Центробежное литье

И. ШТЕЙНБЕРГ

Выплавка из руды металла и изготовление различных металлических предметов путем отливки были известны человеку еще в глубокой древности.

Однако до середины XIX в. литейное производство шло очень медленно. И только сравнительно недавно, с общим развитием промышленности и техники, когда возникла задача выпуска дешевого и высококачественного литья в массовом масштабе, литейное дело начало быстро совершенствоваться на основе механизации и улучшения технологического процесса.

К этому же времени относится изобретение американским инженером Ленстоном первой машины для отливки свинцовых букв при помощи «литья под давлением».

Этот новый способ литья отличается тем, что отливка производится в металлическую постоянную форму, в то время как при обыкновенном литье употребляется земляная форма, которая может служить только для одной отливки. Кроме того, когда металл поступает в металлическую форму, он прессуется при помощи воздуха, нагнетаемого компрессором. Давление при этом достигает 400 атмосфер и выше.

*

Преимущество такого способа отливок заключается в большой плотности металла, в отсутствии раковин, чистоте поверхности и точности размеров. Все это позволяет обходиться без дополнительных операций по очистке литья и часто даже без механической обработки.

В настоящее время литье под давлением получило большое распространение, существует целый ряд возможных машин различных типов и конструкций. Однако сложность изготовления машин для литья под давлением, ограниченность размеров деталей, отливаемых таким способом, трудность в изготовлении устойчивой формы — все это замедляет распространение литья под давлением.

Интересная разновидность литья под давлением — это центробежное литье. Основано оно на следующем физическом явлении: если тело вращается относительно какой-либо оси, то в каждой его частице возникает сила, стремящаяся удалить тело от оси вращения. Сила эта называется центробежной силой. Чем больше масса тела и скорость вращения, тем большая центробежная сила возникает в теле.

*

Если поместить жидкость в сосуд, быстро вращающийся вокруг своей оси, то жидкость в стремлении удалиться от оси вращения будет располагаться по внутренней поверхности сосуда плотным и ровным по толщине слоем. Если же жидкость неоднородна, то более тяжелые частицы расположатся дальше от оси вращения, так как в них большая центробежная сила. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно для центробежного литья, так как при этом все газы, вредно влияющие на качество литья и образующие раковины, вытесняются как более легкие части жидкого металла, ближе к оси вращения в полую внутреннюю часть отливаемой детали. Стенки литья получаются плотные и без раковин.

Центробежное литье выгодно отличается от других способов литья под давлением сравнительной простотой и дешевизной.

*

Первый патент на способ производства пустотелых изделий в быстро вращающихся формах (изложницах) был взят в Англии еще в начале прошлого столетия. Способ этот заключался в том, что расплавленный металл вливался в быстровращающуюся форму, отбрасывался центробежной силой к стенкам изложницы, где, разливаясь плотным и равномерным слоем, затвердевал.

Однако в то время дальше пробных отливок дело не пошло. И только через 50 лет впервые были отлиты чугунные газовые трубы, длиною более З,5 метров, и началось изготовление таким способом чугунных колес и бандажей.

В 1910 г. немецкий инж. О. Брайде изобрел подвижной литейный желоб для впуска расплавленного металла во вращающуюся форму. Это послужило сильным толчком к дальнейшему развитию центробежного литья, так как появилась возможность отливать трубы любой длины.

Особенно широко распространилось центробежное литье к началу мировой империалистической войны, когда промышленность целого ряда стран была вынуждена развернуть массовое производство различных изделий для военных нужд. Помещая изложницы по ободу вращающегося колеса, можно получать не только полые изделия, представляющие собой тела вращения, но также сплошные тела в форме болванок и фасонных деталей.

*

В настоящее время за границей применяется целый ряд различных машин для центробежных отливок. Льют трубы различной длины и диаметров, колеса, шестерни, поршневые кольца, мелкие фасонные детали из цветных и черных металлов.

Машина для центробежной отливки чугунных труб

У нас в Союзе над вопросами центробежного литья работает ЦНИИМАШ (Центральный научно-исследовательский институт машиностроения и металлообработки). Его литейная лаборатория сконструировала и построила в 1933 г. машину для отливки двухметровых чугунных труб, а в 1934 г. — машину для отливки фасонных деталей. В настоящее время строится машина для отливки четырехметровых чугунных труб диаметром 300 мм.

Машина для отливки двухметровых чугунных труб диаметром в 150 миллиметров построена по лучшему типу заграничной машины системы Ле-Лаво.

В чугунном кожухе вращается на роликах стальная изложница, внутренняя поверхность которой представляет собой наружную поверхность отливаемой трубы. Пространство между изложницей и кожухом заполняется проточной водой для охлаждения формы.

Мотор, помещенный на верхней части кожуха, сообщает изложнице при помощи клиновидной ременной передачи вращательное движение. Для равномерного заполнения изложницы металлом вся машина имеет поступательное движение по направлению к ковшу и обратно, что осуществляется червячной передачей, получающей свое движение от другого мотора. С поступательным движением изложницы связан поворот расположенного за машиной качающегося резервуара, из которого расплавленный металл течет в форму по длинному желобу.

Кожух покоится на четырех колесах, которые катятся по рельсам. Этим рельсам придается небольшой уклон в 6—8 градусов. Таким образом наружный край изложницы, соответствующий раструбу и находящийся на обратном конце от места заливки металла, оказывается ниже всей остальной части трубы. С этого же конца формы вставляется земляной круглый стержень. Диаметр этого стержня должен равняться внутреннему диаметру раструба. Таким образом металл заполняет только ту часть пространства, которая остается свободной между земляным стержнем и стенками формы. При этом поверхность стержня служит для образования внутренней поверхности раструба, а стенки формы — для внешней поверхности.

Весь процесс литья труб крайне прост. После того, как поставлен и закреплен земляной стержень, залита соответствующая порция металла в качающийся резервуар, включается первый мотор, который приводит во вращательное движение изложницу. Затем включается второй мотор, сообщающий всей машине поступательное движение вниз. Одновременно, из поворачивающегося резервуара расплавленный металл течет в изложницу. Процесс заливки продолжается 18 сек. Машина доходит до крайнего нижнего положения и останавливается. Поступление металла прекращается, а форма продолжает вращаться 1—2 мин.; за это время отливка затвердевает. Затем останавливают первый мотор, вынимают из формы земляной стержень, подводят приспособление, которым отлитая труба захватывается изнутри, машине сообщается обратное движение вверх, и труба выходит из формы.

Полученные таким способом трубы имеют «отбел»; на их поверхности образуется белый чугун, вследствие быстрого охлаждения заливаемого металла при соприкосновении со стенками металлической изложницы.

Белый чугун очень хрупок. Поэтому полученные трубы приходится отжигать при температуре 850—900°. В результате отжига белый чугун переходит в серый и уничтожаются внутренние напряжения, возникающие при отливке.

*

Описанный выше способ производства позволяет выпускать до 15 высококачественных труб в час. При этом машину обслуживают только два рабочих.

При обыкновенной же отливке в землю бригада из пяти человек за семичасовой рабочий день производит только 40—45 труб, из которых до 12% идет в брак. Таким образом производительность рабочего при отливке центробежным способом увеличивается против отливки в землю в 8 раз.

Кроме того, большая однородность чугуна и высокие механические качества получаемых труб при центробежном литье дают возможность снизить почти на целую четверть вес трубы за счет уменьшения толщины стенок.

Но главное преимущество центробежного литья заключается в том, что оно устраняет необходимость в громоздком земледельном хозяйстве. При этом получается огромная экономия не только в эксплуатационных расходах (отпадают формовка, изготовление стержней, сушка, выбивка опок и т. д.), но и в расходах по оборудованию и капитальному строительству. Отпадает необходимость в формовочных машинах, машинах для приготовления земли, освобождаются огромные площади, занятые под землеприготовление, формовку и склады.

Весьма важно для центробежного литья изготовить достаточно прочные металлические формы. Теперь уже умеют отливать изложницы как чугунные, так и стальные. Стальные изложницы могут выдерживать уже до 1500 отливок. Чугунные изложницы сопротивляются износу в два раза меньше стальных, однако, стоимость их настолько низка, что они все же выгоднее стальных.

*

В ЦНИИМАШ построена машина для центробежных отливок фасонных деталей.

Разработана она по проекту изобретателя Ю. Я. Захарина.

Агрегат для центробежных отливок фасонных деталей. Разработан в ЦНИИМАШе по проекту Ю.А. Захарина

Это первая в Союзе машина, позволяющая отливать детали из цветных и черных металлов весом до 10 килограммов.

Центробежная сила служит здесь не только для создания давления при заполнении металлической формы металлом, но также остроумно используется и для механизации самого процесса производства.

Разъемная форма соединена в этой машине с двумя рычагами, на которых закреплены грузы. При вращении машины грузы эти под действием центробежной силы расходятся в стороны и рычагом захлопывают форму.

Металл заливается в воронку, находящуюся в центре быстро вращающейся изложницы, откуда под влиянием центробежной силы он отбрасывается в каналы и заполняет форму детали. Из этой машины происходит одновременная отливка двух деталей — с одного и другого конца изложницы.

Специальным приспособлением труба захватывается изнутри, машине сообщается обратное движение, и труба выходит из формы.

Готовое изделие вынимается из машины Захарина автоматически при остановке машины: форма открывается, и особые толкатели выбрасывают готовую деталь наружу.

Производительность описанной машины чрезвычайно высока. Например, в течение семичасового рабочего дня она дает 2000— 2100 автомобильных педалей. При этом ее обслуживает только один рабочий. При обыкновенной же формовке в землю производительность одного рабочего за то же время не превышает 100—120 шт. Таким образом при центробежном литье производительность повышается в 20 раз.

Получаемое литье обладает прекрасными механическими свойствами, чистой поверхностью, точными размерами и поэтому не требует очистки и механической обработки, что в свою очередь снижает себестоимость отливки на 25%.

Итак, мы видим, что центробежное литье является наиболее совершенным и выгодным способом отливки различных металлических изделий. Оно должно завоевать себе почетное место в нашей литейной промышленности.