Технология изготовления отливок из цветных сплавов в серийном производстве

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение среднего профессионального  образования

«Северодвинский технический колледж»

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК

ИЗ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ В СЕРИЙНОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ

Дипломный проект

Пояснительная записка

СТК  150104. 13. 001  ПЗ

Специальность   150104     Литейное производство черных                                   

                                             и цветных металлов и сплавов

Студент  группы    Л - 418                                Консультант по экономической   части

Леонова Л.Ю. /___________/       Сероштанова С.С  /_______________                                                                                   (Ф.И.О.)                       ( подпись)                                                    (Ф,И,О)         (подпись)

Руководитель                                                   Рецензент

Гичко Г.М.  / _____________/     ____________/ _________________                                                                          (Ф.И.О.)                            (подпись)                                                        (Ф.И.О)                   (подпись)

2011

ВВЕДЕНИЕ.

Основные задачи и перспективы развития литейного производства.

Литейное производство страны многие годы находилось в сложных экономических условиях: в стране остро проявлялся кризис государственной инвестиционной системы, глубина и продолжительность которого привели к тяжёлым, а в ряде случаев к катастрофическим последствиям для целых научных направлений, институтов, больших и малых предприятий этой важной отрасли.

В таких условиях консолидация научных сил, использование производственного потенциала, формирование инновационной политики, решение проблемы подготовки кадров стали насущной задачей экономической и промышленной политики государства и промышленных предприятий, заботой учёных и специалистов, научных организаций и учебных заведений. Можно сказать, что в настоящее время стоит задача возрождения литейного производства как отрасли промышленности на современном мировом уровне с использованием новейшего оборудования и передовых технологий.

Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения, его развитие зависит от уровня машиностроительного комплекса в целом. Общее количество предприятий, входящих в машиностроительный комплекс России, составляет около 7500 единиц. Доля машиностроения в общем промышленном выпуске продукции составляет около 20%.

В современных условиях отдельным отраслям промышленности присущи различные темпы развития. Удельная доля отраслей в общем объёме машиностроительного производства составляет: автомобильная – 56%; электротехническая – 14%; тяжелое и энергетическое машиностроение – 8%; химическое и нефтяное машиностроение – 4%; дорожное и коммунальное машиностроение – 3,5%; станкостроение и приборостроение – 2,5%.

В каждой из перечисленных отраслей важное место занимает изготовление комплектующих современными методами точного литья. К сожалению, большая часть литейных производств не в состоянии обеспечить высокие требования сборочных производств по качеству литых деталей и комплектующих. Это вызвано наличием устаревшего и изношенного оборудования, на котором невозможно обеспечить необходимые режимы технологического процесса, применить современные материалы.

Литейное производство выгодно отличается от других заготовительных производств (поковки, штамповки, сварки) тем, что методом литья возможно изготавливать заготовки, максимально приближённые по геометрии к самым сложным деталям машин. При современных литейных технологиях коэффициент использования металла достигает 95-97% в цветном литье и более 80% - в чугунолитейном производстве. Без сомнения, литейное производство и в будущем сохранит лидирующее положение среди заготовительных производств.

Объёмы производства литых заготовок находятся в пропорциональной зависимости от объёмов производства машиностроительной продукции, так как доля литых деталей в автомобилях, тракторах, комбайнах, танках, самолётах и других машинах составляет 40-50%, а в металлорежущих станках и кузнечнопрессовом оборудовании доходит до 80% массы и до 25% стоимости изделия.

Резкое снижение выпуска продукции энергетического, тяжёлого машиностроения, судостроения, металлорежущих, деревообрабатывающих станков и кузнечнопрессового оборудования, тракторов, военной техники и др., начиная с 90-х гг., привело к тому, что выпуск отливок в России сократился с 18,5 млн. тонн в 1985 г. до 4,85 млн. тонн в 2000 г.

Серьёзной проблемой литейного производства остаётся экология. При производстве одной тонны отливок из сплавов чёрных металлов выделяется около 50 кг пыли, 250 кг окиси углерода, 1,5-2 кг окиси серы, 1 кг окиси углеводородов. Весьма важной проблемой является утилизация твёрдых отходов литейного производства. Отработанные формовочные и стержневые смеси, относящиеся к 4-й категории опасности, составляют 90% отходов. Поэтому для каждого предприятия с точки зрения экономической целесообразности и экологической безопасности производства требуется регенерация отработанных смесей в местах их образования. С этой целью необходима срочная реконструкция литейных цехов, которая должна осуществляться на базе новых, экологически чистых технологических процессов и материалов, прогрессивных плавильных агрегатов, смесеприготовительного и формообразующего оборудования, обеспечивающих получение высококачественных отливок, которые будут отвечать европейским и мировым стандартам.

Поэтому необходимо смелее и увереннее использовать отечественное литейное оборудование (формовочные машины, линии) производимые одним из крупнейших в Европе заводов литейного машиностроения "Сиблитмаш" (г. Новосибирск), плавильное оборудование компании "РЭЛТЕК" (г. Екатеринбург), отечественные формовочные связующие материалы, лигатуры и модификаторы. Для получения качественных литых заготовок в разовых песчаных формах в России имеются все необходимые исходные материалы (пески, глины, бентониты), выпускаемые Миллеровским, Хакасским, Воронежским, Лужским, Серпуховским горно-обогатительными комбинатами и другими предприятиями.

К сожалению, оборудование для ХТС в России не производится, и заводы вынуждены закупать итальянское, немецкое и английское смесеприготовительное оборудование. Сегодня у нас на станкостроительных заводах имеются незагруженные мощности, свободные конструкторы, и проблему изготовления этого несложного оборудования вполне можно решить.

Для выплавки чугуна и стали в России производятся плавильные комплексы высокой надёжности и качества, не уступающие немецким и американским. Компания "РЭЛТЕК" (г. Екатеринбург) по праву является лидером по производству электроплавильного и электротермического оборудования в России.

Мониторинг заводов в г. Санкт-Петербурге показал, что практически возможно обеспечение существующей потребности региона в отливках из любых сплавов.

За последние годы меняются приоритеты в развитии технологических процессов литейного производства в сторону их совместимости с окружающей средой. На первый план выходят экологические аспекты производства, которые определяются вредными выбросами в атмосферу, жёстко регламентируемыми Киотским протоколом.

Краткий анализ материалов о состоянии литейного производства говорит о том, что (наряду с рядом положительных тенденций развития литейного производства в России и регионе) продолжается его длительный и тяжёлый кризисный период, присущий, в основных системных вопросах, всему машиностроительному комплексу страны как базовому сектору её экономики. Инновационный путь развития машиностроения требует от руководителей всех уровней, предпринимателей, учёных и специалистов принятия срочных мер по модернизации и реконструкции литейных производств (как самостоятельных, так и в составе машиностроительных предприятий) для выведения их на уровень современных международных требований. Кроме того, необходимо приступить к разработке проектов создания специализированных литейных комплексов для удовлетворения потребностей различных заказчиков в высококачественной литейной продукции.

РАЗДЕЛ 1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ.

1.1 Сравнительные характеристики различных способов литья.

В настоящее время для получения литых деталей уже используется несколько десятков технологических процессов и их вариантов, обладающих достаточно широкой универсальностью или пригодных для изготовления узкой номенклатуры определенных отливок. Исторически сложилось деление этих способов на обычные, под которыми чаще всего подразумевают литье в песчано-глинистые формы, и специальные – это все остальные виды литья. С увеличением числа методов и вариантов получения отливок все острее ощущается необходимость в более четкой и детальной их классификации по основным общим признакам с целью систематизации изложения сущности разных методов, с тем чтобы облегчить понимание заложенных в них принципов и создание новых более эффективных способов литья.

Литье в песчано-глинистые формы является сравнительно простым и экономичным технологическим процессом. Во многих отраслях машиностроения (автомобилестроение, станкостроение, вагоностроение и др.) при массовом производстве отливок чаще всего применяется этот метод.

В основном, в качестве материала отливок используется серый чугун, обладающий хорошей жидкотекучестью и малой усадкой (1%), малоуглеродистая сталь (< 0,35%С). Весьма ограничено производятся таким способом отливки из медных и алюминиевых сплавов. Качество металла отливок весьма низкое, что связано с возможностью попадания в металл неметаллических включений, газовой пористостью (из за бурного газообразования при заливки металла во влажную форму). Форма отливок может быть весьма сложной, но все же ограничена необходимостью извлечения модели из формы; размеры отливки теоретически неограниченны. Таким способом получают самые крупные отливки (до сотни тонн). Это станины станков, корпуса турбин и т. д. Точность получаемых отливок обычно грубее 14 квалитета и определяется специальными нормами точности. Шероховатость поверхности отливок превышает 0,3мм, на поверхности часто наличествуют раковины и неметаллические включения. Поэтому сопрягаемые поверхности деталей, заготовки которых получают таким методом, всегда обрабатывают резанием.

Литье по выплавляемым моделям – это процесс в  котором для получения отливок применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Пред заливкой расплава модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием или испарением. Для удаления остатков модели и упрочнения формы ее нагревают до высоких температур. Прокалкой формы перед заливкой достигается практически полное исключение ее газотворности, улучшается заполняемость расплавом.

Достоинства литья по выплавляемым моделям:

1. возможность изготовления практически из любых сплавов отливок сложной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, высоким коэффициентом точности по массе, минимальными припусками на обработку резанием, с резким сокращением отходов металла в стружку
2. возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов
3. возможность экономически выгодно осуществления процесса в едином (опытном) и серийном производствах, что важно при создании новых машин и приборов
4. уменьшение расхода формовочных материалов для изготовления отливок, снижение материалоемкости производства
5. улучшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного производства на окружающую среду

Недостатки:

1. процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный
2. большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, и соответственно с этим сложность управления качеством
3. большая номенклатура материалов, используемых для получения формы (материалы для моделей, суспензии, обсыпки блоков, опорные материалы)
4. сложность манипуляторных операций изготовления моделей и форм, сложность автоматизации этих операций
5. повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного

Область применения: изготовление тонкостенных крупногабаритных отливок повышенной точности с целью уменьшить массу конструкции при повышении ее прочности, герметичности и других эксплуатационных свойств; изготовление отливок повышенной точности из сплавов с особыми свойствами и структурой.

Литье в кокиль – это литье металла, осуществляемое свободной заливкой кокилей. Кокиль – металлическая форма с естественным или принудительным охлаждением, заполняемая расплавленным металлом под действием гравитационных сил.

Достоинства:

1. обусловленное использованием металлической формы повышение качества отливки и стабильности показателей качества, в частности: механических свойств, структуры, плотности, шероховатости, точности размеров отливок
2. использование в металлических формах разовых песчаных стержней. Это существенно расширяет возможности способа при производстве фасонных отливок со сложными внешними и внутренними поверхностями
3. повышение производительности труда в результате исключения трудоемких операций смесеприготовления, формовки, очистки отливок
4. устранение тяжелых и вредных операций выбивки форм, очистки . условий труда, меньшее загрязнение окружающей среды
5. возможность механизации и автоматизации процесса изготовления отливки благодаря многократному использованию кокиля

Недостатки:

1. высокая стоимость кокиля, сложность и трудоемкость его изготовления.
2. ограниченная стойкость кокиля
3. высокая интенсивность охлаждения расплава в кокиле в сравнении с песчаной формой (ограничения по получению тонкостенных протяженных отливок)
4. неподатливость кокиля, которая приводит к появлению в отливках напряжений, а иногда и трещин
5. использование в кокиле большого числа песчаных стержней. Этот фактор снижает точность получаемых отливок и повышает в этих местах шероховатость поверхности отливок.

Область применения: вследствие высокой стоимости кокилей экономически целесообразно применять этот способ литья только в серийном  или массовом производстве.

Литье под давлением – это процесс принудительного заполнения рабочей полости металлической пресс-формы расплавом, где формирование отливки под действием сил от пресс-поршня, перемещающегося в камере прессования, заполненной расплавом.

Достоинства:

1. возможность изготовления отливок значительной площади с малой толщиной стенок (менее 1 мм)
2. возможность повышения качества отливок: отливка получается с высокой точностью размеров и низкой шероховатостью поверхности, практически не требует обработки резанием, механические свойства отливок получаются достаточно высокие
3. возможность многократного использования металлической пресс-формы,
4. малооперационный процесс получения отливки
5. значительное улучшение санитарно-гигиенических условий труда, вследствие устранения из литейного цеха формовочных материалов, меньшее загрязнение окружающей среды
6. возможность полной автоматизации процесса

Недостатки:

1. ограниченные мощностью машины габаритные размеры и масса отливок
2. высокая стоимость пресс-формы, сложность и трудоемкость изготовления, ограниченная стойкость
3. трудности выполнения отливок со сложными полостями, поднутрениями, карманами
4. наличие в отливках газовоздушной и усадочной пористости, которая снижает механические свойства материала отливок, их герметичность, затрудняет термическую обработку
5. наличие напряжений в отливках при усадке из-за неподатливости пресс-формы

Область применения: вследствие  высокой стоимости пресс-форм, сложности оборудования, высокой производительности экономически целесообразно применять литье под давлением в массовом и крупносерийном производстве точных отливок с минимальными припусками на обработку резанием из алюминиевых, цинковых, магниевых и медных сплавов.

Центробежное литье – это способ литья заключается в том, что заполнение формы расплавом и формирование отливки происходят при вращении формы либо вокруг горизонтальной, вертикальной и наклонной оси, либо при ее вращении по сложной траектории. Этим достигается дополнительное воздействие на расплав и затвердевающую отливку поля центробежных сил.

Достоинства:

1.      возможность заполняемости форм расплавом под действием центробежных сил

2.      повышение плотности отливок вследствие уменьшения  усадочных пор, раковин, газовых, шлаковых и неметаллических включений

3.      уменьшение расхода металла и повышение выхода годного благодаря отсутствию литниковой системы

4.      исключение затрат на стержни при изготовлении отливок типа втулок и труб

Недостатки:

1.      трудности получения отливок из сплавов, склонных к ликвации

2.      неточность размеров и необходимость повышенных припусков на обработку свободных поверхностей отливок

Область применения: получение пустотелых цилиндрических отливок с различными размерами и массой (труб из чугуна, стали, цветных и специальных сплавов, втулок и гильз и т.д.). Большое распространение получило центробежное литье для изготовления биметаллических изделий, изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением, при необходимости получения тонкостенных отливок со сложной геометрией и микрорельефом поверхности.

1.2 Обоснование выбора способа изготовления отливки.

Для изготовления отливки «Корпус» из материала БрА9Ж4Н4Мц1 применяется литье в песчаные формы, так как это самый универсальный способ литья. С помощью литья в песчаные формы можно изготовить отливки любой массы и конфигурации.

Этот способ литья позволяет обеспечить: 

1)                достаточную точность размеров;

2)                хорошую шероховатость поверхности корпуса, уменьшение шероховатости и улучшения качества поверхности достигается за счет применения мелкозернистых формовочных смесей;

3)                данный способ литья позволяет получить достаточные механические свойства и требуемую структуру;

Литье в песчаные формы считается «недорогим» способом литья, так как оснастка имеет достаточно низкую стоимость.

Литье в песчаные формы позволяет предупреждать дефекты с помощью использования определенных покрытий и замазок, и прочих способов предупреждения дефектов.

Недостатком литья в песчаные формы является невысокая производительность и плохие санитарно-гигиенические условия труда из-за большой запыленности и шума на рабочих местах.

1.3 Конструкция, назначение, условия работы детали. Марка материала.

Деталь «Корпус» работает в системе сброса пара на теплоходах, в условиях высоких температур, поэтому она должна обладать высокой коррозионной стойкостью и паростойкостью.

Деталь «Корпус» является тонкостенной. Минимальная толщина стенки – 9 мм, максимальная – 45 мм. Вследствие этого в отливке будут образовываться усадочные напряжения и потребуется подпитка прибылями тепловых узлов отливки во избежание образования усадочных раковин.

Деталь «Корпус» изготавливается из алюминиевой бронзы марки БрА9Ж4Н4Мц1. Бронза – сплав меди, обычно с оловом как основным легирующим элементом, но применяются и сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами.

Основным легирующим элементом бронзы марки БрА9Ж4Н4Мц1 является алюминий, она относится к безоловянным (алюминиевым) бронзам. Ее химический состав приведен в таблице 1.

Таблица 1 — Химический состав алюминиевой бронзы БрА9Ж4Н4Мц1 в    процентах

Отливка «Корпус», изготавливаемая литьем в разовые песчаные формы, в соответствие с требованиями ОСТ Р 5.9209-82 должна обладать механическими свойствами, представленными в таблице 2. Технологические свойства алюминиевой бронзы представлены в таблице 3.

Таблица 2 — Механические свойства алюминиевой бронзы БрА9Ж4Н4Мц1

Таблица 3 — Технологические свойства алюминиевой бронзы БрА9Ж4Н4Мц1

По механическим, коррозионным и антифрикционным свойствам алюминиевые бронзы превосходят оловянные. Имеют высокую коррозионную стойкость в морской и пресной воде, хорошо противостоят разрушению в условиях кавитации, обладают меньшим, чем оловянные бронзы, антифрикционным износом, обладают высокой теплопроводностью, электропроводностью, паростойкостью.

Механические, технические и эксплуатационные свойства этих сплавов улучшают легированием Fe, Mn, Ni:

      Fe и Mn – устраняют склонность алюминиевых бронз к образованию крупнозернистой структуры, тем самым повышают механические свойства;