Виды литья: обзор

Литье существует почти столько же, сколько и сама металлообработка, и его основная суть осталась прежней: расплавить металл, залить его в полую форму, дать остыть — и в результате получается деталь, повторяющая форму полости формы. Никакой резки, никакой сварки, никакого соединения отдельных деталей. За один разлив можно изготовить деталь, на обработку которой на станке ушли бы часы, а затем повторить этот процесс тысячи раз.

Именно поэтому литье по-прежнему занимает прочные позиции в промышленности. Блоки двигателей, трубная арматура, корпуса насосов, лопатки турбин: большинство металлических деталей, которые не коваются и не изготавливаются механической обработкой из цельного материала, изначально представляют собой отливки. Семейство технологических процессов обширно, и различия между ними имеют большое значение. Некоторые методы жертвуют точностью ради снижения затрат, другие — наоборот. Одни подходят для мелких партий, другие окупаются только при массовом производстве.

В данном руководстве рассмотрены основные методы литья, с которыми вы столкнётесь в промышленности: литье в песчаные формы, литье под давлением, литье по выплавляемым моделям, литье в постоянные формы, центробежное литье, непрерывное литье и литье по методу «потерянной пены». Для каждого из них вы узнаете, как он работает, в чём его преимущества и в чём недостатки, что позволит вам, взглянув на деталь, с достаточной точностью предположить, каким образом она была изготовлена.

Литье в песчаные формы: традиционный процесс

Начнем с этого, ведь так по-прежнему работают большинство литейных предприятий. Литье в песчаные формы работает по тому же принципу, что и детский замок из песка, только выполняется с большей тщательностью. Модель — точная копия детали — вдавливается в формовочный песок внутри двухчастичной рамы, называемой флягой. Верхняя половина — верхняя часть фляги, нижняя — нижняя. Извлекают модель, смыкают обе половины — и получается полость в форме детали, соединенная с внешней средой каналами: литником для заливки, распределительными каналами и литниковыми отверстиями для распределения металла, а также подливками, которые питают деталь по мере её усадки. Заливаем расплавленный металл, ждём, пока он затвердеет, затем разбиваем форму и вытряхиваем отливку. Песок используется повторно, а форма — нет.

Преимущества этого метода — низкая стоимость и гибкость. Формы стоят недорого, а технологический процесс позволяет изготавливать детали весом от нескольких килограммов до многих тонн практически из любого сплава, поддающегося плавке. Блоки цилиндров, головки блока цилиндров, корпуса насосов, рамы станков — все это классические изделия, изготовленные методом песчаного литья.

Недостатками этого метода являются текстура и точность. Поверхности получаются шероховатыми, а допуски — широкими, поэтому большинство деталей впоследствии подвергается механической обработке; кроме того, поскольку каждая отливка приводит к износу формы, этот процесс занимает больше времени на изготовление одной детали, чем у некоторых конкурентов. На рисунке 1 показана общая схема.

Рисунок 1. Литье в песчаные формы: двухкомпонентная форма, литниковый канал и подливка, а также заливка расплавленного металла

Литье под давлением: точность и эффективность

Литье под давлением работает по противоположному принципу. Вместо одноразовой формы используется пара закаленных стальных матриц, которые смыкаются и фиксируются под гидравлическим давлением. Расплавленный металл под высоким давлением — в тысячи раз превышающим атмосферное — впрыскивается в полость формы, заполняя самые тонкие участки, после чего застывает за считанные секунды. Матрицы открываются, выталкивающие штифты выталкивают деталь, и цикл начинается заново. Один комплект матриц позволяет изготовить десятки тысяч деталей, а иногда и миллионы.

Преимуществами этой технологии являются скорость и повторяемость. Допуски обычно составляют около ±0,1 мм, поверхности достаточно гладкие, чтобы использовать детали в том виде, в каком они получены при литье, а стенки могут быть тонкими — менее 1 мм для алюминия. Именно поэтому литье под давлением занимает лидирующие позиции в нишах массового производства: корпуса автомобильных деталей, картеры коробки передач, рамы для электроники, корпуса фотоаппаратов, фитинги. На рисунке 2 показана схема установки.

Рисунок 2. Литье под давлением: формы, впускная гильза и плунжер, вдавливающий металл в полость

Вход на рынок обходится недешево: разработка и изготовление штампов требуют значительных затрат, поэтому этот процесс оправдан только при крупносерийном производстве. Преобладают цинк, алюминий и магний, поскольку они плавятся при температурах, выдерживаемых штампами; сталь и железо нагреваются слишком сильно, что не позволяет обеспечить экономически оправданный срок службы штампов.

Литье по выплавляемым моделям: сложные формы и мелкие детали

Литье по выплавляемым моделям, также называемое литьем по методу “потерянного воска”, — это метод, используемый как для изготовления изысканных ювелирных изделий, так и для производства лопаток реактивных двигателей. Процесс начинается с восковой модели, обычно представляющей собой целое «дерево» моделей, соединенных с центральным литником. Это «дерево» многократно погружают в керамическую суспензию и штукатурку до тех пор, пока не сформируется твердая оболочка. При нагревании оболочки воск плавится и вытекает, оставляя после себя точную полость — отсюда и название «литье по выплавляемым моделям». Затем в полость заливают или впрыскивают металл, оболочку разбивают, а каждую деталь отрезают от «дерева». На рисунке 3 показана последовательность этих этапов.

Рисунок 3. Литье по выплавляемым моделям: восковая модель, керамическая оболочка, удаление воска и заливка

В результате вы получаете детализированность и точность, недостижимые при литье в песчаные формы, а также возможность создавать формы, с которыми механическая обработка не справится: подрезы, внутренние каналы, тонкие ребра. Допуски обычно составляют около ±0,1 мм, а качество поверхностей настолько высокое, что многие детали поставляются без дополнительной обработки.

Проблема заключается в самой оболочке: она долго изготавливается, требует высокой квалификации и сложно поддается автоматизации. Поэтому литье по выплавляемым моделям оправдывает себя при производстве сложных, дорогостоящих деталей и сплавов, которые трудно обрабатывать механическим способом, таких как лопатки турбин, медицинские имплантаты и прецизионные аэрокосмические кронштейны.

Литье в постоянных формах: прочность и возможность повторного использования

Литье в постоянных формах занимает промежуточное положение между песчаным и штамповым литьем как по стоимости, так и по качеству готовых изделий. Вместо одноразовой песчаной формы используется металлическая форма, как правило, из чугуна или стали, изготовленная из двух или более частей. Металл заливается под действием силы тяжести, без впрыска под высоким давлением, затем форма открывается, деталь извлекается, а форма используется повторно тысячи раз.

Поскольку металлическая форма охлаждает отливку быстрее, чем песок, структура получается более плотной, а механические свойства — лучшими. Благодаря этому данный процесс широко применяется при производстве алюминиевых дисков, поршней и аналогичных деталей, требующих высокой прочности, в сериях от нескольких сотен до десятков тысяч штук. Качество поверхности и допуски находятся на уровне между песочным литьем и литьем под давлением.

Ограничения вполне реальны: срок службы пресс-формы ограничен, сама пресс-форма стоит дорого, а детали со сложной геометрией и большим количеством подрезов не подходят для этого метода. Оптимальным вариантом являются простые детали, выпускаемые средними партиями.

Центробежное литье: высококачественные детали цилиндров

Центробежное литье — это самый специализированный метод в этой группе. При этом форма вращается вокруг своей оси, как правило, в горизонтальном положении, а расплавленный металл заливается по центральной линии. Под действием центробежной силы металл разбрасывается наружу и прижимается к стенкам формы, где затвердевает, образуя трубу. Принцип действия показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Центробежное литье: вращающаяся форма, в которой стенка трубы формируется под действием центробежной силы

В результате получается удивительно чистый и плотный цилиндр. Примеси и газ, будучи легче металла, дрейфуют к внутренней поверхности, откуда впоследствии удаляются механической обработкой. Наружная стенка остаётся плотной и практически не содержит включений. Для изготовления любых круглых и полых деталей — труб, гильз цилиндров, втулок, подшипниковых колец — центробежное литье зачастую является лучшим способом, а иногда и единственным практичным.

Но есть один нюанс: этот метод позволяет изготавливать только осесимметричные детали. Если деталь по своей сути не является трубкой, этот процесс не подходит, а затраты на инструмент и настройку окупаются только при производстве достаточно больших партий.

Непрерывная литьевая линия: эффективное производство

В настоящее время на металлургических заводах уже практически не производят слитки; вместо этого используются линии непрерывного литья. Расплавленная сталь из литейного ковша поступает в водоохлаждаемую медную форму без дна. Металл затвердевает, прилипая к стенкам формы, и полутвердый струйный брусок вытягивается из нижней части формы с постоянной скоростью, проходя через опорные валки и систему распылительного охлаждения, пока не достигнет достаточной длины для нарезки на слябы, заготовки или блюмы.

По сравнению со старым методом производства слитков непрерывная ливка позволяет экономить энергию и материалы: не требуется повторный нагрев слитков, не образуются обрезанные концы, не требуется дополнительный прокат для разрушения структуры металла. Продукт получается более однородным, а дефекты выявляются на ранней стадии. Именно поэтому подавляющее большинство мировой стали в настоящее время проходит через линии непрерывного литья; производители алюминия применяют ту же идею в своих масштабах.

Проблема заключается в масштабах. Литейная машина — это крупное стационарное оборудование, работающее круглосуточно. Для небольшого цеха или небольшого тиража её использование нецелесообразно.

Литье по методу «потерянной пены»: инновационный и экономичный метод

Литье по технологии «потерянной пены» доводит концепцию одноразовой модели до логического завершения. Модель изготавливается не из дерева или воска, а из вспененного полистирола, склеенного в блок, точно повторяющий форму детали, включая литниковую систему. Этот узел покрывают огнеупорным материалом, заглубляют в несвязанный песок и заливают расплавленным металлом. Расплавленный металл, продвигаясь, испаряет пенопласт, заполняя пространство, которое он занимал. Остаётся только металлическая деталь, а песок отваливается.

Поскольку модель не нужно извлекать из формы, в ней отсутствуют линия разъема, угол наклона и необходимость сборки формы. Становится возможным изготовление сложных полых цельных отливок, производство которых с помощью традиционных методов формования было бы затруднительным или вообще невозможным. Блоки цилиндров, головки блока цилиндров и впускные коллекторы — типичные детали, изготавливаемые методом литья по утраченной пене.

Изготовление форм из пенопласта обходится недорого, если инструмент уже готов, поэтому затраты остаются низкими даже при производстве сложных деталей. Недостатки: пенопластовое покрытие должно быть безупречным, иначе появятся дефекты, а сам процесс подходит не для всех сплавов и не для любой геометрии.

Заключение

Так какой же метод литья является лучшим? Ни один из них сам по себе. Правильный выбор зависит от самой детали: её размеров, сложности конструкции, необходимого количества, требуемого сплава и суммы, которую можно потратить на изготовление инструментов. Литье в песчаные формы обеспечивает недорогую гибкость. Литье под давлением позволяет добиться скорости и точности за счёт использования дорогостоящих форм. Литье по выплавляемым моделям позволяет справляться со сложными конструкциями, с которыми не справляются другие методы. Литье в постоянных формах и центробежное литье занимают каждую свою нишу, а непрерывное литье обеспечивает потребности сталелитейной промышленности.

Для начинающего вывод из практики проще: литье — это не один процесс, а целый набор компромиссов, и именно деталь сама определяет, какой из них подойдет для данной задачи.

Можно ли использовать литье для чего-либо, кроме металла? В широком смысле — да. Пластик, стекло и даже шоколад “лиют”: это слово просто означает придание материалу формы путем заливки его в форму и дожидания, пока он затвердеет. Однако в промышленности под “литьем” почти всегда подразумеваются металлы.

Как можно наиболее экономично изготовить небольшую партию отливок? При производстве небольшого количества деталей литье в песчаные формы, как правило, является наиболее экономичным способом, поскольку стоимость инструментов невысока и его может выполнять практически любой литейный завод. Литье по выплавляемым моделям также подходит для небольших партий сложных деталей. Литье под давлением становится рентабельным только при больших объемах производства, когда затраты на дорогостоящие пресс-формы окупаются за счет большого количества изготовленных деталей.

Какой метод литья является самым точным? На практике как литье под давлением, так и литье по выплавляемым моделям обеспечивают допуски в пределах ±0,1 мм. Литье по выплавляемым моделям превосходит литье под давлением по сложности формы и качеству поверхности; литье под давлением — по возможности изготовления тонкостенных деталей и скорости производства. Простого сравнения здесь нет, поскольку точность необходимо сопоставлять с затратами и формой детали.