделением пыли и газов при заливке, требует систем очистки и вентиляции

Области применения песчаного литья

Технология литья в песчаные формы находит применение практически во всех отраслях машиностроения и промышленности благодаря универсальности и экономичности метода.

Автомобильная промышленность

В автомобилестроении песчаное литье используется для производства блоков цилиндров двигателей, головок блоков, картеров коробок передач, корпусов дифференциалов, тормозных барабанов. Метод обеспечивает необходимую прочность при приемлемой стоимости изготовления массивных деталей сложной конфигурации.

Станкостроение и тяжелое машиностроение

Производство станин металлорежущих станков, корпусных деталей прессов, рам и направляющих требует изготовления крупногабаритных отливок с высокой жесткостью. Чугунное литье в песчаные формы обеспечивает необходимые демпфирующие свойства и стабильность геометрии под нагрузкой.

Энергетическое оборудование

Корпуса турбин, части паровых котлов, арматура трубопроводов высокого давления изготавливаются методом литья из легированных сталей и специальных сплавов. Технология позволяет получать отливки со сложной внутренней геометрией каналов охлаждения и подвода рабочей среды.

Трубопроводная арматура и насосное оборудование

Корпуса задвижек, затворов, насосов, фитинги для различных сред производятся из чугуна, бронзы, нержавеющих сталей. Песчаное литье обеспечивает герметичность внутренних полостей и возможность создания сложных проточных частей.

Сельскохозяйственная техника

Корпуса редукторов, опорные кронштейны, детали почвообрабатывающих орудий требуют высокой износостойкости при работе в абразивной среде. Применение литья позволяет получать детали с утолщенными стенками и ребрами жесткости.