Литье

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

 

 

 

 

 

Студентки-дипломника группы МТ5-Д1 Смолиной Е.Г.

 

 

 

 

 

 

Консультант по технологической  части Вербицкий В. И.

 

1.1. Выбор способа изготовления отливки.

 

Анализируя по нескольким технико-экономическим показателям (коэффициент выхода годного, коэффициент использования металла, стоимость оснастки, трудоемкость изготовления отливки, производительность) я пришла к выводу, что наиболее целесообразным является изготовление отливки в песчаную форму. Но, при литье в песчаную форму, учитывая конфигурацию отливки, мы можем изготовить ее двумя способами, а именно изменить плоскость разъема. Предпочтительным из этих двух способов является тот, в котором плоскость разъема выбрана так, что почти вся отливка находится в одной полуформе, а именно в нижней. Такой выбор связан с точностью отливки, так как при выбранном способе точность изготовления отливки является максимальной и ее плотность выше.

 

1.2. Определение расположения моделей в форме.

 

Определение минимального расстояния S между отливкой и нижней кромкой формы [28].

 см2

F - нижняя площадь отливки;

 см

P - периметр нижней части отливки;

F/P=1,07 см,

t=15 мм,

H=300 мм,

t – средняя толщина отливки;

H - напор металла.

S=50 мм.

50 мм – минимальное расстояние между отливкой и верхней поверхности формы;

30 мм – минимальное расстояние между отливкой и боковой поверхностью формы;

В опоку 900х700 размещаем 2 отливки.

Определим некоторые коэффициенты по которым можно судить о правильности решения.

η — коэффициент выхода годного;

Мотл — масса отливки;

Млпс — масса ЛПС.

Мотл=35 кг.

Млпс=36,5 кг.

КИМ — коэффициент использования металла;

Мдет — масса детали;

Мприп — масса припусков.

Мдет=28,7 кг.

Мприп=6,3 кг.

 

Vме -объем отливок с ЛПС,

Vсм -объем формовочной смеси.

 

1.3. Вычисление массы отливки.

 

Для дальнейших расчетов необходимо знать массу отливки.

Вычисление производим путем построения объемной модели в системе AutoCAD версии 14.

Мотл=35 кг.

 

1.4. Разработка литниково – питающей системы.

 

Правильный подвод металла  в форму имеет исключительно  важное значение для получения качественной отливки. В практике литейного производства брак из-за некачественной литниковой системы составляет не менее 30%. Поэтому правильно построенная литниковая система должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Обеспечить хорошее  заполнение формы металлом и  питание отливки в процессе  ее затвердевания.

2. Способствовать получению отливки с точными размерами, без поверхностных дефектов (засоров, ужимин, шлаковых включений и др.).

3. Литниковая система  должна способствовать направленному  затвердеванию отливки.

4. Расход металла на  литниковую систему должен быть  наименьший.

Литниковая система с подводом металла по плоскости разъема является наиболее простой.

1.5. Расчет литниковой системы.

 

Определяют площадь  сечения питателя исходя из законов  гидравлики, выведенных для установившегося  процесса:

Литниковую систему  для небольших отливок из высокопрочного чугуна рассчитывают по уравнению Озанна-Дитерта [16]:

t - время заливки.

s, m – коэффициенты, учитывающие толщину стенок. При d=15мм s=2,2, m=0,24.

Fп – площадь сечения питателя;

G - масса отливки с литниками и прибылями. G=49,2 кг.

hср - расчетный статический напор металла.

H0-начальный наибольший гидростатический напор; H0=0,3 м.

р - высота отливки над уровнем питателя; р=0,01 м.

С – общая высота отливки в положении при заливке; С=0,2 м.

Соотношение площадей стояка , шлакоуловителя и питателя для мелких отливок:

Fп. : Fш : Fст =1 : 1,1 : 1,15

Fп. – сечение шейки питающей бобышки;

Fш – сечение шлакоуловителя;

Fст – сечение стояка;

Определяем размеры сечения (трапеция) шлакоуловителя:

Берем высоту и меньшее основание  одинаковыми, при а=2,4см, с=3,1см.

Определяем размеры  сечения (трапеция) шлакоуловителя:

Берем высоту и меньшее  основание одинаковыми, при а=2,4см , с=2,4см

с - большее основание,

в - высота,

а - меньшее основание,

 

1.6. Определение размеров знаков стержней.

 

Определение размеров вертикальных знаков: при диаметре стержня 140 мм и длине стержня L=68 мм высота знака h=20 мм, диаметр d=60 мм и угол наклона b=15°.

 

1.7. Изготовление стержней.

 

Сушка стержней – одна из наиболее продолжительных операций процесса их изготовления. Этого недостатка не имеет способ изготовления стержней из смесей с быстротвердеющими связующими – синтетическими смолами – в горячих стержневых ящиках.

Сущность технологического процесса состоит в том, что стержневая смесь с быстротвердеющим связующим с помощью пескодувной машины вдувается в стержневой ящик, предварительно нагретый до определенной для данного связующего температуры. Под действием теплоты связующее при нагреве затвердевает, придавая прочность стержню. После непродолжительной выдержки (2-3 минуты), в зависимости от связующего и размеров стержня, ящик раскрывают и извлекают сухой и прочный стержень.

Основные преимущества этого технологического процесса: устранение сушки стержней; высокая прочность и малая осыпаемость стержней в сухом состоянии; хорошая газопроницаемость; высокая точность и качество поверхности; хорошая выбиваемость стержня из отливки. К недостаткам процесса следует отнести усложнение конструкции стержневых ящиков, повышение их стоимости.

Последовательность технологического процесса изготовления стержня в  горячем ящике на пескодувной машине. Половины стержневого ящика нагреваются газовыми горелками; после этого пескодувная головка с позиции загрузки смесью перемещается на рабочую позицию. Затем поворотная половина ящика поворачивается, а подвижная соединяется с ней. Ящик поджимается к пескодувной головке; происходит надув смеси в ящик; после этого ящик опускается; подвижная часть отъезжает, а поворотная поворачивается и происходит выталкивание стержня толкателем. Готовый стержень снимается с машины вилочным съемником; после опускания толкателей стержень остается на вилках съемника, а затем перемещается съемником из рабочей зоны машины.

Продолжительность выдержки стержня в ящике зависит от свойств связующего, толщины стенки стержня и его конфигурации и составляет от нескольких секунд до нескольких минут.

Для устранения прилипания стержневой смеси рабочую поверхность  ящика покрывают разделительным составом из 3%-ного раствора каучука  марки СКТ в уайт-спирите. Его  наносят с помощью пульверизатора на поверхность ящика, нагретую до 80-100°С, и подсушивают 10-15 минут. Последующие покрытия наносят при рабочей температуре. Стойкость покрытия 20-50 стержней. В таблице 1.1 приведены состав смеси, для изготовления стержней:

Табл.1.1. Массовая доля составляющих смеси,%

сплав

Связующее

Катализатор

Оксид железа

Графит

Стеарат кальция

чугун

КФ-90 2,2¾2,7

ЛСФ/А 0,7

0,7

0,1

0,1


 

1.8. Состав формовочной смеси.

 

1. Обогащенный или природный кварцевый песок класса 2К по ГОСТ 2138-74 зернистостью 0,2А(Б) и с содержанием глинистых составляющих не более 0,5%, SiO2- не менее 97%, щелочных примесей - суммарно не более 0,4%, в том числе наиболее активных - до 0,1%, pH песков должно быть в пределах 5,0-6,5. Температура песка перед употреблением должна быть 15-25ºС влажность не более 0,2%. В качестве добавки в стержневые смеси для предотвращения газовой пористости на поверхности отливок можно использовать (до1%) окись железа (МРТУ МХП 6-10-602-68).

2. Связующее- это синтетическая смола БС-40 (карбомиднофурановое связующее, ГОСТ ТУ605-031-492-73).

3. Катализатор - неорганический, марки АКО (азотная кислота и ортофосфорная кислота - смесь в соотношении 3: 4. ГОСТ 10678-76).

4. Поверхность металлической  оснастки покрывается автомобильным  воском, раствором парафина в уайт-спирте в соотношении 1: 1 или смесью машинного масла Ц-56 серебристым графитом в том же соотношении.

5. Противопригарными  покрытиями являются краски на  основе углеродистых материалов. Толщина красок не менее 1 мм. Противопригарная паста наносится на определенные поверхности отвержденных форм или стержней вручную, с толщиною 1,5-2,0 мм.

 

1.9. Оборудование для изготовления стержней.

 

Будем использовать пескодувную  машину модели V-TOP 935 с характеристиками:

—Наибольшие габаритные размеры стержневого ящика: 900х300;

—Производительность: 200 шт/ ч;

—Применение: уплотнение смеси за счет кинетической энергии струи сжатого воздуха со смесью и давления сжатого воздуха; на этой машине изготавливают стержни любой конфигурации в условиях серийного и массового производства.

Для этой машины целесообразно изготовлять  одновременно 4 стержня в одном ящике. Стержень простой. Материал стержневого ящика - чугун. Толщина стенок - 25 мм. Конструкция стержневого ящика показана на листе 4.

 

1.10. Краткое описание конструкции модели, модельных плит.

 

Для заданной отливки  модельный комплект необходимо изготовлять из чугуна, так как чугунными моделями можно формировать до 30000 форм средних размеров при серийном и массовом производстве отливок 1, 2 и 3 (частично) весовых групп. Выберем сплав СЧ 40.

Усадка этого сплава составляет 1%. Толщину стенок моделей примем 15 мм (по таблице). Припуски на механическую обработку отливок назначаем исходя из класса точности размерови масс и рядов припусков.

 

1.11. Расчет шихты.

 

Методом подбора [3]:

Высокопрочный чугун, используемый для  отливок автомобильных деталей, должен иметь такой состав, %:

Табл.1.2. Химический состав чугуна ВЧ 40

С, %

Si, %

Мn, %

Cr, %

P, %

S, %

3,3—3,4

1,9-2,9

0,2-0,6

0,1

<0,1

<0,02


 

Угар элементов при  плавке в индукционную тигельную  печь, %: 15 Si; 40 Mn.

Определяем среднее содержание кремния и марганца в шихте. Допустим, что искомое содержание кремния в шихте Х %, а марганца У %, угар кремния при плавке 0,15 Х, марганца 0,40 У.

В жидком металле остается:

кремня Х - 0,15*Х=0,85*Х;

марганца У- 0,40*У=0,60*У;

Средний химический состав для ВЧ40:

 

Табл.1.3. Средний химический состав чугуна ВЧ 40

С, %

Si, %

Мn, %

Cr, %

P, %

S, %

3,35

2,4

0,4

0,1

<0,1

<0,02


В соответствии с заданным химическим составом в жидком металле  должно оставаться в среднем:

Si – 2,4 %, Мn - 0,4 %. Таким образом:

Х = 2,4Si /0,85 = 2,82 %;

У= 0,4Мn /0,60 = 0,67 %;

В связи с сегодняшним  экономическим положением плавка будет  производиться в основном из некондиционных материалов (возврат собственного производства, брикетированная чугунная стружка, стальной лом).

Для плавки металла использую  индукционную тигельную печь. Такие  печи удобны в эксплуатации, в них  получают различные чугуны. Для плавки металла можно также использовать и вагранку. Однако открытые коксовые вагранки выбрасывают в атмосферу большое количество вредных газов и пыли, а также не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к температуре и качеству чугуна при производстве сложных отливок. К тому же одна тонна жидкого металла, полученная в вагранке холодного дутья, стоит 76,29 рублей за тонну, а одна тонна жидкого металла, полученная в индукционной печи, стоит 54,14 рублей за тонну (цены приведены на 1985 год). Еще можно также использовать и дуговую печь. Но для плавки чугуна в дуговой печи необходимо большее количество энергии. Например: для расплава 1 тонны в тигельной печи необходимо 750-1000 кВт, для расплава 1 тонны в дуговой печи необходимо 1000 кВт.

Технологический процесс  плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание, доведение химического состава чугуна до заданного, а также термовременную выдержку. Загружаемую шихту частично погружают в расплав, создавая сплошную электропроводную среду, в которой индуктором наводятся вихревые токи. Загрузка в жидкий металл (зумпф) необходима потому, что при использовании тока промышленной частоты в дискретных элементах наведение токов малоэффективно. Масса зумпфа доходит до 50% от общей массы металла в печи. Так, при плавке в печи с массой садки 12 тонн и зумпфе 5 тонн соблюдается такая последовательность и длительность периодов:

—загрузка 5 тонн шихты (кроме  возврата) –15 минут;

—расплавление -- 1 час 5 минут;

—доводка до заданного  химического состава -- 40 минут;

—загрузка возврата 1 тонна 10 минут;

—расплавление возврата 15 минут;

—доводка по температуре 25 минут.

Отсюда следует, что  часовая производительность печи составляет 1/3 от ее садки.

Массовая доля шихтовых компонентов [31]:

Табл. 1.4. Массовая доля шихтовых компонентов

Компоненты

С,%

Si,%

Mn,%

P,%

S,%

чугун Л1

3,5

3,3

0,5

0,11

0,02

чугун Л2

3,6

3,0

0,5

0,12

0,03

возврат собственного производства

3,3

2,1

0,7

0,10

0,09

стальной лом

0,2

0,3

0,8

0,05

0,05

брикетированная чугунная стружка

3,3

2,1

0,7

0,10

0,09


 

Расчет содержания компонентов  для первой плавки.

Табл. 1.5. Содержания компонентов для первой плавки

Компоненты

кг

%

С,%

Si,%

Mn,%

P,%

S,%

чугун Л1

5

5

0,175

0,165

0,025

0,0055

0,001

чугун Л2

10

10

0,36

0,33

0,05

0,012

0,003

возврат собственного производства

50

50

1,65

1,05

0,35

0,05

0,045

стальной лом

20

20

0,04

0,06

0,16

0,01

0,01

брикетированная чугунная стружка

15

15

0,5

0,015

0,105

0,015

0,0135

всего на сто килограмм  металла

100

100

2,72

1,62

0,69

0,0925

0,0725


 

Так как плавка в индукционной печи ведется с загрузкой шихты  в жидкий металл, оставшийся от предыдущей плавки. В связи с этим нагрев и расплавление шихты связан с растворением шихты в жидком металле, которое сопровождается массопереносом между фазами и поглощением теплоты не только на нагрев, но и на растворение. Это говорит о том, что в индукционной печи энергетически выгодно использовать низкокремнистые шихтовые материалы, а содержание кремния доводить до требуемого при помощи ферросплавов.

Будем использовать основную футеровку, так как кислая футеровка  менее стойка:

                            Табл. 1.6. Стойкость футеровки

основная

500-600 плавок

кислая

200-300 плавок


 

Количество флюса 3-5 % от всей массы шихты. На одну загрузку (12 тонн металла) нужно 0,5 тонн шлака. Всего  же флюса нужно 13,67 тонн. В качестве флюса будем использовать (по возможности битое стекло) песок.

Для повышения содержания углерода в шихту добавляют науглероживающие добавки - карбюризаторы. В качестве карбюризатора используем электродный  бой (усвоение углерода 80 %). Углерод  имеет угар 10 %. У нас в шихте  не хватает углерода:

3,35-2,72=0,63 %,

на угар:

Z - 0,1*Z = 0,90*Z;

Z=3,4C/0,9=3,78 %;

составляем пропорцию:

X/100=0,36/80;

X - в килограммах электродного боя на 100 килограмм;

X=0,788 кг

На одну садку печи (12 тонн) нужно 94,56 килограмм электродного боя.

Для повышения содержания кремния в шихту добавляют ферросилиций ФС-75, где 75 % кремния.

У нас в шихте не хватает кремния:

2,4-1,62=0,78 %,

составляем пропорцию:

X/100=0,78/75;

X - в киллограммах ферросилиций ФС-75 на 100 киллограмм;

X=1,04 кг

На одну садку печи (12 тонн) нужно 124,8 киллограмм ферросилиций ФС-75.

Для повышения содержания марганца в шихту добавляют ферромарганец  ФМн-75, где 75 % марганца.

Всего металла на одну плавку нужно 12 тонн, но так как мы используем в шихте около 50 % собственного возврата следовательно реально нужно металла 6 тонн.

Сфероидизирующая обработка и  инокулирование.

Десульфурация производится в тех случаях, когда шихта  или техника плавки не обеспечивают получение заданного содержания серы в расплаве перед глобуляризующей обработкой. Содержание серы в чугуне (после десульфурации) не должно превышать 0,01-0,25%.

Используем десульфурацию  продувкой через пористую огнеупорную  трубку (метод пористой пробки или Газаль-процесс). Метод позволяет в течении 1,5-2 минут снизить исходное содержание серы на 85-90% при расходе реагента (карбида кальция), равным примерно десятикратному исходному содержанию серы.

Десульфурация сопровождается значительными потерями температуры, что требует дополнительного  нагрева чугуна в электропечах до начала сфероидезирующей обработки, а также вызывает необходимость удаления отработанных реагентов и шлака из расплава.

Предсфероидизирующее  инокулирование имеет целью создание  в расплаве чугуна повышенного числа эффективных зародышей графита, что позволяет уменьшить переохлаждение, облегчить последующую сфероидизацию графита, а также после сфероидизирующее (вторичное) инокулирование. Предсфероидизирующее инокулирование выполняют обычно с помощью малых добавок графита, ферросилиция, карбида кремния, силикокальция или других реагентов.

Сфероидизирующая обработка. Формирование шаровидного графита  в промышленном чугуне обычно осуществляется малыми добавками магния. Хотя формирование шаровидного графита способствуют многие химические элементы (церий, кальций, литий, иттрий, натрий и другие), магний и его сплавы остаются наиболее экономичными и доступными сфероинизаторами графита в производстве чугуна с шаровидным графитом.

Наиболее распространенные сфероидизаторы – металлический  магний, магнийсодержащие лигатуры, магниевый кокс.

Наименьшие суммарные  издержки и ресурсоемкость производства обеспечивает конверторный способ сфероидезирующей обработки, при котором не требуется обессеривание, потери температуры минимальны, используется весь возврат собственного производства, расходуется наименьшее количество технологических материалов.

0,1% магния помещают  в реакционную камеру, закрытую  перфорированной огнеупорной крышкой, в ковш конверторного типа заливают чугун. При повороте ковша чугун реагирует с магнием.

Послесфероидизирующее (вторичное) инокулирование – обработка жидкого чугуна графитизирующими добавками (обычно ферросилицием) после сфероидезирующей добавки.

Лучший способ графитизации модифицированного чугуна заключается  в равномерной добавке инокулятора  в струю металла, где достаточно развита турбулентность, обеспечивающая быстрое растворение и однородное перемешивание по всему объему жидкого чугуна.

Порошково-струйное инокулирование предусматривает подачу инокулятора  зернистостью менее 1,5 миллиметров в струю воздуха, которая направлена в струю чугуна при выходе ее в заливочную воронку формы.

Самым эффективным и  стабильным средством инокулирования жидкого металла является графитизирующее модифицирование чугуна с шаровидным графитом в полости литейной формы. Однако этот метод сложный, так как требует тщательной проработки литниковых систем, достаточно высокой (1400°С) температуры заливки.

 

1.12. Расчет загрузки форм.

 

Для определения массы груза  или усилия, по которому должно быть выбрано крепление формы, необходимо подсчитать силу действия расплава на верхнюю полуформу.

При наличии стержней, которые при всплывании опираются  на верхнюю опоку, давление жидкого металла на верхнюю опоку определяется по формуле [28]:

P=F*H*Yм+Vст*Yм-VстYст.;

F - площадь горизонтальной проекции отливки на плоскость формы;

Vст - объем стержней;

Yст - удельный вес стержней;

Yм - удельный вес жидкого металла;

H - расстояние от поверхности приложения давления до уровня в литниковой чаше.

Н=300 мм;

 см2

Yм=7 г/см3

Yст=1,5 г/см3

Объем стержня определяем путем построения объемной модели в системе AutoCAD версии 14.

Vст=6,05*10-4 м3=605 см3;

 г=23,2 кг;

Так как отливок в форме две, то умножим на два:

P=23,2*2=46,4 кг

Нужно теперь сравнить вес полученный с весом верхней опоки:

Vоп=1,5*1,1*0,4=0,66 м3

Моп=1700*0,66+2148=3270 кг

Из расчетов видно, что опоки  нагружать ненужно.

 

1.13. Расчет потери перегрева при прохождении металла

через литниково - питающую систему.

 

тепловые потери перегрева  в стояке:

,

DТс - температура в конце стояка,

bф=1600 Вт*с /(м2*К),

bф - коэффициент аккумуляции формы,

ТL=1275 °С=1275+273=1548 К,

ТL - температура ликвидус,

Тф=20 °С=20+273=293 К,

Тф - температура формы (в данном случае температура окружающей среды),

Hс=0,3 м,

Hс - высота стояка,

C1=837 Дж/(кг*К) ,

C1 - удельная теплоемкость расплава,

r1=7000 кг/м3,

r1 - плотность жидкого металла,

Rс.=Vc/fc=0,0073 м ,

                                                             Vc=h*Fc=0,3*0,00069=0,000207 м³,

fc=pDc×h=0,02826 м²,

Rс   - приведенный размер стояка;

Vc   - объем стояка,

fc - площадь охлаждаемой поверхности стояка,                      

                                                     Uc=Hc/tc=0,3/0,59=0,51 м/с,

                                                     h=Hс=0,3 м,

                                                    mc=FcHcr=0,069×3×7=1,45 кг,

                                                    tc=(1,45×20)/(49,2)=0,59 с,

Uc - скорость течения расплава в стояке, м/с;

tc   - время прохождения рнасплава по стояку, с;

мс - масса стояка;

К ,

расчет потерь перегрева  при прохождении через соединение стояка со шлакоуловителем:

,

DТшл - температура в конце шлакоуловителя,

Rшл – приведенный размер шлакоуловителя, м;

Uшл – скорость течения расплава в шлакоуловителе, м/с;

                                                            Uшл=lшл/tшл=0,08/0,15=0,53 м/с ,

lшл – длина шлакоуловителя,            lшл=0,08 м,

Rшл=Fшл/Pшл=0,0066/0,1025=0,0064 м;

tшл - время заполнения расплавом шлакоуловителя;

mшл – масса шлакоуловителя,        mшл=0,37 кг;       

                                                         tшл=(0,37×20)/49,2=0,15 c;

Pшл - периметр шлакоуловителя,

Fшл – площадь шлакоуловителя,

К ,

расчет потерь перегрева  при прохождении через соединение шлакоуловителя с питателем:

,

Тшл - температура в конце шлакоуловителя,

Rп – приведенный размер питателя, м;

Uп – скорость течения расплава в питателе, м/с;

                                                           Uп=lп/tп=0,0225/0,038=0,59 м/с ,

lп – длина питателя,                       lп=0,0225 м,

                                                          Rп=Fп/Pп=0,0006/0,096=0,00625м;

tп - время заполнения расплавом питателя;

mп – масса питателя,        mп=0,0945 кг;       

                                                         tп=(0,0945×20)/49,2=0,038 c;

Pп - периметр питателя,

Fп - площадь питателя,

                           К ,

 

1.14. Расчет потери перегрева при прохождении металла

через отливку.

 

Учитывая конфигурацию отливки и для простоты расчетов, условно разбиваем ее на горизонтальный, два наклонных и один вертикальный каналы.

Расчет потери перегрева  при прохождении расплава через  горизонтальный канал.

Т1 - температура в конце первого участка,

L1=0,065 м,

L1 – длина первого канала,

Из рисунка 1 видно, что  площадь сечения канала S=2195,88 мм2 и периметр P=206,82 мм, следовательно объем равен:

V1=2195,88*40=87835,2 мм3;

S1=206,82*40=8272,8 мм2;

R1=V1/S1;

R1=87835,2/8272,8=10,62 мм=0,011 м;

R1 ¾ приведенный размер первого участка;

V1 — объем первого участка,

f1 — площадь охлаждаемой поверхности первого участка,

Литье 📙 Дипломная → 🆔 8722

Литье 📙 Дипломная → 🆔 8722

Литье