Лекция 9. МАТИ – 3 курс.

Технология литейного производства.

Литейное производство состоит в получении заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму. Полость (внутреннее пространство) литейной формы имеет конфигурацию заготовки или детали. При охлаждении залитый металл затвердевает и сохраняет конфигурацию полости формы. Литейная форма раскрывается и из нее вынимают отливку.

Отливка может уже точно соответствовать форме и размерам нужной детали, т.е. сразу получают готовую деталь. Как правило, отливка немного отличается по размерам и форме от готовой детали. Такую отливку называют заготовкой, которую затем подвергают механической обработке вручную или на металлорежущих станках. После такой обработки заготовка становится готовой деталью.

Литье применяется во всех отраслях машиностроения. Литьем получают отливки как простой, так и сложной конфигурации, массой от нескольких граммов до нескольких сотен тонн. В ракетно-космической технике литье для изготовления деталей применяется ограниченно из-за того, что по прочности и жесткости литейные детали уступают аналогичным деталям, полученным обработкой давлением или обработкой на станках.

Литейные сплавы и их применение.

Литейные сплавы получают из двух или нескольких металлов и неметаллов. Такие сплавы должны обладать хорошей электро- и теплопроводностью, достаточной прочность и жесткостью.

Литейный сплав состоит из одного основного металла, реже из 2-3 основных металлов, и нескольких добавок (металлы и неметаллы), которые улучшают свойства основного металла. Содержание каждой добавки незначительное, несколько процентов или меньше процента. Также в основном металле содержатся в незначительном количестве другие химические элементы – остатки руды.

Для производства отливок применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, углеродистые и легированные стали, сплавы алюминия, магния, меди, титана и других металлов. Чугуны и стали называют черные металлы, сплавы алюминия, магния, титана, меди и некоторых других металлов называют цветные металлы.

Черные металлы.

Серый чугун. Состав в %: 2,8-3,5 C; 2,8-2,5 Si; 0,5-0,8 Mn; до 6 Р и до 0,12 S; остальное – железо Fe. Серый чугун легко обрабатывается и дешев, недостаток - хрупкость. Примеры марок серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ35. Серый чугун обладает хорошими литейными свойствами и из него изготавливают станины станков, корпуса и крышки редукторов.

Высокопрочный чугун. Состав в %: 3,2-3,6 C; 1,6-2,9 Si; 0,4-0,9 Mn; до 0,15 Р; до 0,02 S; не менее 0,04 Mg; остальное – железо Fe. Он обладает высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатывается. Высокие механические свойства этих чугунов достигаются магнием. Примеры марок высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 60, ВЧ 100 и т.д. Эти чугуны обладают высокими литейными свойствами. Высокопрочные чугуны используются для изготовления высоконагруженных отливок ответственного назначения: коленчатых валов, деталей турбин, прокатных валков.

Ковкий чугун. Состав в %: 2,4-2,8 C; 0,8-1,4 Si; до 1 Mn; 0,2 P; до 0,1 S; остальное железо - Fe. Он по прочности превосходит серый чугун и имеет высокую пластичность. Примеры обозначения ковкого чугуна: КЧ 30-6, КЧ 45-7, КЧ 55-4 и др. Из ковких чугунов изготовляют тонкостенные отливки массового производства.

Углеродистые стали. Состав в %: 0,12-0,6 C; 0,2-0,5 Si; 0,5-0,8 Mn; до 0,05 P и до 0,05 S, остальное – железо Fe. Они имеют более высокие механические свойства, чем чугуны. Значительную часть отливок изготавливают из сталей 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 55Л. Литейные свойства этих сталей удовлетворительные. Углеродистые стали применяют для изготовления станин прокатных станов, зубчатых колес, различных цилиндров.

Легированные стали отличаются от углеродистых тем, что в их состав дополнительно введены хром, никель, молибден, титан, марганец и другие элементы, которые придают им высокую коррозионную стойкость и ряд других свойств. Литейные свойства легированных сталей низкие. Из легированных сталей изготавливают детали газотурбинных двигателей, роторы, различную арматуру.

Цветные металлы.

Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью, сравнительно невысокой температурой плавления, высокой коррозионной стойкостью, высокими механическими и литейными свойствами, а также хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Из алюминиевых сплавов изготавливают блоки цилиндров, корпуса приборов и инструментов и другие детали для автомобильной, электротехнической промышленности, приборостроения и судостроения. Литейные алюминиевые сплавы применяются в ракетно-космической и авиационной технике.

Магниевые сплавы обладают малой плотностью, достаточно высокой прочностью, хорошо обрабатываются резанием. Недостаток - низкая коррозионная стойкость, пожароопасность, низкие литейные свойства. Из магниевых сплавов изготовляют корпуса приборов и инструментов, детали арматуры. Магниевые сплавы применяются и в ракетно-космической технике.

Медные сплавы имеют достаточно высокие механические свойства, высокую коррозионную стойкость, хорошую обрабатываемость, удовлетворительные литейные свойства. Для изготовления отливок применяют бронзы, латуни. Медные сплавы применяют при производстве арматуры, подшипников, гребных винтов, зубчатых колес.

Титановые сплавы обладают малой плотностью, большой прочностью, в том числе, при повышенных температурах. К недостаткам относят трудную обрабатываемость резанием, достаточно высокую стоимость. Титановые сплавы применяют для изготовления деталей реактивных двигателей, в химическом машиностроении, судостроении и медицинской промышленности. Применяются титановые сплавы и в авиационной и ракетно-космической технике.

Получение литейных сплавов.

Приготовление литейных сплавов связано с процессом плавления - переход из твердого состояния металла в жидкое. Для получения заданного химического состава и определенных свойств в сплав вводят в жидком или в твердом состоянии специальные легирующие элементы, например, Cu, Ni, Mn, Ti, Mo и другие.

Для размельчения структурных составляющих и равномерного их распределения по всему объему расплавленного металла в сплавы вводят добавки - Na, Zn, Mg, Si, Zr, Ca и другие.

Черные и цветные металлы плавят в печах и других плавильных агрегатах.

Литейные свойства сплавов.

Не все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления отливок. Из одних сплавов (например, серого чугуна) можно легко изготовить отливку сложной конфигурации, а из других (титановых сплавов, легированных сталей) получение отливок связано с трудностями. Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов. К литейным свойствам сплавов относят жидкотекучесть, усадку, склонность к образованию трещин, газопоглощение и ликвацию.

Жидкотекучесть - способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. В результате получается качественная отливка. При высокой жидкотекучести литейные сплавы заполняют все элементы литейной формы, при низкой – полость формы заполняется частично, в узких сечениях образуются недоливы. Жидкотекучесть зависит от химического состава сплава, температуры заливаемого сплава, теплопроводности материала формы. В зависимости от жидкотекучести выбирают минимальную толщину стенок отливок.

Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема отливки зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки и других факторов. Усадку надо учитывать, чтобы получить отливку нужной формы и размеров.

Склонность к образованию трещин – вероятность образования трещин в отливке при ее затвердевании при охлаждении (горячие трещины), а также при дальнейшем охлаждении уже твердой отливки до температуры окружающей среды (холодные трещины). Из-за усадки в отливках с различной толщиной стенок возникают внутренние напряжения и возможно образование трещин. Если в отливке образуются трещины, то она становится браком.

Газопоглощение - способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки и свойств литейной формы. При затвердевании и последующем охлаждении газы остаются в металле и в результате в отливке получаются газовые раковины и поры – небольшие пустота, заполненные газом. Таким образом, металл становится не сплошным, и его прочность и жесткость ухудшаются.

Ликвация – неоднородность химического состава в различных частях отливки. Различают зональную и дендритную ликвацию. Зональная – химическая неоднородность в объеме всей затвердевшей детали. Дендритная – в пределах одного зерна (дендрита) сплава. Ликвация зависит от химического состава сплава, конфигурации отливки, скорости охлаждения и других факторов.

Жидкотекучесть, усадку, склонность к образованию трещин, гозопоглощение и ликвацию проверяют на металлургических предприятиях при создании нового сплава. При необходимости меняют химический состав сплава, создают специальные условия при получении этого сплава. После того, как создан новый сплав, это значит что у него хорошая жидкотекучесть, приемлемая усадка, нет склонности к образованию трещин, низкие газопоглощение и ликвация.

Если затем в производстве появляются эти дефекты, то это происходит из-за неправильного созданного техпроцесса для изготовления отливки или из-за несоблюдения техпроцесса.

Лекция 10. МАТИ – 3 курс.

Способы изготовления отливок.

Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой элементы, образующие полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы, формы, изготовленные по выплавляемым моделям и др.), так и из металлов (кокили, пресс формы для литья под давлением и др.).

Изготовление отливок в песчаных формах.

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Этим способом изготовляют разнообразные по конфигурации отливки из черных и цветных металлов массой от нескольких десятков грамм до нескольких сотен тонн с толщиной стенки от 3-5 мм до 1000 мм и длиной до 10000 мм. Литье в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в литейных формах, которые изготовлены из формовочной смеси (песок и специальные добавки для скрепления песка). Формовочную смесь предварительно уплотняют вокруг модельного комплекта.

Литейная форма состоит из нижней и верхней полуформ, которые изготавливают в опоках – приспособлениях для удержания формовочной смеси. Нижнюю и верхнюю полуформы взаимно ориентируют с помощью металлических штырей, которые вставляют в отверстия опок. Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины в полости формы.

В каждой полуформе по отдельности засыпают формовочную смесь, устанавливают модельный комплект, уплотняют формовочную смесь, вынимают модельный комплект, получив отпечатки для детали и литниковой системы. Верхнюю полуформу устанавливают на нижнюю, заливают расплавленный металл, после его охлаждения и затвердевания раскрывают верхнюю и нижнюю полуформы. Затем удаляют формовочную смесь, очищают отливку, обрезают литниковую систему, зачищают заусенцы на отливке.

Литниковая система - каналы, по которым расплавленный металл течет из разливочного ковша в полость формы.

Модельный комплект - литейная модель и модель литниковой системы.

Литейная модель – из дерева, с ее помощью в формовочной смеси получают отпечаток, соответствующий конфигурации отливки.

Модель литниковой системы – тоже из дерева для получения отпечатка в формовочной смеси каналов литниковой системы.

Стержневой ящик – имеет рабочую полость для получения в ней литейного стержня нужных размеров и очертаний из стержневой смеси.

Модельные плиты формируют разъем литейной формы, на них закрепляют части модели, включая модели литниковой системы.

Формовочная смесь – это кварцевый песок, который выдерживает высокую температуру расплавленного металла. Для соединения частиц песка между собой применяют специальные добавки - глину, смолу и др. Для изготовления отливок используют облицовочную, наполнительные и единые формовочные смеси.

Литье по выплавляемым моделям.

Литье по выплавляемым моделям – процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, не требующих разъема, т.к. рабочая полость образуется благодаря удалению (вытеканию) легкоплавкого материала модели при ее предварительном нагревании. Выплавляемые модели делают из состава, содержащего парафин, воск и другие компоненты. Выплавляемые модели изготавливают в пресс-формах. Готовые модели собирают в блоки с общей литниковой соситемой. Затем эти блоки многократно погружают в жидкую огнеупорную смесь с последующим отвердеванием на воздухе. Получают формы, модели из которых удаляют, погружая в горячую воду. Затем формы заформовывают в опоки и производят заливку металла. Изготовление отливок литьем по выплавляемым моделям часто механизировано и автоматизировано.

Литье в кокиль.

Литье в кокиль - изготовление отливок из расплавленного металла в металлических формах, которые называют кокиль. В кокиле имеются полости, соответствующие конфигурации отливки и литниковой системы. Формирование отливки происходит при интенсивном отводе теплоты от расплавленного металла, от затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю.

Рабочую поверхность кокиля предварительно нагревают до температуры 150-180°С, покрывают из пульверизатора слоем огнеупорного покрытия покрытия толщиной 0,3-0,8 мм. Огнеупорное покрытие защищает рабочую поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой и позволяет регулировать скорость охлаждения отливки, обеспечивая высокое качество. Покрытия выполняют из огнеупорных материалов( кварцевой муки, талька, мела, графита), связующего материала (жидкого стекла) и воды. При необходимости в кокиле применяют песчаные и металлические стержни. Половинки кокиля соединяют и заливают расплав. После затвердевания отливки и ее охлаждения кокиль раскрывают и вынимают отливку.

Литье в кокиль позволяет сократить или полностью избежать расхода стержневых смесей, трудоемкие операции формовки и выбивки форм, повысить точность размеров отливок и уменьшить шероховатость поверхности, снизить объем механической обработки отливок. Этим способом отливают детали из чугуна, стали и сплавов цветных металлов для всех отраслей промышленности.

Общие принципы конструирования литых деталей.

Конструкция литой детали должна обеспечивать высокие механические характеристики при заданных массе, конфигурации, отклонении размеров и параметров шероховатости поверхности. При разработке конструкции литой детали конструктор должен учитывать литейные свойства сплавов, технологию изготовления отливок и способы их дальнейшей обработки.

Внешние контуры отливки должны представлять собой сочетание простых геометрических тел с преобладанием плоских прямолинейных поверхностей, соединяемых плавными переходами. Необходимо стремиться к уменьшению габаритных размеров, что облегчает изготовление модельного комплекта, формовку, сборку форм и очистку отливок. Отливка должна иметь плоский разъем и располагаться по возможности в нижней полуформе.

Контуры литой детали должны обеспечивать формовку без применения стержней, а необрабатываемые поверхности отливок, перпендикулярные к плоскости разъема, должны иметь конструктивные уклоны. При изготовлении отливки необходимо предусматривать формовочные уклоны, а отверстия следует получать с помощью стержней.

Иногда бывает целесообразно крупные и сложные литые конструкции разделять на более простые элементы или детали, а затем сваривать их между собой или соединять крепежными деталями. И наоборот, для повышения жесткости, уменьшения массы и сокращения объема механической обработки объединяют несколько простых деталей в одну.

Для разработки техпроцессов литья широко используют компьютеры, которые позволяют: проводить анализ чертежа детали; определять положение отливки в форме; назначать припуски на механическую обработку и формовочные уклоны; конструировать литниковую систему; осуществлять моделирование формирования отливки; выдавать соответствующую документацию – чертежи отливки, технологический процесс и чертежи литейной оснастки. Использование компьютеров для разработки техпроцесса изготовления отливок позволяет уменьшить затраты на разработку техпроцесса, повысить качество отливок и сократить сроки внедрения новых изделий.

Лекция 11. МАТИ – 3 курс.

Технология обработки давлением.

Обработкой давлением называют получение заготовок или деталей силовым воздействием инструмента на исходную заготовку из пластичного материала. Пластичный материал деформируется без разрушения. Многие металлы пластичны, некоторые из них обладают хорошей пластичностью в холодном состоянии (температура окружающей среды), для других применяют нагрев для увеличения пластичности.

Обработка давлением состоит в преобразовании исходной заготовки простой формы в заготовку или деталь более сложной формы того же объема. Обработкой давлением получают не только заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла как внутри детали, так и на ее поверхности. Высокая производительность, низкая себестоимость и высокое качество привели к широкому применению обработки давлением во всех отраслях машиностроения, в том числе и в ракетно-космической.

В зависимости от материала заготовки, формы и размеров изделий, типа производства применяют следующие виды обработки давлением:

1) прокатка,

2) волочение,

3) прессование,

4) ковка,

5) штамповка.

1. Прокатка.

Прокатка - деформирование холодного или нагретого металла вращающимися валками для изменения формы и размеров поперечного сечения и увеличения длины заготовки. На металлургических предприятиях металл получают из руды в виде слитков, которые подвергают затем прокатке.

Валки бывают:

а) гладкими для прокатки листов и лент,

б) калиброванными, которые имеют на рабочей поверхности вырезы в соответствии с требуемой формой (профилем) прокатываемого изделия. Совокупность двух вырезов пары валков образует калибр.

Обычно прокатка производится за несколько пропусков заготовки между валками с постепенным приближением ее формы и размеров к требуемым.

Технологические процессы прокатки состоят из двух стадий:

1) прокатки слитка в полупродукт,

2) прокатки полупродукта в готовый прокат.

Получаемый из полупродукта прокат применяют либо непосредственно в конструкциях, либо в качестве заготовок для последующей ковки, штамповки, сварки и изготовления деталей обработкой резанием на станках.

Совокупность различных профилей, получаемых прокатом, называют сортаментом, который делят на четыре группы:

1) листовой прокат,

2) сортовой прокат,

3) трубы,

4) прокат специальных видов.

Листовой прокат - листы толщиной 0,2 - 160 мм. Листы толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Сортовой прокат бывает:

а) простой - в сечении квадрат, круг, прямоугольник, шестигранник;

б) сложный - в сечении двутавровые балки, швеллеры, рельсы, уголки и другие сечения; чем сложнее профиль готового проката и чем больше его размеры отличаются от исходной заготовки, тем больше требуется калибров.

Трубы получают:

1) сваркой заготовок, свернутых из полосы, - сварные трубы диаметром 10-1400 мм,

2) прокаткой на автоматических трубопрокатных станах из заготовок круглого сечения - бесшовные трубы диаметром 30-650 мм.

Прокат специальных видов - колеса, кольца, оси, втулки, шары, зубчатые колеса, винты с крупной резьбой и т.д. получают на специальных станах за несколько проходов.

Большой эффект дает объединение процессов непрерывного литья заготовок с последующей прокаткой в одном литейно-прокатном агрегате, для чего необходима комплексная автоматизация.

2. Волочение.

Волочение заключается в протягивании заготовки с силой через сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокой. Конфигурация отверстия определяет форму получаемого профиля.

Исходными заготовками служат прокатанные или прессованные прутки и трубы. Волочением получают проволоку диаметром 0,02-10 мм, калибруют трубы диаметром 3-200 мм и прутки диаметром 3-150 мм. Калибровка – это уменьшение предельных отклонений размеров, например, наружного диаметра трубы. Волочение производят в холодном состоянии, что обеспечивает высокую точность размеров и требуемую шероховатость поверхности.

3. Прессование.

Прессование - это выдавливание с силой заготовки из контейнера через отверстие, соответствующее сечению выдавливаемого профиля. Исходной заготовкой является слиток или прокат. Прессованием получают прутки диаметром 3-250 мм, трубы диаметром 20-240 мм, профили различного поперечного сечения. Точность и возможная сложность получаемых профилей больше, чем при прокатке.