- •Федеральное агентство по образованию
- •Введение
- •Классификация материалов
- •Свойства металлов и сплавов
- •Основы металлургического производства
- •Производство чугуна
- •Процесс выплаки стали
- •Состав чугуна и стали, %
- •Производство цветных металлов
- •2. По способу раскисления
- •Технология литейного производства
- •Изготовление отливок в песчаных формах
- •Изготовление отливок специальными способами литья
- •Обработка металлов давлением
- •Классификация процессов обработки металлов давлением
- •Виды машиностроительных профилей и их производство
- •Горячая объемная штамповка
- •Холодная объемная штамповка
- •Получение деталей из листа
- •Технология сварочного производства
- •Электродуговая сварка
- •Газовая сварка
- •Электро-контактная сварка
- •Пайка металлов и сплавов
- •Обработка металлов резанием
- •Специальные методы обработки
- •Контрольная работа
- •1. Исходные данные для разработки технологического процесса.
- •2. Основные этапы разработки технологического процесса
- •2.1. Выбор способа изготовления поковки
- •2.2. Выбор типа оборудования
- •2.3. Разработка чертежа поковки, заготовки
- •2.4. Расчет массы и размеров заготовки и определение коэффициента использования металла
- •2.6. Выбор способа нагрева и температурного интервала формообразования пластическим деформированием
- •2.7. Расчет мощности оборудования
- •2.8. Выбор режимов охлаждения, термообработки и очистки поковок
- •Варианты контрольной работы
- •Литература
Изготовление отливок специальными способами литья
Изготовление отливок в кокилях. Способ применяют в крупносерийном и массовом производстве
Этим способом отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы-кокили. Литейная форма изготавливается из теплостойкой легированной стали (обычно применяют 5ХНМ). Форма изготавливается разборной. Внутреннее очертание формы соответствует наружной конфигурации отливки. С целью исключения пригара заливаемого металла к поверхности формы внутренняя полость формы смазывается специальной краской или графитом. Стойкость формы достигает 500-600 шт отливок из чугуна и до 10000 штук для отливок из цветных металлов и сплавов.
При литье в кокиль сокращается расход формовочной и стержневой смесей. Затвердевание отливок происходит в условиях интенсивного отвода теплоты из залитого металла, что обеспечивает более высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных в песчаные формы. Кокильные отливки имеют высокую геометрическую точность размеров и малую шероховатость поверхности, что снижает припуски на механическую обработку вдвое по сравнению с литьем в песчаные формы. Этот способ литья высокопроизводителен.
Недостатки кокильного литья: высокая трудоемкость изготовления кокилей, их ограниченная стойкость, трудность изготовления сложных по конфигурации отливок.
Литье по выплавляемым моделям. При этом способе модель и литниковую систему изготавливается из легкоплавкого материала, обычно для этой цели применяют смесь парафина 50% и стеарина 50% (температура плавления 62С). В крупносерийном и массовом производстве модели изготавливают методом пластического деформирования. После изготовления к литниковой системе прикрепляют легкоплавкие модели. Изготовленное легкоплавкое устройство погружают в керамическую суспензию (песок + связующее). Затем устройство извлекают и просушивают. Вокруг легкоплавкого материала образуется тонкий упрочненный слой из суспензии. Количество погружений в суспензию должно обеспечить корочку толщиной 15-20 мм. Для повышения поверхностной корочки проводят обжиг в печи. Для удаления легкоплавкого материала полученное устройство погружают в кипящую воду или помещают в печь (Т=150-160С). Перед заливкой расплава металла, полученную керамическую форму помещают в опоку и засыпают песком, это необходимо для предотвращения разрушения формы при заливке. После заливки и кристаллизации проводится охлаждение до комнатной температуры, а затем на вибрационных установках извлекают полученные отливки с литниковой системой из опоки. Отделение отливки от литниковой системы проводится методом обрубки.
Технологический процесс изготовления отливок по выплавляемым моделям механизирован и автоматизирован. В массовом производстве используют автоматические установки для изготовления моделей, приготовления суспензии и нанесения ее на блоки моделей и обсыпки их кварцевым песком, для прокаливания и заливки форм и т. д., объединенные транспортными устройствами в автоматические линии.
Литье в оболочковые формы. При этом способе изготавленную металлическую модель нагревают до Т=200-220 С. Затем на нее устанавливают ограничительную рамку, куда засыпают специальную смесь (циркониевый концентрат + фенолформальдегидная смола ФФС). При этом происходит расплавление связующего компонента и заполнения пространства между отдельными песчинками. Далее выполняют окончательный нагрев до Т=400-420 С и ведержку 25 минут. На этой стадии происходит окончательное отверждевание состава. После этого металлическая модель вместе с рамкой извлекается из печи, охлаждается и с поверхности модели снимается оболочковая форма. По аналогичной технологии изготавливают литниковую систему. Затем производят сборку литейной формы.
Достоинства: высокая геометрическая точность позволяет в 2 раза снизить припуски на механическую обработку отливок. Применяя мелкозернистый кварцевый песок для форм, можно снизить шероховатость поверхности отливок.
Литье под давлением. Литьем под давлением получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осуществляют под давлением. Изготовляют отливки на машинах литья под давлением с холодной или горячей камерой прессования. В машинах с холодной камерой прессования камеры прессования располагаются либо горизонтально, либо вертикально.
Рис. 19 Схема процесса изготовления отливок на машинах с горизонтальной холодной камерой прессования
На машинах с горизонтальной холодной камерой прессования (рис. 19) порцию расплавленного металла заливают в камеру прессования 4 (рис. 19, а), которую плунжером 5 под давлением 40-100 МПа подают в полость пресс-формы (рис. 19, б}, состоящей из неподвижной 3 и подвижной 1 полу форм. Внутреннюю полость в отливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается (рис. 19, в), стержень 2 извлекается и отливка 7 выталкивателями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы. Перед заливкой пресс-форму нагревают до температуры 120-320° С. После удаления отливки рабочую поверхность пресс-формы обдувают воздухом и смазывают специальными материалами для предупреждения приваривания отливки к пресс-форме. Воздух и газы удаляют через каналы глубиной 0,05-0,15 мм и шириной 15 мм, расположенные в плоскости разъема пресс-формы, или вакуумированием рабочей полости перед заливкой расплавленного металла. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45 кг.
На машинах с горячей камерой прессования (рис. 20) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 7 с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера 3 расплавленный металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстия перекрываются, сплав под давлением 10-30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного металла из канала сливаются в камеру прессования, а отливка из пресс-формы удаляется выталкивателями 6. Такие машины используют при изготовлении отливок из цинковых и магниевых сплавов массой от нескольких граммов до 25 кг.
Рис. 20 Схема процесса изготовления отливок на машинах с горячей камерой прессования
При литье под давлением температуру заливки сплава выбирают на 10-20 С выше температуры ликвидуса. Литье под давлением используют в массовом и крупносерийном производствах отливок с минимальной толщиной стенок 0,8 мм, с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности за счет точной обработки и тщательного полирования рабочей полости пресс-формы; без механической обработки или с минимальными припусками, что резко сокращает объем механической обработки отливок; с высокой производительностью процесса.
Недостатки литья под давлением высокая стоимость пресс-форм и оборудования; ограниченность габаритных размеров и массы отливок; наличие воздушной пористости в массивных
Изготовление отливок центробежным литьем. При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.
Металлические формы изложницы изготовляют из чугуна и стали. Толщина изложницы обычно в 1,5-2 раза больше толщины отливки. В процессе литья изложницы снаружи охлаждают водой или воздухом. На рабочую поверхность изложницы наносят теплозащитные покрытия для увеличения срока их службы. Перед работой изложницы подогревают до температуры 200° С.
При получении чугунных водопроводных труб на машинах с горизонтальной осью вращения (рис. 21, а) изложницу 2 устанавливают на опорные ролики 7 и закрывают кожухом 6. Изложница 2 приводится во вращение электродвигателем 1. Расплавленный чугун из ковша 4 заливают через желоб 3, который в процессе заливки чугуна перемещается в направлении, показанном стрелкой, что обеспечивает получение равностенной отливки 5. Для образования раструба трубы используют либо песчаный, либо оболочковый стержень 8. После затвердевания залитого чугуна трубу извлекают из изложницы. На этих машинах изготовляют втулки, кольца и т. п.
При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вертикальной оси (рис. 21, б) расплавленный металл из разливочного ковша 4 заливают в литейную форму 2, укрепленную на шпинделе 1, который вращается от электродвигателя. Расплавленный металл центробежными силами прижимается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания. После остановки формы отливка 3 извлекается. На этих машинах изготовляют кольца большого диаметра высотой не более 500 мм.
На рис. 21, в показана схема процесса литья сложных тонкостенных рабочих колес на машинах с вертикальной осью вращения: 1, 6 - половины кокиля; 2 - стержень, который формирует канал рабочего колеса и его лопасти; 3 - стол машины; 4 - стержень, воспринимающий удар струи заливаемого металла; 5 - шпиндель центробежной машины. Частота вращения изложницы при центробежном литье составляет 150-1200 об/мин. Изложницы перед заливкой нагревают до температуры 150-200° С. Температуру заливки сплавов назначают на 100-150° С выше температуры ликвидуса.
Рис. 21 Схемы процессов изготовления отливок центробежным литьем
Преимущества центробежного литья—получение внутренних полостей трубных заготовок без применения стержней; большая экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы; возможность получения двухслойных заготовок, что достигается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь и чугун, чугун и бронза и т. д.).
Выбор рационального способа изготовления отливок
Современные требования, предъявляемые к литым заготовкам деталей машин, характеризуются максимальным приближением отливок по форме и размерам к готовым деталям, экономией металла, применением прогрессивных методов литья. Однако следует иметь в виду, что технические требования, предъявляемые к литым деталям, могут быть обеспечены одинаково надежно различными способами литья. При выборе оптимального способа получения литых деталей следует проводить сравнительный анализ возможных вариантов рассматриваемых технологических процессов литья. В качестве критериев сравнительного анализа способов литья принимают технологические возможности способов (масса и габаритные размеры отливок, сложность и требования, предъявляемые к ним, масштаб производства и др.), возможности способов литья в обеспечении равномерной мелкозернистой структуры, более высоких механических свойств.
Кроме того, необходимо учитывать литейные свойства сплавов. Например, если сплав обладает пониженной жидкотекучестью, то нежелательно применять литье в металлические формы-кокили. В этом случае целесообразно использовать литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и другие способы, применение которых повышает жидкотекучесть сплавов. Если для изготовления отливок используются сплавы с высокой усадкой, то нежелательно применять литье в кокиль и под давлением, так как возможно образование трещин в отливках из-за низкой податливости форм и из-за сложности установки прибылей.
При выборе способа литья необходимо учитывать технологичность конструкции литой детали применительно к рассматриваемым способам. Так, сложные по конфигурации отливки получают литьем под давлением, по выплавляемым моделям или в песчаных формах. Литьем в кокиль получают отливки с простой наружной конфигурацией, а центробежным литьем изготовляют, как правило, отливки типа тел вращения. Наиболее тонкостенные отливки получают литьем по выплавляемым моделям и литьем под давлением, при литье в кокиль стенки отливки должны быть значительно толще, чем при литье в песчаные формы, и. т. д.
Если при литье в песчаные формы габаритные размеры и масса отливок практически не ограничены, то специальные способы литья применяют для получения мелких и средних по массе отливок. Кроме того, следует выбирать такой способ литья, который обеспечивал бы получение отливок с заданной точностью и заданным параметром шереховатости поверхности. Малая шероховатость поверхности отливок позволяет сохранить литейную корку, которая, как правило, имеет повышенные твердость и износостойкость, снизить себестоимость готовых деталей за счет экономии металла и снижения трудоемкости при механической обработке.
Важными технико-экономическими критериями выбора рационального способа изготовления отливок являются экономия используемых материалов и минимальная себестоимость формообразования заготовок.
Таким образом, выбор рационального способа изготовления литых заготовок является многокритериальной задачей, для решения которой целесообразно использовать ЭВМ. Использование ЭВМ для выбора способа получения отливок предопределяет наличие математической модели и алгоритма соответствующего процесса.
Исходной информацией для выбора способа изготовления отливки с помощью ЭВМ являются чертеж детали и технические требования на нее; материал детали; программа выпуска; параметры, по которым осуществляется оптимизация способа получения литой детали, и т. д.
Дефекты отливок и их исправление
Дефекты отливок по внешним признакам подразделяют на наружные (песчаные раковины, перекос, недолив и др.); внутренние (раковины усадочные и газовые, трещины горячие и холодные и др.).
Песчаные раковины –открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы, недостаточного крепления выступающих частей формы и прочих причин.
Перекос – смещение одной части отливки относительно другой, возникающее в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной установки стержня в форму и других причин.
Недолив –некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низкой температурой заливки, недостаточной жидкотекучестью, недостаточным сечением элементов литниковой системы, неправильной конструкцией отливки (например, малая толщина стенки отливки) и др.
Усадочные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки с шероховатой поверхностью и грубокристаллическим строением. Эти дефекты возникают при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной конструкции отливки, неправильной установке прибылей, заливке перегретым металлом.
Газовые раковины– открытые или закрытые пустоты в теле отливки с чистой и гладкой поверхностью, которые возникают из-за недостаточной газопроницаемости формы и стержней, повышенной влажности формовочных смесей и стержней, насыщенности расплавленного металла газами и др.
Трещины горячие и холодные – разрывы в теле отливки, возникающие при заливке чрезмерно перегретым металлом, из-за неправильной конструкции литниковой системы и прибылей, неправильной конструкции отливки, повышенной неравномерной усадки, низкой податливости форм и стержней и др.
Методы обнаружения дефектов.Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром непосредственно после извлечения отливок из формы или после их очистки. Внутренние дефекты отливок выявляются радиографическими или ультразвуковыми методами дефектоскопии.
При использовании радиографических методов (рентгенографии, гаммаграфии) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, размеры и глубину его залегания.
При ультразвуковом контроле ультразвуковая волна, проходящая через стенку отливки, при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной и др.) частично отражается. По интенсивности отражения волны судят о наличии, размерах и глубине залегания дефектов.
Трещины в отливках выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией.
Методы исправления дефектов.Незначительные дефекты в ответственных местах отливок исправляют следующими методами:
Заделка дефектов замазками –декоративное исправление мелких поверхностных раковин на отливках. Перед заполнением мастикой дефектные места очищают от грязи и обезжиривают. После заполнения раковин мастикой исправленное место заглаживают, подсушивают и затирают пемзой или графитом.
Пропитывание составами применяют для устранения пористости отливок. С этой целью их погружают на 8-12 ч в водный раствор хлористого аммония. Проникая в промежутки между кристаллами металла, раствор образует оксиды, заполняющие поры отливок. Для устранения течи отливки из цветных сплавов пропитывают бакелитовым лаком.
Газовую и электрическую сварку применяют для исправления дефектов на необрабатываемых поверхностях (раковины, сквозные отверстия, трещины). Дефекты в чугунных отливках заваривают с использованием чугунных электродов и присадочных прутков, в стальных отливках – электродами соответствующего состава. Чугунные отливки перед заваркой нагревают до температуры 350-600 С, а после заварки их медленно охлаждают до температуры окружающей среды.