Семинары по литью.


Тема семинаров: Основы по составлению и использованию баз данных по технологии изготовления отливок из серых и высокопрочных чугунов и эвтектоидных и доэвтектоидных сталей.
Содержание семинаров:
Цель формирования баз технологических данных.

Базы технологических данных формируются с целью облегчить и ускорить поиск оптимального решения многих задач не только по разработке и анализу технологических решений, но и во многих других областях производства, что особо важно в условиях конкуренции. С помощью баз данных можно решать такие задачи, как, например, разработка технологического решения по изготовлению множества машиностроительных заготовок заданного качества и в определенном количестве в течение ограниченного времени при выделенных экономических, производственных, технологических, материальных и энергетических ограничениях и решать многие другие проблемы. Рассмотрим составление (таблица 1) и заполнение (таблица 2) базы данных по выбору технологии изготовления отливок из серых и высокопрочных чугунов и эвтектоидных и доэвтектоидных сталей. Сплавы, содержащие до 2.14% С, условно называют сталями, более 2.14% С - чугунами. Сталь, содержащая 0.8% С называется эвтектоидной сталью; сталь, содержащая менее 0.8% С - доэвтектоидной. Cталь, содержащая более 0.8% С называется заэвтектоидной сталью.

Составление базы данных по выбору технологии изготовления отливок из серых и высокопрочных чугунов и эвтектоидных и доэвтектоидных сталей.

Первая строка заполняется целевыми функциями для раздела "Основы литейной технологии". В этом качестве используем следующие сплавы:
а также предусмотрим графу для ввода исходных данных по решению задачи.
Первый столбец заполняется возможными технологическими показателями с их интервалами варьирования.

Таблица 1

Исходное задание Серые чугуны Высокопрочные чугуны Эвтектоидные стали Доэвтектоидные стали
Временное сопротивление:          
>600 Мпа          
<600 Мпа          
Пластичность:          
>12          
<5          
Содержание углерода:          
<0.8          
>2.7          
Температура заливки:          
>1600          
<1400          
Литье в песчаные формы.          
Литье в кокиль.          
Литье по выплавляемым моделям          
Непрерывное литье.          

Заполнение базы данных по выбору технологии изготовления отливок из серых и высокопрочных чугунов и эвтектоидных и доэвтектоидных сталей.

Заполнение базы данных заключается в том, чтобы отметить, насколько данный интервал варьирования технологического параметра применим к данной целевой функции. Для этого на пересечении соответствующей строки и столбца ставим 1 (если речь в залаче идет, например, о стоимости какого-либо процесса, то в таких цифрах оценивается "цена" технологического параметра по отношению к целевой функции). Таким образом мы получили наглядную картину по технологии изготовления отливок из:

Таблица 2

Исходное задание Серые чугуны Высокопрочные чугуны Эвтектоидные стали Доэвтектоидные стали
Временное сопротивление:          
>600 Мпа      1  1  1
<600 Мпа    1  1    1
Пластичность:          
>12      1  1  1
<5    1  1    1
Содержание углерода:          
<0.8        1  1
>2.7    1  1    
Температура заливки:          
>1600        1  1
<1400    1  1    
Литье в песчаные формы.    1  1  1  1
Литье в кокиль.    1  1    
Литье по выплавляемым моделям        1  1
Непрерывное литье.    1      

Отливки из серого чугуна.

Серый чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления различных отливок. В сером чугуне углерод содержится в виде графита, который имеет пластинчатую форму. Серый углерод маркируется СЧ10-СЧ25... Буква означает принадлежность данного сплава к серым чугунам, цифры показывают временное сопротивление разрыву.
Серый чугун обладает высоким временным сопротивлением (? вр = 100...450 МПа).
Твердость серого чугуна повышенная (НВ 140...238).
Относительное удлинение малое ( ? = 0.2...0.5%)
Вследствие низкой пластичности этот чугун не используют для деталей машин, работающих при ударных нагрузках. Однако серый чугун хорошо работает при сжимающих нагрузках, не чувствителен к внешним надрезам, гасит вибрации, имеет антифрикционные свойства, легко обрабатывается резанием.
Серый чугун имеет хорошие литейные свойства; высокую жидкотекучесть, позволяющую получать отливки с толщиной стенки 3-4 мм; малую усадку (0.9-1.3%) , обеспечивающую изготовление отливок без усадочных раковин, пористости и трещин.
Температура заливки серого чугуна <1400° С.
Микроструктуры серого чугуна.
Микроструктуры серого чугуна.
а - ферритный; б - перлитно-ферритный; в - перлитный:
1 - феррит; 2 - пластичный графит; 3 - перлит

Способы изготовления отливок из серого чугуна.

Преобладающее количество отливок из серого чугуна изготовляют в песчаных формах. Отливки повышенной точности получают литьем в оболочковые формы, в кокиль. Отливки типа тел вращения изготовляют центробежным литьем.
Так как серый чугун имеет высокие литейные свойства, это позволяет получать отливки в песчаных формах, как правило, без применения прибылей. Только в отдельных случаях применяют прибыли.
Температура заливки серого чугуна при изготовлении отливок <1400° C.
При изготовлении отливок из серого чугуна в кокилях в связи с повышенной скоростью охлаждения отливок при затвердевании начинает выделяться цементит - появляется отбел. Для предупреждения отбела на рабочую поверхность кокиля наносят малотеплопроводные защитные покрытия, кокили перед работой нагревают, а чугун подвергают модифицированию. Кроме того, для устранения отбела отливки подвергают отжигу.

Отливки из высокопрочного чугуна.

В высокопрочном чугуне графит имеет шаровидную форму. Для получения графита шаровидной формы чугун модифицируют магнием или церием с последующим модифицированием ферросилицием. Высокопрочный чугун обозначается: ВЧ38-17 - ВЧ120 - 4.
Буквы обозначают принадлежность к высокопрочным чугунам, первые цифры (две - три) показывают временное сопротивление, вторые - относительное удлинение.
Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства: временное сопротивление 373...1180 МПа , относительное удлинение 2...17%, твердость НВ137...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 .
Высокопрочный чугун широко используют взамен литых стальных заготовок. Жидкотекучесть высокопрочного чугуна такая же, как и у серого чугуна при одном и том же химическом составе и прочих равных условиях, что позволяет получать отливки с толщиной стенок 3-4мм сложной конфигурации. Литейная усадка высокопрочного чугуна составляет 1.25 - 1.7 %. Это затрудняет изготовление отливок без усадочных дефектов.
Микроструктуры высокопрочного чугуна.
Микроструктуры высокопрочного чугуна.
а - ферритный; б - перлитно-ферритный; в - перлитный:
1 - феррит; 2 - шаровидный графит; 3 - перлит

Способы изготовления отливок из высокопрочного чугуна.

Отливки из этого чугуна преимущественно изготовляют в песчаных формах, литьем в кокиль, центробежным литьем и другими способами.
Высокая усадка чугуна вызывает необходимость создания условий направленного затвердевания отливок для предупреждения образования усадочных раковин и пористости в массивных частях отливки путем установки прибылей и использования холодильников.
Для предупреждения трещин в отливках применяют формовочные смеси повышенной податливости. Расплавленный чугун в полость формы подводят через сужающуюся литниковую систему и как правило, через прибыль.
Температура заливки чугуна при изготовлении отливок назначается на 100 - 150° С выше температуры ликвидуса (<1400° С).

Отливки из сталей.

Для изготовления отливок используют углеродистые и легированные стали. В марках углеродистых сталей 15Л, 20Л - 60Л, легированных - 30ХГСЛ, 15Х18Н9ТЛ, 110Г13Л... буква Л означает принадлежность к литейным сталям.
Углеродистые литейные стали обладают высоким временным сопротивлением (400...600 МПа), относительное удлинение (10...24%), ударной вязкостью, достаточной износостойкостью при ударных нагрузках. Основной элемент, определяющий механические свойства углеродистых сталей - углерод.
Литейные стали имеет 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.
Для предупреждения усадочных раковин и пористости в отливках на массивных частях устанавливают прибыли, а в тепловых узлах отливок используют наружные и внутренние холодильники.
Для предупреждения трещин формы изготовляют из податливых формовочных смесей, в отливках предусматривают технологические ребра.
Высокая температура заливки (1550 - 1650 °С) требует применения формовочных и стержневых смесей с высокой огнеупорностью.

Способы изготовления отливок из сталей.

Для плавки литейных сталей, как правило, используют дуговые и индукционные печи, а также широко начинают использовать плазменно-индукционные печи.
Стальные отливки преимущественно изготовляют в песчанных и оболочковых формах, литьем по выплавляемым моделям, центробежным литьем, литьем в облицованные кокили и другими способами.
Для получения высоких механических и эксплутационных характеристик стальные отливки подвергают отжигу, нормализации и другим видам термической обработки.
Устройство плазменно-индукционной печи.
Устройство плазменно-индукционной печи
1 - плазмотрон; 2 - крышка; 3 - тигель:
4 - индуктор; 5 - подовый электрод

Пример решения задачи с использованием базы данных.

Тема: Анализ технологичности конструкции детали № 2 сборочного узла № 3 и синтез более технологичной конструкции.
Назначение сборочного узла: Машиностроительная промышленность (ветряная турбина).
Условия функционирования: Цель: Формирование баз технологических данных (БТД) для выбора способа последовательности изготовления, анализа технологичности; формирование технологического предложения для изготовления сборочного узла.

Чертеж детали. Исходные данные.

Чертеж детали

A, мм B, мм С, мм D, мм G.МПа Материал %МО Серийность
20 10 200 100 300 СЧ < 5 >10000

Заполнение баз технологических данных.

Выбор способа литья. Анализ технологичности.

Параметры

Интервалы варьирования

ДЗ

 

ПФ

К

ВМ

Д

 

 

 

УС

1,2

1,4

1,7

1,6

Конф. нар.

Фасонная

 

1,5

2

2

1

1

 

Простая

 

1

1

1

2

2

Конф.внутр.

Сложная

 

1,7

2

2

1

1

 

Простая

 

1

1

1

2

1

Размеры

A > B

 

1,2

1

1

2

2

 

A = B

 

1

1

1

1

1

ТС

TC < 15mm

 

1,2

2

2

1

1

 

TC > 15mm

 

1

1

1

2

2

%MO

%MO > 5%

 

3

1

1

2

2

 

%MO < 5%

 

1

2

2

1

1

Сплавы

Ж - min , У - max (Ст.,М)

 

2

2

2

1

1

 

Ж - max , У - min (СЧ)

 

1

1

1

2

2

Серийность

Мелкосерийное (<10 000)

 

1,6

1

2

2

2

 

Крупносерийное (>10 000)

 

1

1

1

1

1

Gвр

G >450 Мпа

 

1,3

2

1

2

1

 

G <450 Мпа

 

1

1

2

1

2

Выбор маршрутной технологии изготовления отливок.

Параметры

Интервалы варьирования

ДЗ

 

ПФ

К

ВМ

Д

 

 

 

УС

1,2

1,4

1,7

1,6

Конф. нар.

Фасонная

 

1,5

2

2

1

1

 

Простая

1

1

1

1

2

2

Конф.внутр.

Сложная

 

1,7

2

2

1

1

 

Простая

1

1

1

1

2

1

Размеры

A > B

 

1,2

1

1

2

2

 

A = B

1

1

1

1

1

1

ТС

TC <15mm

 

1,2

2

2

1

1

 

TC > 15mm

1

1

1

1

2

2

%MO

%MO > 5%

 

3

1

1

2

2

 

%MO < 5%

1

1

2

2

1

1

Сплавы

Ж - min , У - max (Ст.,М)

 

2

2

2

1

1

 

Ж - max , У - min (СЧ)

1

1

1

1

2

2

Серийность

Мелкосерийное (<10 000)

 

1,6

1

2

2

2

 

Крупносерийное (>10 000)

1

1

1

1

1

1

Gвр

G >450 Мпа

 

1,3

2

1

2

1

 

G <450 Мпа

1

1

1

2

1

2

Ввод исходных данных (ДЗ).

Выбор способа литья. Расчет апостериорной вероятности для выбора способа литья:

УС пф =1,2*1*1*1*1*1,2*1*1,2*2*1*2*1*1*1*1*1*1=6,912
УС к =1,4*1*1*1*1*1,2*1*1,2*2*1*2*1*1*1*1*1*2=16,128
УС вм =1,7*1*2*1*2*1,2*2*1,2*1*1*1*1*2*1*1*1*1=39,168
УС д = 1,6*1*2*1*1*1,2*2*1,2*1*1*1*1*2*1*1*1*2=36,864
По минимальной условной стоимости выбираем литьё в песчанную форму.

Выбор маршрутной технологии изготовления отливок.

Параметры

Интервалы варьирования

ДЗ

 

СЧ

КЧ

ВЧ

Ст

  

 

 

УС

1,2

1,7

1,5

2

Масса

Масса > 10кг

 

1,3

2

1

2

1

 

Масса < 10кг

1

1

1

2

1

2

Выход

ВГ > 60%

1

1

2

1

2

1

годного

ВГ < 60%

 

1,4

1

2

1

2

Температура

Тзал > 1400 C

1

1,2

1

2

1

2

заливки

Тзал < 1400 C

 

1

2

1

2

1

Температура

Твыб < 1000 C

 

1

2

1

2

1

выбивки

Твыб > 1000 C

1

1,1

1

2

1

2

Размеры

A > B

1

1,2

1

2

1

2

 

A = B

 

1

2

1

2

1

Расчет апостериорной вероятности для выбора рационального сочетания способа литья и сплава, режимов формирования отливки:
УС сч =1,2*1*1*1*2*1,2*1*1,1*1*1,2*1 =3,8016
УС кч =1,7*1*2*1*1*1,2*2*1,1*2*1,2*2 = 43,0848
УС вч = 1,5*1*1*1*2*1,2*1*1,1*1*1,2*1 = 4,752
УС ст = 2*1*2*1*1*1,2*2*1,1*2*1,2*2 = 50,688
По минимальной условной стоимости выбираем чугунное литьё.

Анализ технологичности конструкции литых деталей.

Параметры

Интервалы варьирования

ДЗ

 

ПФ

К

ВМ

Д

 

 

 

УС

1,2

1,4

1,7

1,6

Конф. нар.

Фасонная

 

1,5

2

2

1

1

 

Простая

1

1

1

1

2

2

Конф.внутр.

Сложная

 

1,7

2

2

1

1

 

Простая

1

1

1

1

2

1

Размеры

A > B

 

1,2

1

1

2

2

 

A = B

1

1

1

1

1

1

ТС

TC <15mm

 

1,2

2

2

1

1

 

TC > 15mm

1

1

1

1

2

2

%MO

%MO > 5%

 

3

1

1

2

2

 

%MO < 5%

1

1

2

2

1

1

Сплавы

Ж - min , У - max (Ст.,М)

 

2

2

2

1

1

 

Ж - max , У - min (СЧ)

1

1

1

1

2

2

Серийность

Мелкосерийное (<10 000)

 

1,6

1

2

2

2

 

Крупносерийное (>10 000)

1

1

1

1

1

1

Gвр

G >450 Мпа

 

1,3

2

1

2

1

 

G <450 Мпа

1

1

1

2

1

2

УС пф = 1,2*1*1*1*1*1*1*1*1*1*2*1*1*1*1 = 2,4
УС к = 1,4*1*1*1*1*1*1*1*1*1*2*1*1*1*1 = 2,8
УС вм = 1,7*1*2*1*2*1*1*1*2*1*1*1*2*1*1 = 27,2
УС д = 1,6*1*2*1*1*1*1*1*2*1*1*1*2*1*1 = 12,8
По минимальной условной стоимости технологичная конструкция получается чугунным литьем в песчанную форму.
В соответствии с техническим заданием по базам технологических данных 1,2,3 осуществляется расчет данных, позволяющий синтезировать более технологичную конструкцию.

Результатом расчета является чугунное литье в песчанную форму.

Техническое предложение:
Режимы формирования отливки:

Выход годного > 60%
Производительность > 300 Ф/ч
Температура заливки > 1400 град
Температура выбивки > 1000 град

Предложения по повышению технологичности.

Для повышения технологичности отливки необходимо:

Чертеж более технологичной детали

Чертеж более технологичной детали