При всем разнообразии приемов литья, сложившихся за длительный период развития его технологии, принципиальная схема технологического процесса литья практически не изменилась за более чем 70 веков его развития и включает четыре основных этапа: плавку металла, изготовление формы, заливку жидкого металла в форму, извлечение затвердевшей отливки из формы.

Литье в разовые песчано-глинистые формы является наиболее распространенным и относительно простым способом получения отливок. Разовые песчано-глинистые формы могут быть приготовлены либо непосредственно в почве (в полу литейного цеха) по шаблонам, либо в специальных ящиках-опоках по моделям. В почве получают отливки крупногабаритных деталей (станин, колонн и т.д.), более мелкие отливки обычно получают в опочных формах.

Внешнее очертание отливок соответствует углублениям формы, отверстия получают за счет стержней, вставляемых в полость формы.

Технологический процесс производства отливок в опочных формах, представленный на рисунке 31, состоит из трех стадий: подготовительной, основной и заключительной.

Модельная оснастка, изготовленная в модельных цехах, представляет собой приспособления, с помощью которых изготовляют формы и стержни. К оснастке относятся модели деталей, подмодельные щитки, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и опоки.

Модели на рисунке 32, а служат для получения полости в земляной форме, которая по размерам и внешним очертаниям соответствует будущей отливке. Так как металл после затвердевания усаживается (уменьшается в объеме), размеры модели делают несколько большими.

Рисунок 31 - Технологический процесс производства отливок в опочных формах

Изготовляют модели из дерева, пластмассы или металла. Выбор материала зависит от условий производства и требований, которые предъявляют к отливке в отношении точности размеров и чистоты поверхности. Для того чтобы модели легко извлекались из формы, их делают с формовочными уклонами и часто разъемными, из двух и более частей, легко скрепляемых при помощи шипов.

Для получения отливок с отверстиями или углублениями на моделях в соответствующих местах предусматривают выступы -- стержневые знаки, которые оставляют в форме отпечатки для установки стержней. Место, занимаемое в форме стержнем, не заполняется металлом и в отливке после удаления стержня образуется отверстие или углубление. Стержни изготовляют из особой стержневой смеси, набивая ее вручную или машинным способом в стержневые ящики - рисунок 32, б. При этом учитывают изменение размеров отливки при затвердевании металла. Размеры стержней должны быть меньше отверстий на величину усадки металла. В зависимости от сложности изготовления стержневые ящики делают цельными и разъемными. При небольших партиях стержней ящики делают из дерева, в массовом производстве, особенно при повышенных требованиях к точности литья, применяют металлические ящики (чугунные или из алюминиевых сплавов).

Модели литниковой системы предназначены для образования в форме каналов и полостей, служащих для подачи металла, задержки шлака и выхода воздуха из полости формы - рисунок 32, в. Устройство литниковой системы обеспечивает спокойное, безударное поступление металла в форму, предохраняя ее от повреждения.

Подмодельные щитки-плиты служат для размещения на них моделей и установки опоки при изготовлении литейной формы вручную.

На нашем предприятии при машинной формовке эффективно применение тщательно обработанных деревянных или металлических модельных плит с прочно укрепленными на них или выполненными за одно целое, моделями деталей и элементами литниковой системы - рисунок 32, г.

Опоки -- деревянные или металлические рамки, каркасы, основное назначение которых состоит в удерживании песчано-глинистой смеси, обеспечении достаточной прочности и жесткости формы при ее изготовлении, транспортировке и заливке металла.

Формовочные и стержневые смеси в основном состоят из кварцевого песка определенной зернистости и жароупорности.

а - модель детали; б - стержневой ящик; в - модель литниковой системы; г - подмодельная плита; д - опока

Рисунок 32 - Модельная оснастка

Формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью и газопроницаемостью, а формы и стержни, изготовленные из них,-- достаточной прочностью. Эти свойства достигаются добавкой к основному материалу глины, льняного масла, декстрина, жидкого стекла, а также деревянных опилок или торфяной крошки. Увлажненная глина добавляется как связующее вещество.

Опилки, торфяная крошка, выгорая после заливки металла в формы, образуют дополнительные поры, увеличивающие газопроницаемость смеси.

Масляные крепители (олифа, льняное масло) обычно добавляют в стержневые смеси, которые должны обладать более высокой, по сравнению с формовочными, прочностью. Приготовление формовочных и стержневых смесей производится в землеприготовительных отделениях литейного цеха и включает операции предварительной подготовки (подсушивания, помола), дозирования исходных материалов и тщательного перемешивания их до получения однородного состава, на ОАО «Сибинстрем» эти операции механизированы. Приготовленные смеси подвергают вылеживанию в бункере для более равномерного распределения влаги, а затем, после разрыхления и контроля полученных свойств, транспортируют к рабочим местам формовщиков.

По назначению формовочные смеси подразделяют на облицовочные, наполнительные и единые. Облицовочные смеси, непосредственно соприкасающиеся с жидким металлом, приготавливают из более качественных свежих материалов. Наполнительной служит бывшая в употреблении (горелая) смесь. В нашем случае формы изготовляют из единой смеси, материалом для которой является бывшая в употреблении смесь со свежими добавками песка, глины, крепителей и пр.

Изготовление стержней может производиться набивкой стержневой смеси в ящик и трамбовкой вручную или машинным способом. Машинное приготовление стержней осуществляется на прессовых, встряхивающих, пескометных и других стержневых машинах. Сибирский ремонтно-инструментальный завод стержни изготавливает на поточных линиях, состоящих из стержневых машин, сушильных печей и различных транспортирующих устройств. Отформованные сырые стержни сушат при температуре 160 - 300 °С в сушильных печах или камерах для придания им высокой прочности.

Формовка -- наиболее сложная и трудоемкая операция производства отливок в разовых песчано-глинистых формах. Трудоемкость изготовления литейных форм составляет 40 - 60 % от общей трудоемкости получения отливок.

На ОАО «Сибинстрем» применяется машинная формовка и ручная формовка. Понятие «ручная формовка» несколько устарело, так как многие работы (подача формовочной смеси, трамбовка, извлечение моделей, поворот и перемещение опок) в настоящее время механизированы.

Рисунок 33 - Технологический процесс формовки втулки

Рассмотрим последовательность ручной формовки для отливок детали типа втулки.

На подмодельный щит 3, рисунок 33, а, укладывается половина модели 2 и устанавливается нижняя опока, затем сквозь сито 4 на поверхность модели наносится противопригарный припыл -- древесно-угольная пыль, графитовый порошок - рисунок 33, б. Лопатой 5 наносят на модель облицовочную формовочную смесь, а затем засыпают всю опоку наполнительной формовочной смесью - рисунок 33, в. Ручной или пневматической трамбовкой 6 уплотняют смесь - рисунок 33, г, сгребают ее остатки и накалывают душником (шилом) 7 отверстия для лучшего выхода газов - рисунок 33, д. Затем нижнюю опоку с заформованной моделью переворачивают на 180° устанавливают вторую половину модели 8 и верхнюю опоку 9 - рисунок 33, е. После установки моделей литниковой системы 10 в той же последовательности заформовывают верхнюю опоку - рисунок 33, ж. По окончании формовки опоки разнимают, осторожно удаляют модели, поправляют обрушившиеся места формы припыливают ее изнутри и, уложив в нижнюю полуформу на место знаков 11 стержень 12 - рисунок 33, з, вновь устанавливают верхнюю полуформу на нижнюю и скрепляют их при помощи болтов, струбцин или просто придавливают грузом, чтобы предотвратить прорыв металла по плоскости разъема формы. В таком виде литейная форма готова для заливки металла. Для получения крупных отливок полуформы перед сборкой сушат при температуре 350 °С в течение 6 - 20 часов в зависимости от габаритов формы.

Машинная формовка экономически целесообразна, когда формовочные машины загружены в течение не менее 40 - 60 % рабочего времени. Однако машинная формовка экономически оправдывает себя, если применяются быстросменные модельные плиты. В этом случае смена моделей производится за 1,5 - 2 мин, т.е. за короткое время можно перестраиваться на получение новых отливок.

Сущность машинной формовки заключается в механизации основных операций: установки модельных плит и опок, наполнения опок формовочной смесью, уплотнения смеси и удаления моделей из форм.

По способу уплотнения смеси формовочные машины делятся на прессовые, встряхивающие, пескометные - рисунок 34 и комбинированные (встряхивающие с подпрессовкой или прессовые с вибратором).

Прессовые машины являются наиболее простыми и производительными, но дают неравномерное уплотнение смеси по высоте опоки, встряхивающие машины менее производительны, но в сочетании с подпрессовкой позволяют более равномерно уплотнять землю даже в высоких и больших по площади опоках. Пескометы применяют для набивки средних и крупных опок.

Они отличаются большой производительностью (до 50 - 70 м3/ч) и обеспечивают наиболее равномерное уплотнение земли по высоте опоки.

а - прессовые; б - встряхивающие; в - пескометные

Рисунок 34 - Формовочные машины

Машинная формовка не только облегчает труд рабочих-формовщиков, но и дает возможность повышать производительность труда, получать более точные отливки с меньшими припусками на механическую обработку, снижать брак.

В общей трудоемкости изготовления отливок на процессы плавки и заливки металла в формы приходится около 7 - 10 %. Тем не менее, эти процессы являются особо ответственными, так как оказывают решающее влияние на качество и себестоимость отливок.

Важнейшими литейными сплавами являются чугун (серый, высокопрочный), сталь (углеродистая, легированная), медные сплавы (бронза, латунь) и другие.

Наилучшим комплексом литейных свойств обладают серый чугун, бронза. Плавка чугуна производится преимущественно в вагранках и шахтных печах. Вагранка представляет собой вертикальную шахту-печь непрерывного действия, работающую на литейном каменноугольном коксе и воздушном дутье.

Производительность вагранки в зависимости от ее размеров составляет 1 - 30 т/ч, максимально достижимая температура -- 3400 - 1420°С.

Интенсификация процесса плавки в вагранке осуществляется применением горячего (400 - 500°С) дутья воздухом, обогащенным кислородом.

Индукционные печи для выплавки чугуна, работающие на токах промышленной частоты, являются наиболее перспективными плавильными агрегатами. Их применение позволяет выплавлять чугун однородного состава с высокими механическими свойствами и тем самым значительно снизить массу отливок. Высокая температура нагрева в индукционных печах дает возможность использовать недорогостоящие стальные отходы и путем науглероживания их получать чугун необходимого химического состава.

Для получения мелких и средних отливок из углеродистой и низколегированной стали используются электродуговые печи, для неответственных отливок -- малые бессемеровские конвертеры, чугун в которые поступает из вагранок, кроме того, применяются индукционные высокочастотные печи.

Все плавильные агрегаты, применяемые в литейном производстве, должны отвечать определенным общим требованиям: обеспечивать необходимую для расплавления и перегрева металла температуру, обладать достаточной производительностью, быть экономичными (минимальный расход топлива и энергии на 1т жидкого металла и минимальный угар металла), более или менее надежно предохранять расплавленный металл от загрязнения газами и неметаллическими включениями. На участок заливки форм расплавленный металл подается в разливочных ковшах различной вместимости.

Качество отливок во многом зависит от соблюдения правил заливки. Металл в форму заливают плавно, непрерывной струей до тех пор, пока он не покажется в выпорах и прибылях. Температура заливки всегда выше температуры плавления сплава, однако, перегрев его должен быть минимальным для обеспечения хорошего заполнения формы. При слишком высокой температуре заливки происходит обильное газовыделение, формовочная смесь пригорает к поверхности отливки, увеличивается ее усадка. Контроль температуры заливаемого металла осуществляется оптическими пирометрами или термопарами.

После затвердевания и охлаждения до определенной температуры, при которой отливки приобретают достаточную механическую прочность, производится выбивка их из форм; стержни выбиваются позднее, после дополнительного охлаждения отливок.

Выбивка отливок -- одна из самых тяжелых операций литейного производства, сопровождающаяся большими выделениями теплоты и пыли. По трудоемкости операции выбивки, обрубки и очистки составляют 30 - 40 % от общей трудоемкости изготовления отливок. Сущность процесса выбивки заключается в разрушении формы, освобождении отливок от окружающей их формовочной земли. На рассматриваемом нами предприятии, процесс выбивки механизирован и осуществляется на различных вибрационных машинах, чаще всего, на встряхивающих решетках. Формовочная смесь проваливается через решетку, попадает на ленточный конвейер и транспортируется в формовочное отделение для повторного использования.

После выбивки производится обрубка и очистка отливок. Обрубка заключается в отделении от отливок прибылей, выпоров и заливов.

Обрубка -- тяжелая операция, трудно поддающаяся механизации. Ее производят с помощью пневматических зубил, ленточных и дисковых пил, прессов, газовой резки.

Очистка отливок, осуществляемая после обрубки, заключается в удалении пригара формовочной земли (корки), окалины, мелких заусениц. Основная цель очистки -- уменьшение трудоемкости последующей механической обработки и снижение интенсивности изнашивания режущего инструмента. Очистку отливок от пригоревшей земли и окалины производят во вращающихся (галтовочных) барабанах, на пескогидравлических и дробеметных аппаратах, а также химической и электрохимической обработкой внутренних поверхностей отливок, труднодоступных при других способах очистки.

Зачистка мелких заусениц, неровностей, оставшихся после обрубки, производится на переносных и стационарных шлифовальных станках крупнозернистыми абразивными кругами. Перед отправкой в механические цехи стальные отливки обязательно подвергаются термической обработке -- отжигу или нормализации -- для снятия внутренних напряжений и измельчения зерна металла.

Брак может возникать по различным причинам на всех стадиях литейного производства, при этом бывает брак исправимый и неисправимый. Основными видами дефектов в отливках являются: коробление; газовые, усадочные, земельные и шлаковые раковины; трещины; недолив металла и спай; отбел поверхности (у чугунных отливок). Поверхностные неглубокие дефекты устраняются заваркой, запрессовкой (эпоксидными смолами), металлизацией. Коробление иногда можно исправить правкой. Отбел ликвидируют дополнительным отжигом отливок.

При внутренних и глубоких наружных дефектах отливки отправляют на переплавку. Годные отливки направляют в механические цехи для дальнейшей обработки или на склад готовой продукции.

3. Безопасность жизнедеятельности

3.1 Характеристика опасных и вредных производственных факторов