Проектирование и организация цехов специальных видов литья

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕХОВ ЛИТЬЯ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

При литье под давлением производство деталей из алюминиевых сплавов занимает первое место. Например, этим методом отливают такие сложнейшие отливки, как блоки цилиндров двигателей.

Второе место по выпуску и номенклатуре отливок занимают цинковые сплавы. Уменьшением толщины стенок компенсируется основной недостатокэтихсплавов– недостаточнаяплотность. Например, решетка автомобиля«Жигули» длиной1054 ммимеетстенкутолщиной1,25 мм.

Расширяется применение литья под давлением магниевых сплавов. Наряду с отливкой деталей приборов, биноклей, фото- и киноаппаратуры сплавы системы Mg-Al-Zn успешно используют в автомобилестроении и авиационной промышленности. Увеличивается номенклатура и повышается сложность отливок из медных сплавов. Из латуни отливают детали водопроводной арматуры массой до 6,3 кг. Благодаря повышению стойкости форм из спеченных металлокерамических Mo-W сплавов освоено промышленное литье под давлением черных сплавов, в основном коррозионно-стойких сталей.

Рекомендуемые мощности цехов: 2–3 тыс. т – для производства цинковых и бронзовых отливок массой до 1 кг; 5–6 тыс. т – для цинковых отливок массой до 5 кг и 5–6 тыс. т – для алюминиевых отливок массой до 5 кг и 10–12 тыс. т – массой до 20 кг.

Цехи литья под давлением обычно состоят из трех основных производственных подразделений в соответствии с основными этапами изготовления отливок – плавка металла, собственно изготовление отливок на машинах литья под давлением и отделка отливок. Помимо основных отделений в цехе обычно предусматривают вспомогательные участки, склады и лаборатории.

Примерныйсостав цеха литья отливокпод давлениемследующий:

–плавильное отделение с шихтовым двором и участком ремонта плавильного оборудования;

–отделение литья под давлением;

–участок изготовления стержней со смесеприготовлением (при литье под низким давлением);

–отделение обрубки и термической обработки отливок, в состав которого входит:

а) участок выбивки стержней (при литье под низким давлением);

б) участок обрезки и зачистки отливок;

10

в) участок дробеметной очистки отливок; г) участок термообработки; д) участок пропитки отливок; е) участок грунтовки отливок;

–мастерские службы механика и энергетика цеха;

–мастерские по ремонту пресс-форм, штампов, другой оснастки

иприспособлений;

–диспетчерская служба АСУП;

–экспресс-лаборатории;

–лаборатории по испытанию отливок;

–опытный участок;

–цеховые и межоперационные склады;

–подъемно-транспортные системы.

Если в цехе планируется отливка деталей из разных сплавов, то особое внимание следует обращать на меры, исключающие возможность перемешивания сплавов.

Определение объемов производства. Исходными данными для проектирования цехов литья под давлением являются производственная программа, чертежи и технические условия на литые детали. На основании исходных данных составляют ведомость объемов производства по форме, приведенной в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Форма ведомости объемов производства при литье под давлением

Ниже приведены ориентировочные показатели выхода годного при отливке под давлением алюминиевых деталей [1].

1.1. Проектирование технологического процесса литья под высоким давлением и расчет оборудования заливочных отделений

Основные вопросы литья под высоким давлением рассматриваются в работах [3–33].

Машины для литья под давлением бывают с горячей или холодной камерой прессования. Первые применяют в основном для получения отливок из сплавов с низкой температурой плавления на основе свинца, олова и цинка. Эти машины из-за низкой стойкости узла прессования, работающего в высокотемпературном расплаве, практически не используют для изготовления отливок из более тугоплавких сплавов.

Для получения отливок из сплавов на основе алюминия, магния и меди применяют машины с холодными камерами прессования (горизонтальными и вертикальными). Наиболее распространены машины с горизонтальными камерами прессования, как более производительные, имеющие меньшие потери теплоты и давления в литниковой системе.

Технические характеристики основных машин для литья под давлением (ЛПД) приведены в табл. 1.2, а также в работах [18; 19; 22; 30,

с. 103–133, 291–296; 31, с. 347–348; 32, с. 368–371; 33, с. 282–283].

Многие машины ЛПД оснащаются средствами автоматизации для очистки и смазки пресс-форм, а также для съема отливок и передачи их на пресс и других операций.

Модель машины выбирают на основании известных расчетов требуемого давления прессования и необходимого запирающего усилия машины по площади проекции отливки с литниковой системой. За-

12

тем проверяют достаточность емкости камеры прессования этой машины при выбранном давлении прессования.

При определении емкости камеры прессования следует стремиться к уменьшению ее диаметра, так как при этом повышается давление на сплав и уменьшается объем пресс-остатка.

Таблица 1.2

Технические характеристики некоторых машин для литья под давлением с горизонтальной холодной камерой прессования [1]

Рекомендуемые давления прессования в зависимости от конфигурации отливок из разных сплавов приведены в табл. 1.3.

13

Таблица 1.3

Рекомендуемые давления прессования, кПа 102 [1]

Обычно в паспорте машины для литья под давлением приводят график для определения ее производительности в зависимости от времени заливки металла, кристаллизации отливки и подготовки прессформы. Усредненные значения расчетной производительности машин литья под давлением с холодной камерой прессования приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Расчетная производительность машин литья под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования (заливок/ч) [1]

14

Окончание табл. 1.4

Примечание.

1. Производительность приведена для отливок без арматуры.

2. Сложность отливок: I категория – простые; II – средней сложности; III – сложные.

Для расчета количества машин литья под давлением всю номенклатуру отливок разбивают на группы по массе или габаритам, верхние пределы которых ограничиваются усилием запирания, размерами камеры прессования и мощностью прессования данных машин. Поэтому каждая группа отливок может изготавливаться только на определенном типе машин, указанные параметры которых являются оптимальными для данных отливок [34].

Количество требуемых машин каждого типа определяется по формуле [35]

где N – количество машин одного типа;

Г – количество запрессовок на годовую программу для машины рассчитываемого типа, запрессовок/год;

Фд – действительный годовой фонд времени работы машин, ч/год;

П – производительность машины, запрессовок/ч, принятая для рассчитываемой группы отливок;

м – коэффициент использования машины м = 0,8–0,85.

При многономенклатурной программе (например, в условиях серийного производства) в том случае, если переналадка машин не укладывается в нерабочее время или в обеденные перерывы, в расчетную формулу (в числитель) вводится коэффициент переналадки прессформ

15

f 1 Ttп ,

где tп – время, в течениегода затрачиваемоена переналадку, ч/год;

Т – загруженность машины (данной модели) на выполнение годовой программы, ч/год.

В литейном пролете машины могут размещаться в несколько рядов, но прессующие блоки обращают в сторону проездов. Машины располагают таким образом, чтобы к ним обеспечивался свободный доступ во время обслуживания и ремонта. Расстояние между осями машин 3–4 м и больше. В отделении предусматриваются краны или кран-балки грузоподъемностью 10–50 кН для установки и снятия пресс-форм, ремонта и монтажа оборудования. При наличии в цехе машин с усилием запирания 400–1600 кН в пролетах устанавливаются кран-балки грузоподъемностью 10 кН; при усилии запирания

1600–3500 кН – 20 кН; до 6500 кН – 30 кН; более 6500 кН – кран грузоподъемностью 50 кН [35].

Пресс-формы – основная оснастка в цехах литья под давлением. Высокая стоимость и трудоемкость их изготовления нередко являются препятствием для перевода деталей на литье под давлением. Взаимодействие с жидким металлом способствует разрушению рабочей поверхности пресс-форм. Для профилактики через каждые 10 тыс. заливок пресс-форму рекомендуется снимать с машины, раз-

бирать, очищать, а затем подвергать отпуску при 550 С. В проектах следует предусматривать помещения для наладки и профилактического ремонта пресс-форм. В качестве поверхностной обработки, удлиняющей срок службы пресс-формы, рекомендуется отпуск в среде водяного пара, в результате чего образуется прочный пористый слой окиси железа толщиной около 2,5 мкм. Такой изолирующий слой на поверхности амортизирует термический удар, снижая напряжения, возникающие в пресс-форме при ее работе.

Подготовка пресс-формы к работе заключается в ее подогреве и смазке. Существует оптимальная температура, при которой получаются отливки хорошего качества. С достаточной для практики точностью ее можно принимать равной 1/3 температуры заливаемого сплава. Для подогрева пресс-формы используют специальные газовые горелки, нагрев ведут медленно, чтобы обеспечить равномер-

16

ность прогрева. В дальнейшей работе нужную температуру поддерживают с помощью водяного охлаждения. Для охлаждения прессформ рекомендуется деминерализованная вода. Для сокращения расхода воды в цехах предусматривают систему оборотного водоснабжения. Пресс-формы в процессе работы смазывают. Назначение смазки – предохранить рабочие поверхности от эрозионного воздействия струи расплавленного металла, а также смягчить тепловой удар в процессе заполнения. Кроме того, смазка способствует разделению отливки и формы. Водорастворимые смазки могут служить в качестве дополнительного средства для охлаждения прессформы. Наряду со смазками для пресс-форм при эксплуатации машин с холодными камерами прессования применяют смазки для камеры прессования [1, 23].

Показатели стойкости пресс-форм приведены в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Средняя стойкость пресс-форм при литье под давлением

Пресс-формы хранят на складе, размещая их на стеллажах в сомкнутом состоянии для предотвращения повреждения рабочей поверхности. Они должны быть очищены и смазаны. Площадь склада пресс-форм принимают 4–6 % общей площади цехов массового и крупносерийного производства и 5–8 % площади цехов серийного производства.

Расчет требуемого количества пресс-форм в год по каждому наименованию отливок производится в соответствии с формой, представленной в табл. 1.6 (см. также табл. 1.1).

17

Таблица 1.6

Форма ведомости годовой потребности в пресс-формах

При разработке технологии изготовления отливки необходимо рассчитать минимальный диаметр камеры прессования, скорость прессования, скорость впуска металла в форму и время ее заполнения, площади питателей и коллектора, усилия прессования и запирания. При расчетах пользоваться даннымииз [5, 6, 8, 11, 12, 15, 16, 28].

Расчет площадей остальных отделений и участков цеха литья под высоким давлением осуществляется в соответствии с рекомендациями, изложенными ниже, а также в работах [36, 37].

При проектировании цеха следует использовать автоматические дозаторы для заливки металла и манипуляторы для извлечения отливок из пресс-форм. В условиях массового и крупносерийного производства рекомендуется применение роботов, а также установка рядом с литейными машинами прессов для обрубки литниковой состемы, облоя и просечки отверстий.

1.1.1.Контроль технологических режимов

Вусловиях литья под давлением, когда отливка формируется за период, исчисляемый сотыми и тысячными долями секунды, необходимо осуществлять строгий контроль и запись основных технологических режимов процесса. В этих целях современные машины оснащаются датчиками, измерительными или измерительно-записы-

18

вающими приборами. Так называемая приборизация машин позволяет повысить качество отливок, уменьшить процент брака и сократить время, требующееся на освоение новых форм при изменении номенклатуры отливок.

Главным преимуществом приборизации является стабилизация технологических режимов процесса, которая ведет к стабилизации качества продукции, одновременно повышая срок службы форм, машин и вспомогательного оборудования. Контроль режимов дает возможность корректировать значения отдельных параметров заполнения и подпрессовки путем совершенствования литниково-венти- ляционной системы, системы охлаждения форм и схемы управления машиной.

Подробная информация по контролю перемещения и скорости пресс-плунжера, давления прессования, усилия запирания, температуры пресс-формы и темпа работы машины, а также результаты разработок контрольно-измерительных комплексов для литья под давлением приводятся в работах [21; 26; 33, с. 158–183].

1.1.2. Автоматизация управления технологическим процессом

Изменение качества отливок связано с колебанием параметров технологического процесса. Нестабильность параметров процесса изготовления отливок приводит к появлению брака. Анализ процесса литья под давлением показывает, что брак отливок появляется по двум главным причинам: либо не оптимизированы режимы литья, либо они нарушаются при изготовлении отливок. Если режимы литья не оптимизированы, т. е. не найдены такие параметры технологического процесса, при которых качество отливок удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям, то необходимо провести исследования, связанные с определением оптимальных режимов. Если же оптимальные режимы найдены, а брак отливок возникает вследствие нарушения режимов литья, то это может происходить либо по вине литейщика, либо из-за оборудования. Литейщик, работающий на машине литья под давлением, не может в течение всей смены в одном и том же темпе выполнять операции по изготовлению отливок и поддерживать на заданном уровне технологические параметры. Чтобы исключить действие человеческого фактора на технологиче-

19