Литейная форма

Процесс изготовления литейной формы называется формовкой и состоит из ряда последовательных операций, основными из которых являются изготовление нижней и верхней полуформ, сборка формы и подготовка ее к заливке.

Процесс формовки уходит своими корнями в глубокое прошлое человеческого общества и особенно интенсивно развивается в настоящее время. Первые подробные сведения об изготовлении форм относятся к началу XII в. Монах Теофил описал технологию приготовления литейных форм колоколов. Суть технологии заключалась в следующем. По специальному шаблону из особой глиняной смеси изготавливали внутреннюю часть будущего колокола, которая называлась болваном. На болван наносили рубашку из смеси сала и размолотого древесного угля; толщина рубашки соответствовала толщине стенок колокола.

На рубашку, в свою очередь, наносили специальным резцом надписи, рисунки, орнамент и различные украшения, которые должны быть на наружной поверхности колокола. Затем вновь покрывали рубашку глиной и укрепляли специальными металлическими обручами. Форму сушили на костре, сало из внутренней части вытапливалось и тогда в горячую форму заливали металл.

Так получали колокола вплоть до XVIII в.

Существенным недостатком такой технологии было отсутствие разъема формы. В результате невозможно было осмотреть внутреннюю часть формы и устранить поломки, засоры и т. д. В XVIII в. Павлом Алеппским была описана более совершенная технология изготовления форм колоколов, принятая на Руси мастерами колокольных дел. Колокола заформовывали в ямах рядом с плавильными печами. Металл заливали в форму самотеком из печи, так как никаких грузоподъемных машине то время не существовало, а нужно было заливать до 200 т металла и более.

В яме выкладывали из кирпича цоколь, диаметр которого был больше диаметра нижнего обреза колокола. В центре цоколя 4 устанавливали доску 6 с отверстием под стойку 1 (рис. 15, а), верхнюю часть которой центрировали железной перекладиной. На стойке укрепляли вращающийся шаблон 3. По шаблону из сырого кирпича выкладывали пустотелый болван 2 с каналами 5. В дальнейшем в полости болвана сжигали дрова для его сушки. По этому шаблону выкладывали болван до половины высоты, затем устанавливали металлическую крестовину 8 (рис. 15,6) с пяткой под шпиндель 7. На шпиндель надевали шаблоны для выполнения внешних контуров болвана. На болван наносили слои специально приготовленной формовочной смеси из песка и глины, разведенной на квасном соусе.

Рис. 15. Шаблонная формовка колокола

Высушенный болван окрашивали смесью, состоящей из молотой золы, разведенной в пиве, а затем смазывали салом. На готовый болван с помощью шаблона (рис. 15,в) наносили глиняную рубашку 9, которая была будущим телом колокола. Рубашку просушивали и красили краской, приготовленной из мыла, сала и воска. На эту поверхность наносили надписи, рисунки, орнамент. Детали изображений изготавливали из смеси воска, канифоли, сурика и сажи в специальных формах и присоединяли к окрашенной поверхности рубашки. Таким образом делали глиняную модель для изготовления верхней полуформы. Затем по шаблону (рис. 15,г) выполняли из песчано-глинистой смеси верхнюю часть формы, куда закладывали металлический каркас 10 для придачи прочности форме. Сверху форму «одевали» в металлический кожух и закрепляли по диаметру обручами, т. е. делали своеобразную опоку, в которой крепилась верхняя полуформа.

После сушки верхнюю полуформу снимали и, в случае нарушения внутренней поверхности формы ремонтировали и снова сушили. Глиняную рубашку снимали» после чего окончательно отделывали болван. Затем форму собирали, накладывали на нее груз и заливали металлом (рис. 15,(5). После остывания металла форму разрушали и извлекали отливку. По такой технологии был отлит отцом и сыном Моториными и знаменитый Царь-колокол (см. рис. 5).

Русские мастера в совершенстве владели приемами шаблонной формовки для изготовления крупных отливок. Это помогло им освоить в короткие сроки и изготовление форм для получения пушек, причем производство пушек было долгое время таким же индивидуальным творчеством, как и производство колоколов. Многие приемы формовки колоколов были использованы для формовки пушек.

Рис. 16. Формовка пушки

На рис. 16 представлен процесс формовки пушек. На козлы 1 устанавливали деревянный конический стержень 2, на который наматывали витки из пеньковой или соломенной веревки 3. На полученную поверхность наносили специальную массу 4, приготовленную из глины, шерсти и конского навоза, и шаблоном 5 вытачивали верхний контур ствола. Таким образом накладывали несколько слоев глиняной массы, причем каждый слой перед нанесением последующего тщательно сушили. После получения окончательного контура ствола, к нему приделывали деревянные модели будущих цапф 6, наносили изготовленные но гипсовым моделям украшения, надписи, орнамент и снова сушили. Таким образом получалась разовая модель пушки 7. На нее наносили слой из смеси сала, воска и молотого угля и готовили верхнюю форму из той же самой глиняной смеси, послойно. По достижении необходимой толщины форму скрепляли снаружи металлическими обручами и проволокой и окончательно сушили. После сушки разматывали веревочный стержень и извлекали фальшивую модель. Затем присоединяли к форме отдельно приготовленную таким же образом форму казенной части пушки 8. Внутреннюю часть ствола выполняли стержнем, основой которого служил металлический прут 9. Стержень изготавливали по такому же принципу, как фальшивую модель. Затем одним концом стержень устанавливали в опору, а другой распирали металлической шайбой специальной конструкции, которая называлась жеребейкой 10. Формы заливали в вертикальном положении через дульную часть., Затем форму разрушали, извлекали отливку и очищали ее от пригоревшей земли. Эта сложная технология изготовления отливок по глиняной модели и в глиняные формы сохранилась вплоть до XVIII в.

В XVIII в. для формовки начали применять деревянные модели, которые затем были заменены металлическими. В 1708 г. в Англии был получен первый патент на способ литья в сырые песчано-глинистые формы, а в 1772 г. во Франции Реомюр применил вместо деревянных опок чугунные. Так постепенно получил развитие способ сырой формовки по «постоянным» моделям в металлических опоках. Особенно большим толчком в развитии песчано-глинистой формовки явилось предложение видного ученого и деятеля французской революции Гаспара Монжа, который впервые применил формовку пушек по постоянной модели в песчано-глинистой сыпучей смеси в двух металлических опоках (рис. 17). Сам Монж описывает свой способ следующим образом: «При отливке в песок модель орудия делается из меди или дерева. Модель разделена на части, которые формуются по отдельности. Для каждой части предназначена специальная чугунная опока, состоящая из двух частей».

Рис. 17. Формовка пушки в опоках

В 1816 г. в «Руководстве по металлургии железа» Карстена была дана следующая классификация способов формовки:
A.       Формовка в тощем песке.

1.       Формовка в почве:
а) открытая формовка в почве,
б)       формовка в почве со стержнями,
в)       закрытая формовка в почве.

2.       Формовка в опоках:
а)       в двух опоках,
б)       в трех опоках.

Б. Формовка в жирной земле и массе.

B.       Формовка в глине.

Г. Художественная формовка.

Д. Кокильное литье (литье в металлические формы).

Стержни уже в это время изготавливали отдельно по стержневым ящикам. Таким образом, к началу XIX в. практически сложились основные способы ручной формовки отливок в песчано-глинистые формы, которые, несмотря на значительные последующие усовершенствования, сохранились и по настоящее время.

Для того чтобы полностью представить эволюцию литейной формы и мастерство литейщиков при изготовлении отливок, вкратце познакомимся с восковой формовкой, которую еще в VI в. н. э. славяне применяли для получения художественного литья. Технологический процесс изготовления скульптур в XVII—XVIII вв. составлял из следующих операций. Первоначально на кирпичный постамент в литейной устанавливали и строго фиксировали гипсовую модель памятника, изготовленную скульптурой, затем приступали к изготовлению гипсовой формы из отдельных кусков. Мастер-литейщик разбивал всю поверхность скульптуры на такое минимально необходимое количество кусков, которые можно было бы свободно извлекать, воспроизводя контур статуи. Эта работа требовала большого искусства. Пять-шесть отдельных кусков прижимали к модели единым куском, который служил как бы опорой и фиксатором. Таким образом получалась двухслойная гипсовая форма, состоящая из отдельных гипсовых частей, причем части внутреннего слоя выполняли непосредственно контур скульптуры. Затем гипсовую форму разбирали, снимали сначала куски наружной оболочки, а затем внутренней. Поверхность кусков, воспроизводившая отдельные части контура модели, покрывали салом и затем кисточкой послойно наносили воск необходимой толщины, которая соответствовала толщине тела будущей отливки. Затем на месте гипсовой модели устанавливали металлический каркас (рис. 18,а), который должен был служить опорой стержня, и приступали к сборке гипсовой формы, тщательно, в обратной последовательности укладывая куски первого и второго рядов. Через верхнюю часть формы заливали стержневой состав, состоящий из алебастра и измельченного кирпича. После затвердения стержня гипсовую форму разбирали, при этом восковая оболочка оставалась на стержне. Полученную таким образом восковую модель тщательно осматривали; если нужно, ее исправлял» как правило, сам скульптор. Затем устанавливали литниковую систему из воска (рис. 18,6) и приступали к изготовлению литейной формы. Для этого кистью на воск наносили слой сметанообразной формовочной смеси толщиной 0,3—0,5 мм до тех пор, пока общая толщина слоя не достигала 15—20 мм. После провяливания стержень оболочки начинали обкладывать сырым кирпичом (рис. 18,в) на толщину формы 150—200 мм. Затем форму снаружи скрепляли металлическими обручами (рис. 18,г). Готовую форму сушили, постепенно поднимая температуру до 120—150°С, и выдерживали, пока не выплавлялся весь воск. Воск собирали, взвешивали и определяли необходимую массу металла для заливки-формы. Затем форму обжигали при 900—950°С и в горячем виде заливали металлом. После охлаждения формы, ее разрушали и извлекали отливку. Процесс восковой формовки был положен советскими учеными в основу разработанного в нашей стране метода литья по выплавляемым моделям, который нашел широкое применение для получения высокоточных отливок  небольшого веса из качественных сталей и специальных сплавов для ответственных деталей машин в ракетной технике, авиации и в других отраслях народного хозяйства. При этом надо отметить, что технология получения форм по выплавляемым моделям претерпела коренные изменения, а сам процесс полностью автоматизирован.

Рис. 18. Формовка по восковым моделям