Методические рекомендации.

 

       Методические рекомендации (МР) составлены студентами 4-го курса факультета РК по специальности «Системы Автоматизированного Проектирования (САПР)» при прохождении первой технологической практики на кафедре «Технология обработки материалов (МТ 13)» под руководством доцента к. т. н. Ищенко В. В.

 

       При подготовке компьютерного варианта методических рекомендаций  и для составления баз данных студенты использовали:

Ø     информацию о передовом опыте современных технологий заготовительного производства, полученную с применением Интернет;

Ø     личные наблюдения, полученные при посещении Тушинского машиностроительного завода;

Ø     современные методические разработки преподавателей кафедры МТ 13 по системному подходу к составлению содержания учебного материала;

Ø     особенности формирования баз технологических данных и их использования для решения сложных задач;

Ø     иллюстрированный материал отечественных и зарубежных фирм по выделенной теме с учетом данных, полученных с применением Интернет;

Ø     содержание лекций, семинаров, домашних заданий;

Ø     содержание учебного материала по выделенной теме в соответствии с учебником А. М. Дальского и др. «Технология конструкционных материалов», Москва, Машиностроение, 1993.

 

      Данные методические рекомендации могут быть использованы студентами 1 – 3-его курсов при прохождении учебно-технологической практики по разделу ''Литье''.

 

Эскиз изготавливаемой детали.

 

 

Описание возможных материалов заготовки.

 

Серый чугун.

     

        Нашу деталь мы будем изготовлять согласно базе данных №1 из серого чугуна, поэтому мы рассмотрим этот материал более подробно.

        Серый чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления различных отливок. В сером чугуне углерод содержится в виде графита, который имеет пластинчатую форму. Серый чугун маркируют СЧ10-СЧ25 и т.д. Буквы обозначают принадлежность данного сплава к серым чугунам, цифры показывают временное сопротивление разрыву.

        Серый чугун обладает высоким сопротивлением  (100 – 450 МПа), повышенной твердостью (НВ 140 – 283), малым относительным удлинением (0,2 – 0,5 %). Вследствие низкой пластичности этот чугун не используется для деталей машин, работающих при ударных нагрузках. Однако серый чугун хорошо работает при сжимающих нагрузках, не чувствителен к внешним надрезам, гасит вибрации, имеет высокие антифрикционные свойства, легко обрабатывается резанием.

       По составу металлической массы серый чугун может быть ферритным, перлитно-ферритным и перлитным.

       Ферритный серый чугун состоит из вязкой основы – феррита и крупных пластинок графита, что обуславливает его низкую прочность. Его применяют для отливок неответственного назначения.

        Перлитно-ферритный серый чугун в своей структуре содержит перлит, феррит и графит, обладает повышенной прочностью, его широко используют для машиностроительных отливок из-за низкой стоимости по сравнению с перлитным чугуном.

        Перлитный серый чугун обладает высокой прочностью, которая обусловлена присутствием в его структуре перлита и мелких пластинок графита.

        Серый чугун имеет хорошие литейные свойства; высокую жидкотекучесть, позволяющую получить отливки с толщиной стенки 3 – 4мм; малую усадку (0,9 – 1,3%), обеспечивающую изготовление отливок без усадочных раковин, пористости и трещин.

        Отливки из серого чугуна нашли широкое применение в станкостроении, в автостроении, в тяжелом машиностроении, в электротехнической промышленности и других отраслях машиностроения.        

 

Ковкий чугун.

       

         Ковкий чугун получается путем длительного отжига отливок из белого чугуна. При отжиге образующийся графит приобретает компактную, хлопьевидную форму.

        Ковкий чугун маркируют КЧ37-12 – КЧ62-2 (всего девять марок). Буквы обозначают принадлежность данного сплава к ковкому чугуну, первые две цифры показывают временное сопротивление, вторые две или одна – относительное удлинение.

        Ковкий чугун обладает высоким временным сопротивлением (300 – 630 МПа), относительным удлинением (2 – 12%) и твердостью (НВ 149 – 269); высокими износостойкостью и сопротивлением ударным нагрузкам, хорошо обрабатывается резанием.

        По составу металлической массы ковкий чугун может быть ферритным или перлитным. Последний обладает высоким временным сопротивлением, но меньшей пластичностью.

        Из ковкого чугуна изготовляют отливки массой от нескольких граммов до 250 кг с толщиной стенок 3 – 50мм для автомобилестроения, для сельскохозяйственного машиностроения и для других отраслей машиностроения.

 

Высокопрочный чугун.

 

       В высокопрочном чугуне графит имеет шаровидную форму. Для получения графита шаровидной формы чугун модифицируют магнием с последующим модифицированием ферросилицием.

       Высокопрочный чугун обозначается: ВЧ38-17 – ВЧ120-4 (всего девять марок). Буквы обозначают принадлежность данного сплава к высокопрочным чугунам, первые две или три цифры показывают временное сопротивление, вторые одна или две цифры – относительное удлинение.

       Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства: временное сопротивление 373 – 1180 МПа, относительное удлинение 2 – 17%, твердость НВ 137 – 360, что обусловлено шаровидной формой графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет сечение металлической массы и не оказывает на нее надрезающего действия. Этот чугун имеет высокую износостойкость, хорошую коррозионную стойкость, теплостойкость, жаростойкость, хладностойкость и т.д. Высокопрочный чугун широко используют взамен литых стальных заготовок.

       По составу металлической массы высокопрочный чугун может быть ферритным, перлитно-ферритным и перлитным.

       Жидкотекучесть высокопрочного чугуна такая же, как и у серого чугуна при одном и том же химическом составе и прочих равных условиях (температуре заливки, скорости охлаждения и др.), что позволяет получать отливки с толщиной стенок 3 – 4мм сложной конфигурации. Линейная усадка высокопрочного чугуна составляет 1,25 – 1,7%. Это затрудняет изготовление отливок без усадочных дефектов.

       Отливки из высокопрочного чугуна применяют в тяжелом машиностроении, в металлургической промышленности при работе в условиях больших статических и динамических нагрузках. Это детали прокатного, кузнечно-прессового и горнорудного оборудования, а также дизелей, паровых, газовых и гидравлических турбин массой от нескольких килограммов до нескольких десятков тонн.

 

Сталь.

 

        Для изготовления отливок используют углеродистые и легированные стали. Литейные стали обозначаются аналогично конструкционным сталям. В марках углеродистых литейных сталей 15Л, 20Л – 60Л, легированных – 30ХГСЛ, 15Х18Н9ТЛ, 110Г13Л и т.п. буква Л означает принадлежность к литейным сталям.

        Углеродистые литейные стали обладают высокими временным сопротивлением (400 – 600МПа), относительным удлинением (10 – 24%), ударной вязкостью, достаточной износостойкостью при ударных нагрузках.

        Литейные стали имеют плохие литейные свойства: пониженную жидкотекучесть, значительную усадку (до 2,5%), что приводит к образованию усадочных раковин и пористости в отливках; стали склонны к образованию трещин.

        Стальные отливки из углеродистых сталей используют в металлургии, станкостроении, автотракторной промышленности, транспортном машиностроении и других отраслях. Из них изготовляют станины и валки прокатных станов, цилиндры, зубчатые колеса и т.д.

        Легированные стали используют в энергомашиностроении, химической и нефтегазовой промышленности, металлургии и др. Из них изготовляют турбинные лопатки, клапаны гидропрессов, арматуру химической и нефтегазовой промышленности, зубья ковшей экскаваторов и другие отливки.

        Стальные отливки получают массой от нескольких граммов до нескольких десятков тонн с толщиной стенки 1- 300мм.

         

Описание возможных способов литья.

 

Литье в песчаные формы.

 

        Сущность литья в песчаные формы заключается в заливке расплавленного металла в одноразовые разъемные песчаные формы, которые изготовляются путем уплотнения формовочной смеси над моделью.

        После заливки расплавом при кристаллизации, когда формируется конфигурация и механические свойства, происходит усадка отливки. И после охлаждения отливки до порядка 50% форму разрушают и отливку извлекают из формы.

        Способ ЛПФ наиболее распространенный. Им изготовляют 80% отливок, т.к. этот способ простой и дешевый. Однако литье в песчаные формы имеет крупный недостаток, отливки не имеют точных механических размеров, нужно давать припуск на механическую обработку и усадку.

        Последовательность изготовления отливок литьем в песчаную форму:

1)     Изготовление модели, изготовление стержневого ящика и стержней

2)     Изготовление формы из формовочной смеси, уплотнение формовочной смеси.

3)     Удаление модели отливки и литниковой системы.

4)     Сборка формы по направляющим штырям, заливка расплавленного металла.

5)     Выбивка отливки путем разрушения формы.

6)     Механическая обработка.

        Формовочная смесь – кварцевый песок, 3 – 5% огнеупорная глина, каменноугольная пыль (для повышенной податливости формы), древесные опилки для образования пористости (пример такого песка: http://www.cci.zp.ua/offers/users/orehov/sand_r.html).

        Стержневая смесь – более прочная на порядок формовочной смеси, т.к. в нее добавляют упрочнители (олифа).

        Технологические возможности способа:

Ø     припуск на механическую обработку;

Ø     шероховатость 630 –80мкм;

Ø     можно изготовить деталь любой конфигурации (которая только не разрушает форму);

Ø     из любых сплавов кроме жаропрочных.

        Стоит добавить, что под сложной конфигурацией понимаются значительные перепады в размерах, не ровность поверхность, наличие выступов и т.д., в принципе это видно и так. Простая конфигурация это в основном более или менее ровная поверхность.

        Согласно базе данных №2 данный способ является наиболее подходящим для нашей детали, поэтому изобразим для нее эскиз песчаной формы.

 

Литье в кокиль.

 

       Заливка расплавленного металла в металлические формы.

       Виды:

1)     Вытряхные (не разъемные) – отливки простой конфигурации.

2)     С вертикальным разъемом – отливки не сложной конфигурации с   небольшими выступами и впадинами на наружной поверхности.

3)     С горизонтальным разъемом – изготовление крупных простых по    конфигурации отливок.

       Полости в отливках оформляются песчаными, оболочковыми или металлическими стержнями. Для удаления воздуха и газов из полости формы по плоскости разъема кокиля выполняют вентиляционные каналы. Заданный тепловой режим обеспечивается системой подогрева и охлаждения кокиля. Перед работой рабочую поверхность кокиля и металлических стержней очищают от остатков теплозащитного покрытия. На рабочую поверхность кокиля наносят теплозащитное покрытие. Данное покрытие изготавливают из огнеупорных материалов. Теплозащитное покрытие наносят пульверизатором на предварительно нагретый (140 – 180 С) кокиль (толщина слоя 0,3 – 0,8мм). Заключительной операцией подготовки кокиля является его нагрев до температуры 350 – 450 С (в зависимости от сплава и толщины стенки). Сборка кокиля сводится к установке металлических или песчаных стержней в определенной последовательности: соединение половин кокиля и их скрепление. После заливки металла отливки охлаждают.

        Литье в кокиль применяется в массовом и серийном производстве для изготовления отливок с толщиной стенки 3 – 10мм из чугуна, стали и цветных металлов с массой от нескольких десятков грамм до нескольких сотен килограмм.  

 

Литье по выплавляемым моделям.

 

        Сущность способа заключается в изготовлении отливок путем заливки расплавленного металла в разовую тонкостенную неразъемную литейную форму, изготовленную из жидкой формовочной смеси по моделям разового производства.

        Модели изготавливаются из модельного состава (Тплав=45 – 50 С) путем запрессовки модельного состава в жидком или пастообразном состоянии, последующем затвердевании, охлаждении модели и извлечении ее из пресс-форм. Затем осуществляется сборка модельного блока.

        Формовочная смесь представляет собой огнеупорную суспензию, которая состоит из пылевидного кварца и связующего материала.

        Формы изготавливают окунанием модельного блока  в огнеупорную суспензию с последующей обсыпкой слоя (10 – 20сек.) кварцевым песком и сушкой (10 – 20мин.) на воздухе. Для получения оболочки 3 – 5мм наносят 4 – 6 слоев.

        Модель удаляют выплавлением модельного состава в воде нагретой до 95 – 90 С.

        Подготовка форм к заливке сводится к прокалке форм при t=850 – 900 C в течение 2-х – 8 часов с целью упрочнения формы, удаления влаги, удаления остатков модельного состава и нагрева формы перед заливкой.

        Нагретые перед заливкой формы (350 – 800 С) заливаются расплавленным металлом, после охлаждения металла форма разрушается и извлекается отливка.

       Отделение отливок от стояка осуществляется на автоматических обрезных прессах.

        Окончательная очистка отливок осуществляется 50% раствором щелочи нагретой до t=135 – 150 C. В этом растворе отливки выдерживаются от 0,5 до 8 часов, под действием щелочи остатки формы разрыхляются и легко отделяются от поверхности отливки.

        После очистки все отливки подвергаются термической обработке, после техническому контролю, те что прошли идут на механическую обработку, те что нет на переплав.

        Технологические возможности способа:

Ø     отливка любой конфигурации 1..5 групп сложности;

Ø     шероховатость поверхности может быть получена в широком диапазоне от 40мкм до 2,5мкм;

Ø     припуск на механическую обработку составляет от 0,5 до 2мм;

Ø     максимальные габариты отливки ограничиваются требуемой точностью размеров;

Ø     этим способом выпускаются отливки преимущественно из трудно обрабатываемых сплавов и сплавов со специальными свойствами;

Ø     при крупносерийном производстве более 3000шт в год

Ø     масса от 0,02 до 30 кг, минимальная толщина стенок 0,5мм и диаметр отверстий 1мм и более.

 

Литье под давлением.

 

         Сущность способа заключается в изготовлении отливок путем заливки расплавленного металла под внешним давлением в металлическую форму.

         Отливки изготовляются на специальных машинах. Пресс-форма нагревается до 150 – 200 С, и на нагретую рабочую поверхность наносят разделительную смазку 6 – 10мкм. Пресс-форму запирают и сжимают. В камеру пресс-формы заливается металл. Поршень под давлением плунжера перемещается в область пресс-формы. Там он охлаждается. После этого отливка извлекается: подвижная часть отводится, упирается в выталкиватель, отливка выталкивается.

          Технологические параметры:

Ø  Рпресс=40…100МПа;

Ø  Тпресс.ф.=150…250 С;

Ø  Vзапресс.металла=0,5…120м/сек.

Технологические возможности способа:

Ø  толщина стенки=0,7мм (лучшая 2 – 4мм);

Ø  масса отливки от нескольких грамм до 45 кг;

Ø  минимальный диаметр отверстия=1,5мм, за счет использования металлических стержней;

Ø  габариты 900 – 1000мм;

Ø  сплавы магниевые, медные (преимущественно цветные металлы);

Ø  минимальная партия до 2000шт;

Ø  разхмерная точность самая точная;

Ø  шероховатость меньше, чем по выплавляемым моделям.

   

Базы данных для нашей детали.

 

Выбор маршрутной технологии изготовления отливок.

(база данных №1)

 

Параметры

Интервалы варьирования

ИД

 

СЧ

КЧ

ВЧ

Ст.

 

 

 

УС

1,2

1,7

1,5

2

Масса

Масса > 10кг

1

 

2

1

2

1

 

Масса < 10кг

 

 

1

2

1

2

Выход

ВГ > 60%

1

 

2

1

2

1

годного

ВГ < 60%

 

 

1

2

1

2

Производство

 

 

 

 

 

 

 

 

< 300Ф/ч

 

 

2

1

1

1

 

> 300Ф/ч

1

 

1

2

2

2

Температура

Тзал > 1400 C

1

 

1

2

1

2

заливки

Тзал < 1400 C

 

 

2

1

2

1

Температура

Твыб < 1000 C

 

 

2

1

2

1

выбивки

Твыб > 1000 C

1

 

1

2

1

2

 

ИД – исходные данные, те данные, которые соответствуют нашей детали.

УС – условная стоимость.

ВГ – выход годного (процент используемого при заливке металла,   который пошел на деталь).

    Тзал – температура заливки металла.

    Твыб – температура выбивки металла.

Расчет апостериорной вероятности для выбора рационального сочетания способа литья и сплава, режимов формирования отливки:

УС сч = 1,2*2*2*1*1*1=4,8

УС кч =1,7*1*1*2*2*2= 13,6

УС вч =1,5*2*2*2*1*1=12

УС ст =2*1*1*2*2*2=16

По минимальной условной стоимости выбираем  чугунное (серый чугун) литьё.  По данным ссылкам можно посмотреть, что серый чугун находит наиболее частое применение, имея при этом не высокую стоимость http://www.labirint.ru/production/splav/price.html, http://www.udsu.ru/mz/new/spesification.htm, http://www.armalit.com/rus/Doc20.htm

 

  Выбор способа литья.

(база данных №2)

 

Параметры

Интервалы варьирования

ИД

 

ПФ

К

ВМ

Д

 

 

 

УС

1

1,1

1,6

1,5

Конф. нар.

Сложная

1

1,5

2

2

1

1

 

Простая

 

1

1

1

2

2

Конф.внутр.

Сложная

1

1,7

1

2

1

2

 

Простая

 

1

1

1

1

1

Сплавы

Ж - min , У - max (Ст.,М)

 

1,4

2

2

1

1

 

Ж - max , У - min (СЧ)

1

2

1

1

2

2

Серийность

Мелкосерийное (<10 000)

1

2

1

2

3

5

 

Крупносерийное (>10 000)

 

1

1

1

1

1

 Gвр

G >600 МПа

 

1,3

2

1

2

1

 

G <300 МПа

1

1

1

2

1

2

%MO

%MO > 10%

 

3

1

1

2

2

 

%MO < 5%

1

1

2

2

1

1

 

МО – механическая обработка (процент удаляемого из заготовки металла).

 

Расчет апостериорной вероятности для выбора способа литья:

УС пф =1,0*1,5*2*1,7*1*2*1*2*1*1*1*1*2=40,8

УС к    =1,1*1,5*2*1,7*2*2*1*2*2*1*2*1*2=179,52

УС вм =1,6*1,5*1*1,7*2*2*2*2*3*1*1*1*1=97,92

УС д    =1,5*1,5*1*1,7*2*2*2*2*5*1*2*1*1=612

По минимальной условной стоимости выбираем литьё в песчаные формы.

        По данным ссылкам можно посмотреть, какие еще бывают способы литья насколько они эффективней описанных нами в базе данных. И в то же время увидеть, что, не смотря не на что, наиболее предпочтительным, особенно для серого чугуна является литье в песчаные формы: http://www.ucast.kiev.ua/processr.html , http://www.samara.ru/~steel/ssz2.htm,

 

Эскиз песчаной формы.

1, 2 – полуформы;

3 – полость формы;

4 – песчаные стержни;

5 – литниковая чаша;

6 – стояк;

7 – шлакоуловитель;

8 – питатель;

9 – вентиляционные наколы.

 

 

Предложение по повышению технологичности.

 

Для повышения технологичности отливки необходимо: увеличить радиусы скруглений, литейные уклоны, вместо обычных стержней применить болваны.

 

Эскиз песчаной формы более технологичной конструкции.

 

        В данный момент помимо описанных выше способов литья находят применение новые прогрессивные способы, применение которых, например, в нашем случае может быть ускорило и облегчило процесс изготовление. Описание одного из них можно найти в Интернете по адресу:  http://www.delcam.ru/prototipirovanie/LOM1.html

 

        Много полезной информации связанной с литьем можно посмотреть по адресу http://www.foundry.ru/.

       Если нажмете сюда, то поисковый сервер YANDEX выдаст все доступные ему ссылки по поводу литья в песчаные формы.