Проектирование литейной формы

Введение

В развитии литейного производства, так же как и в глобальной экономике, необходимыми факторами являются: повышение производительности и качества продукции. С помощью внедрения новых технологий и изобретательности инженерно-технического персонала можно значительно повысить как производительность, так и качество продукции.

С этой целью необходимо повышать качество подготовки специалистов, в результате чего получается огромная отдача в виде повышения производительности труда. Развитие литейного производства должно учитывать потребности потребителя, которые выражаются в отливках более высокого качества, при этом с низкой себестоимостью, что и привело к возникновению точной формовки.

В литейной промышленности особое внимание в развитии технологий уделяется трем отраслям:

- поставка продукции более высокого качества, с наращиванием объемов производства;

- преимущество использования более дешевой рабочей силы в определенных регионах;

- применение более строгих положений об охране окружающей среды, с внедрением и использованием безотходных технологий.

Перспектива развития литейного производства связана с изменениями в литейной технологии:

- компьютерное моделирование заполнения формы и затвердевания отливок, для проектирования литниковых систем, что позволит снизить дефекты;

- усиленный контроль над процессами плавки и модифицирования обеспечит получение отливок без отбела и с мелкозернистой структурой;

- применение литья по газифицируемым моделям, с противодавлением, различных методов принудительного охлаждения.

Визуальные системы, позволяющие машинам и роботам видеть, измерять и производить формовку, станут обычными в рамах массового производства. Будут применяться безотходные технологии.

На основании вышеизложенного, в проекте применяются индукционные печи, автоматические формовочные линии, стержневые автоматы и др.; оборудованные системами пыле- и газоочистки, системами автоматического контроля и регулирования, совершенными автоматизированными системами управления (АСУ) на основе электронных вычислительных машин (ЭВМ).

1 Назначение отливки и анализ ее технологичности

Деталь типа: корпус 54-20055А изготавливается из ВЧ (высокопрочного чугуна с шаровидным графитом) марки 45 ГОСТ 7293-85.

Назначение отливки:

Деталь работает в механизмах жатки при динамических нагрузках в условиях повышенного трения и износа, поэтому изготавливается из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, который обладает повышенной пластичностью, прочностью, износостойкостью и хорошими литейными свойствами.

Технологичной называют такую деталь, которая обеспечивает заданные эксплуатационные свойства механизма, позволяет при данной конструкции выполнить ее с наименьшими затратами. Деталь должна быть удобна для изготовления методом литья в песчано-глинистой форме (ПГФ).

Деталь представляет собой фигуру втулки, переходящей во фланец. Большая часть отливки располагается в нижней полуформе. Линия разъема плоская. В отливке имеется несколько отверстий. Центральное отверстие выполняется с помощью стержня и имеет припуск на механическую обработку. Четыре отверстия меньшего диаметра целесообразно выполнять сверлением. Всего отливка имеет четыре поверхности с припусками на механическую обработку, т.к. заданную чистоту поверхности нельзя получить методом литья.

Деталь изготавливают из высокопрочного чугуна, поэтому металл подводят через прибыли в массивные узлы во избежание усадочных раковин.

Эту деталь наиболее экономично изготовлять методом литья в песчано-глинистую форму. В целом деталь компактна и технологична.

Рисунок 1 Технологический процесс получения отливок в разовой

песчано-глинистой форме

2 Химический состав и механические свойства

Высокопрочный чугун с шаровидной формой графита (ВЧШГ) следует рассматривать как наиболее перспективный литейный сплав, с помощью которого можно успешно решать проблему снижения массы при сохранении их высокой надежности и долговечности. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по механическим свойствам приближается к углеродистым сталям, но имеет следующие преимущества: более низкую температуру плавления, лучшую жидкотекучесть, меньшую склонность к образования горячих трещин, несколько меньшую плотность, более высокую прочность и износостойкость, лучшую обрабатываемость резанием и способностью гасить вибрацию.

В сравнении с ковким чугуном преимуществами высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются: лучшие литейные и более высокие механические свойства, возможность во многих случаях обходиться без термической обработки, а также возможность применения для деталей любых сечений, массы и размеров.

По сравнению с серым чугуном он обладает более высокими прочностью, пластичностью, жаростойкостью и лучшей свариваемостью. Высокие значения механических свойств высокопрочного чугуна с шаровидным графитом дают также возможность заменять им серый чугун, причем возможны уменьшение толщины стенок и снижение массы отливок. Металлоемкость конструкции при этом можно снизить в 1,5-2 раза.

Отличительной особенностью этого чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные шаровидным графитом, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне ослабляет рабочее сечение металлической основы, и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия (эффекта надреза), благодаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентрации напряжений. Это позволяет наиболее полно (на 80 – 90%) реализовать прочность металлической основы.

Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью. Поэтому его с успехом применяют для изготовления ответственных, тяжело нагруженных деталей машин.

Номенклатура основных элементов, влияющих на механические свойства чугуна с шаровидным графитом, аналогична основным элементам серого чугуна с пластинчатым графитом. Кроме того, при производстве отливок из чугуна с шаровидным графитом следует обращать внимание на концентрацию примесных элементов, оказывающих вредное влияние на сфероидизацию графита. Ti, Bi, As, Sb, Pb, Al отрицательно влияют на образование шаровидной формы графита и снижают механические свойства чугуна. Для гарантированного получения шаровидной формы графита необходимо ограничить уровень содержания этих примесей в следующих пределах:

Ti ≤ 0,05%; Bi ≤ 0,005%; As ≤ 0,005%; Sb ≤ 0,01%; Pb ≤ 0,05%; Ab ≤ 0,05%.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается при модифицирования расплава реагентами, содержащими Mg, Ca, Ce, Y и др.

Таблица 1 Химический состав и механические свойства

Правильная шаровидная форма графита зависит от ряда факторов (состав металла, условия модифицирования, шихтовые материалы и прочие условия плавки), но в первую очередь она связана с содержанием остаточного Mg, Ce или др. сфероидизаторов. Значительное влияние на форму кристаллизующегося графита оказывает скорость охлаждения отливок: чем больше скорость, тем правильнее шаровидная форма графита. Кроме того, при этом уменьшаются размеры включений графита.

Состав металла является одним из основных факторов, определяющих механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Углерод не столь существенно влияет на механические свойства высокопрочного чугуна, как в обычном сером чугуне. В отливках из чугуна с шаровидным графитом желательно иметь повышенное содержание углерода, чтобы обеспечить более высокие литейные свойства. Концентрацию углерода рекомендуется поддерживать на уровне 3,4-3,7%.

Кремний оказывает значительное влияние на структуру и механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Практически регулирование количества феррита в высокопрочном чугуне в сыром состоянии осуществляют подбором содержания кремния в металле. Содержание 3,0-3,3% Si способствует получению устойчивой ферритной структуры; однако пластичность чугуна при этом понижается. Поэтому с точки зрения пластичности, следует принимать содержание Si = 2,0-2,4%, а для получения чистого феррита применять термическую обработку.

Марганец также оказывает влияние на структуру металлической основы и механические свойства чугуна (противоположное влиянию кремния), уменьшая количество феррита и увеличивая количество перлита, в связи с чем повышается предел прочности при растяжении (σB) и понижается относительное удлинение (δ). Поэтому для получения высокой пластичности содержание Mn не должно превышать 0,4%. Когда же некоторое количество перлита в литой структуре допустимо, как это имеет место на практике, количество Mn может находиться в пределах 0,4-0,8%.

Сера является поверхностно-активным элементом. При сфероидизирующей обработке чугуна Mg в первую очередь вступает во взаимодействие с серой. В связи с этим с повышением содержания S в исходном чугуне увеличивается расход Mg и возникают трудности в получении полностью шаровидной формы включений графита и высоких механических свойств отливок (образование сфероидизаторами сульфидов). Содержание серы в исходном чугуне для ответственных отливок не должно превышать 0,02%.

Фосфор резко снижает пластические свойства чугуна с шаровидным графитом. Содержание P в ответственных отливках должно быть ниже 0,1%, в противном случае в структуре образуется большое количество тройной фосфидной эвтектики, придающей чугуну хрупкость. Если высокое удлинение чугуна не является обязательным, и отливка не подвергается динамическим нагрузкам, то содержание Р может быть повышено до 0,12-0,15%.

Медь в количестве более 2% препятствует образованию шаровидного графита. Кроме того, Cu оказывает перлитизирующее влияние на структуру металлической основы, выравнивает распределение структурных составляющих и твердости по сечениям, способствует получению отливок без отбела, повышает прочность чугуна и упрощает технологию термической обработки. Для ответственных отливок рекомендуется вводить Cu в пределах до 1%.

Никель также оказывает перлитизирующее влияние на структуру металлической основы, повышает дисперсность перлита, выравнивает распределение структурных составляющих по сечениям, уменьшает склонность чугуна к отбелу. Присутствие Ni в чугуне с шаровидным графитом повышает его прочность и износостойкость. Оптимальная концентрация Ni для ответственных отливок составляет 0,8-1,2%.

Хром. Ввиду высокой склонности чугуна с шаровидным графитом к отбелу, из-за наличия в нем Mg, и сильного карбидообразующего действия Cr его содержание в исходном чугуне не должно превышать 0,05-0,07%.

Олово оказывает перлитизирующее влияние на структуру металлической основы чугуна с шаровидным графитом, способствует выравниванию структуры отливок в различных сечениях, увеличивает дисперсность перлита и стабилизирует эвтектоидный цементит. Олово при концентрации более 0,08% снижает пластические свойства чугуна. Оптимальное содержание Sn в чугуне с шаровидным графитом находится в пределах 0,05-0,08%. Олово имеет низкую температуру плавления, хорошо усваивается жидким чугуном и может использоваться как ковшовая присадка.

Магний и церий, применяющиеся как сфероидизаторы, обычно остаются в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом в количестве не менее 0,03 и 0,02% соответственно, в противном случае графит кристаллизуется в шаровидной форме частично, вследствие чего механические свойства чугуна понижаются. Излишне высокое остаточное содержание Mg и Ce приводит к образованию цементита в сырой структуре, а затем к «перемодифицированию» (образованию пластинчатого графита). Поэтому остаточное содержание Mg и Ce не должно превышать 0,08 и 0,05% соответственно.

Поэтому для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с заданными физико-химическими и механическими свойствами и структурой следует учитывать влияние этих элементов.

Помимо этого высокопрочный чугун с шаровидным графитом обладает повышенной износостойкостью, поэтому его применяют для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа и трения при высоких удельных давлениях и затрудненной смазке.

По герметичности чугун с шаровидным графитом значительно превосходит серый чугун из-за отсутствия графитной пористости и является материалом для отливок, работающих под большим давлением (400кгс/см2 и более). Это позволяет использовать его для производства деталей дизелей, насосов, гидравлических и газовых установок.

Коррозийная стойкость данного чугуна весьма высока. При коррозии чугуна очень быстро образуется поверхностный окисленный слой, препятствующий дальнейшему развитию коррозии. Особенно коррозийная стойкость высокопрочного чугуна с шаровидным графитом проявляется в условиях почвенной коррозии и в морской воде, значительно повышается при введении небольших легирующих добавок.

Этот чугун обладает высокой жаростойкостью и при температурах до 400-500°С механические свойства снижаются незначительно.

Чугун с шаровидным графитом обладает удовлетворительной свариваемостью. Сварка применяется для исправления дефектов в отливках, восстановления изношенных деталей и для получения сварно-литых конструкций на базе чугуна с шаровидным графитом или соединения чугунных отливок со стальными изделиями.

3 Проектирование литейной формы

В проектирование технологического процесса изготовления отливки по чертежу детали и технологической документации на данный процесс входит:

выбор способа литья; выбор метода формовки; выбор габаритных размеров опок и их крепления; конструкции модели, стержневых ящиков и т.д.

3.1 Выбор и обоснование метода формовки

Выбранный по заданию характер производства – массовый, годовая программа 15 000 тонн, поэтому заданная отливка может быть получена в песчано-глинистых разовых формах на АФЛ, конструкции НИИ тракторсельхозмаша. Такой метод литья является дешевым и широко применяется в массовом производстве отливок из чугуна. Тип формовочной линии зависит от габаритных размеров отливки в форме и производительности цеха.

Учитывая вышеуказанное, выбираем АФЛ типа ИЛ 225, конструкции НИИ тракторсельхозмаша. Такие формовочные линии успешно эксплуатируются в литейных цехах многих машиностроительных заводов, они имеют достаточно высокую производительность и надежность в эксплуатации.

Качественные отпечатки форм, повышенная точность размеров и чистота поверхности отливок, снижение припусков на механическую обработку, улучшенные санитарно-гигиенические условия работы, – все это позволяет достигнуть высокой эффективности в условиях массового производства.

3.2 Выбор разъема формы

Для определенного разъема формы для данной отливки учитываются рекомендации расположения отливок в форме.

В данном проекте в форме располагаются 10 отливок. Поверхность разъема форм при заливке, конфигурация данной отливки, позволяет выбрать плоскую линию разъема. Такая поверхность разъема обеспечивает свободное извлечение модели из формы и удобство в постановке стержней. Для выполнения отверстия в форме имеется стержень сложной конструкции.

3.3 Выбор габаритных размеров опок и способ их крепления

Габаритные размеры опок определяются: размерами модели, числом моделей и их расположением в опоке, размером литников и стержневых знаков. Учитывают также массу собранной полуформы, кроме того, следует учитывать: толщину слоя формовочной смеси вокруг отливки, которая не разрушается при заливке формы (расстояния от модели до стенки опоки) берутся для отливок: мелких от 30 до 50мм, средних от 50 до 100 мм, крупных от 100 до 150 мм.

Расстояния от стержневого знака до стенок опок 20-40 мм для мелких отливок, расстояние от модели до нижней или верхней плоскости опок 40-60 мм.

При формовке нескольких моделей в одной опоке расстояние между ними принимается для тонкостенных отливок и неглубоких форм, не менее 30 мм.

В данном проекте размеры опок в свету 900×600×175/175.

Важными элементами центрирования опок являются штыри и втулки. Существует два способа центрирования: штырем и на штырь. В данном проекте осуществляется способ центрирования на штырь. Штыри устанавливаются в нижние опоки, точность центрирования обеспечивается применением центральной и направляющей втулок, которые закрепляются в уголках верхней опоки, а также точной обработкой отверстий в этих втулках.

3.4 Определение количества деталей в форме, выбор и конструкция

литниковой системы

Количество отливок в форме влияет на самый важный показатель цеха –коэффициент выхода годных отливок (КВГ), поэтому в опоке размещено максимальное количество отливок, а именно 10 штук. При этом необходимо учитывать рекомендации о минимальном расстоянии между отливками и стенками опок. На количество отливок в форме влияют габариты и конструкции литниковой системы.

В данном проекте применяется конструкция литниковой системы по плоскости разъема с подводом металла в наиболее массивную часть отливки через прибыль, такой подвод питания обеспечивает принцип направленного затвердевания, и прибыль будет работать в течение всего периода кристаллизации массивного узла и образования усадочной раковины.

Длина горизонтальных каналов литниковой системы принимается конструктивно, но учитывается необходимость уменьшения массы литников, что повышает КВГ, по этому длина литникового хода должна быть минимальна.

Высота стояка зависит от высоты верхней опоки и от высоты литниковой воронки. Для регулирования скорости поступления расплава в форму и лучшего задержания шлака, а так же для предотвращения засоров вследствие размыва формы струей, вытекающей из питателя с большой скоростью, выбирают дроссельную литниковую систему: стояк – дроссель – шлакоуловитель.

Рисунок 3 Эскиз элементов литниковой системы

3.5 Припуски на механическую обработку

Для определения конструктивных размеров моделей необходимо установить припуски на механическую обработку, которые назначаются по ГОСТ 26645-85. Этот ГОСТ регламентирует допуски на размеры, массу и припуски для отливок на АФЛ. В соответствии с рекомендациями принимаем     8 квалитет точности, 3 ряд припусков.

Таблица 2 Припуски на механическую обработку

3.6 Определение количества стержней в форме

Стержни применяются для образования в отливке отверстий и полостей, а также для получения наружных поверхностей отливки. При заливке форм, стержни обычно со всех сторон окружены расплавом, поэтому они обеспечиваются соответствующим выбором стержневой смеси и конструкцией стержня. Конфигурация стержня должна быть удобной для изготовления стержневых ящиков и постановки стержня в форму.

Форма должна иметь минимальное число стержней простой конфигурации, или вовсе не иметь их, если можно заменить стержни болваном. В данном проекте в форму устанавливается один стержень сложной конфигурации.

3.7 Выбор стержневых знаков

Стержневые знаки предназначены для установки стрежней в форме. Величина стрежневых знаков определяется по ГОСТ 3212-92 и должна быть достаточной для устойчивого положения стержня в форме. Нижнее значение принимают больше верхнего. Если стержень простой, то верхние и нижние знаки принимаются одинаковыми.

Таблица 3 Размеры стержневых знаков

3.8 Зазоры между знаками формы и стержня

Во избежание поломок форм при сборке, стрежневые знаки модели изготавливают больше стержневых знаков стержней на величину зазора. Величина зазора выбирается по ГОСТ 3212-92.

S1 = S2 = 0,6 мм                                                        S3 = 1,5S1 = 0,9 мм

3.9 Выбор уклонов стержневых знаков

С целью облегчения сборки форм стрежневые знаки делаются с уклонами, которые определяются по ГОСТ 3212-92.

Таблица 4 Уклоны стержневых знаков

3.10 Величина наружных и внутренних уклонов в модели

Выбор формовочных уклонов осуществляется по ГОСТ 3212-92 при отсутствии конструктивных уклонов на вертикальной стенке модели. В данном проекте принимаются формовочные уклоны в сторону увеличения.

Таблица 5 Формовочные уклоны модели