Министерство  образования и науки Российской Федерации

    ФГОУ  высшего профессионального образования

    «Чувашский  государственный университет имени  И.Н.Ульянова»

    машиностроительный  факультет 

    Кафедра технологии металлов и

    литейного производства 
 
 
 
 
 

    Курсовой  проект

    на  тему: «Разработка технологии отливки  – Воронка» 
 
 
 
 
 

                                          Выполнил: студент  гр. МС 31-06

                                          Ефимов Д.В. 

                                          Проверил: доцент, к.т.н.

                                          Евлампиев А.А. 
 
 
 

    Чебоксары 2010

Задание на курсовой проект

 Содержание 

  Характеристика сплава СЧ 20

Механические свойства при Т=20 °С материала СЧ20

Физические  свойства материала  СЧ20

Химический  состав в % материала  СЧ20

Механические  свойства:

S_B – Предел кратковременной прочности, [МПа];

S_T – Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа];

d₅ – Относительное удлинение при разрыве, [ % ];

y – Относительное сужение, [ % ];

KCU –  Ударная вязкость , [ кДж / м²];

HB –  Твердость по Бринеллю, [МПа]. 

Физические  свойства:

T – Температура, при которой получены данные свойства, [Град];

E – Модуль упругости первого рода, [МПа];

a – Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20°–T), [1/Град];

I – Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м·град)];

r – Плотность материала, [кг/м³];

C – Удельная теплоемкость материала (диапазон 20°–T), [Дж/(кг·град)];

R – Удельное электросопротивление, [Ом·м]. 

Магнитные свойства:

H_C – Коэрцитивная сила (не более), [ А/м ];

Umax – Магнитная проницаемость (не более), [ МГн/м ];

P_1.0/50 – Удельные потери (не более) при магнитной индукции 1.0 Тл и частоте 50 Гц, [ Вт/кг ];

B₁₀₀  – Магнитная индукция Tл (не менее) в магнитных полях при напряженности магнитного поля 100, [ А/м ]. 

Свариваемость:

• без ограничений – сварка производится без подогрева и без последующей термообработки;
• ограниченно свариваемая – сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке;
• трудносвариваемая – для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки.

Глава 1 Проектирование технологии изготовления отливки

    1.1 Анализ технологичности отливки

    Анализ  технологичности выполняется для  выяснения соответствия конструкции  детали условиям и требованиям технологии литейного производства. Под технологичностью литой детали понимают степень соответствия ее конструкции технологическим требованиям формообразования, формирования качественной заготовки, выбивки и очистки. Технологичной называют заготовку, если она обеспечивает заданные эксплуатационные свойства детали и позволяет при данной серии изготавливать ее с наименьшими затратами.

    Отливка «Воронка» максимальна приближена к детали, её форма совпадает с  деталью, только добавлены припуски на механическую обработку. Толщины стенок равномерны по всей длине отливки, что технологически выполнимо. Но и в толщине стенок состоит сложность отливки, она равна 100 мм. Равномерность стенок отливки не создаёт массивных тепловых узлов, поэтому эта проблема решаема, с помощью соответствующих прибылей она легко пропитается.

    Габариты  отливки с припусками на механическую обработку – 810 x 607 мм, масса (с учётом литниково-питающей системы) – 458 (665) кг, средняя толщина стенки – 100 мм (равномерна по всей длине), внутреннюю часть отливки следует выполнить с помощью стержня, внешняя часть будет получена формой. Конструктивные элементы удовлетворяют требованиям с точки зрения возможности извлечения модели при формовке, надежной фиксации стержней при сборке и заливке. Данная отливка не имеет выступающих частей, тонкостенных ребер, глубоких и узких впадин, закрытых полостей и поднутрений, затрудняющих формовку и механизацию процессов. Это позволяет достигнуть заданной точности отливок, избежать возникновения литейных дефектов и получить заготовку с оптимальными затратами труда и материалов. Следовательно, отливка технологична.

     1.2 Выбор способа изготовления отливки

    Выбор наиболее эффективного способа изготовления отливки определяется на основе комплексного анализа технической, организационной и экономической целесообразности производства.

    Отливка «Воронка» массой 458 кг из СЧ 20 имеет  годовую программу в размере 5500 т – 12000 шт. Следует изготовлять в формы с использованием ХТС, на плитах выполняется постоянный монтаж моделей. Форму будем изготавливать с помощью машинной формовки, при котором основные операции механизированы.

    1.3 Выбор способа изготовления формы.

    Изготовлять будем на автоматических формовочных линиях с использованием холоднотвердеющих смесей. Линии с использованием ХТС обеспечивают автоматизацию управления процессами. Линии состоят, как правило, из автоматического конвейера, блоков накопления форм (под сборку, заливку, под охлаждение), из шнекового смесителя, вибростола, протяжной установки, гидравлических манипуляторов для окраски, простановки стержней и спаривания полуформ. Последовательность всех операций и качество технологических операций, включая заливку и охлаждение, контролируются автоматически. Производительность такой линии 14 форм/час. Количество замен оснастки в день до 24. Для обеспечения линии используется шнековый смеситель производительностью 60 т/час.

    1.4 Выбор способа изготовления стержней

    Точность, термостойкость и прочность стержней определяют сложность, точность и качество получаемых отливок.

    Габариты стержня – 1000 x 538 x 717 мм, масса – 101 кг. Будем применять процессы отверждения стержней в холодной оснастке, в частности «альфа-сет» процесс. Пониженная токсичность связующего, содержащего в свободном состоянии фенола 0,5 % и формальдегида менее 0,5 %, малые объемы выделений паров свободного фенола, формальдегида и метанола на стержневых и формовочных участках, практическое отсутствие выделений диоксида серы и сераорганических соединений после заливки, позволяет поддерживать экологическую обстановку в литейном цехе в удовлетворительном состоянии. Подбором реагентов живучесть смеси в зависимости от их соотношения регулируется в пределах от 3-4 мин до 60 мин. Быстрое объемное отверждение ХТС при коротком цикле отверждения позволяет заливать формы металлом уже через 2-3 часа.

    1.5 Выбор состава формовочной смеси

    С учетом метода изготовления литейной формы подберем формовочную смесь с комплексом необходимых технологических и термомеханических свойств.

    ХТС с синтетической полифенольной  нетоксичной смолой ФСМ и сложноэфирными отвердителями («альфа-сет» процесс), регулируемой в широком интервале живучести. ХТС позволяют получать отливки с чистотой поверхности Rz=40мкм, сохранить поверхностный слой и повысить их эксплуатационные свойства отливок, снизить трудоемкость выбивки в 5-6 раз, снизить трудозатраты, повысить качество и точность литья, сократить объем механообработки.  

    Таблица – 1. Свойства смеси.

    1.6 Выбор противопригарных покрытий

    Противопригарные  покрытия увеличивают поверхностную  прочность, уменьшает осыпаемость и термохимическую стойкость форм и стержней, обеспечивая получения чистых отливок. Будем использовать самовысыхающие противопригарные краски на основе органического связующего. Состав противопригарные краски:

1. Циркон – 10%;
2. Графит скрытокристаллический – 35%;
3. Поливинилбутираль – 2,5%;
4. Этиловый спирт – 52.5%;

Плотность – 1150-1250 кг/м³.

    1.7 Выбор положения отливки в форме

    Положение отливки в форме при заливке  и затвердевании определяет весь технологический процесс и качество заготовки.

    Форма и модель имеют одну горизонтальную поверхность разъёма, удобную для изготовления и сборки формы. В форме располагается одна отливка. Вся отливка располагается в одной, нижней полуформе, в целях исключения перекосов; в верхней полуформе расположена только литниково-питающая система с прибылями. Модель свободно извлекается из формы. Необходимые габаритные размеры верхней опоки в свету – 1200 x 1200 x 800 мм; нижней – 1200 x 1200 x 400 мм. [Приложение 2].

1.8 Определение поверхности разъема формы

    Разъем  формы представляет собой поверхность, по которой соединяются части литейной формы. Он необходим для извлечения модели, установки стержней, и удаления полученной отливки.

       Число поверхностей разъемов – одна плоская, горизонтальная поверхность разъёма, это необходимо для упрощения конструкции формы и повышения геометрической точности отливки. Вся отливка располагается в одной нижней половине формы для предотвращения искажения геометрии отливки, вызываемого смещением полуформ при сборке. Поверхность разъема располагаться в плоскости максимального габаритного размера отливки, что обеспечивает свободное извлечение модели из формы. Выбранный разъем обеспечивает удобство набивки формы, сборки, надежность установки стержней, удобство контроля размеров элементов формы. В форме располагается один стержень (в нижней полуформе). Общая высота формы составляет – 1200 мм. [Приложение 1].

1.9 Определение припусков на механическую обработку

       Размеры отливки отличаются от размеров детали на величину припусков на механическую обработку. Припуск на обработку – это толщина слоя металла, удаляемая с поверхности отливки при ее обработке в целях обеспечения заданных размеров и качества детали.

    Припуски  на механическую обработку назначаются по ГОСТ 26645-85 в зависимости от класса точности и ряда припусков на механическую обработку. [Приложение 1].

    1.10 Определение количества стержней и размеров их знаков

    Стержень  представляет собой элемент литейной формы, служащий для образования внутренней полости формы. В форме располагается один стержень с габаритными размерами – 1000 x 538 x 717 мм, массой – 101 кг.

    Конструкция стержня обеспечивает удобное его изготовление, транспортировку и свободную установку в форму. Стержень занимает в форме точно фиксированное положение, благодаря верхним лапкам стержня.

    Высота  знака – 60 мм, с уклоном – 6°

    С целью повышения конструктивной прочности и жесткости стержня необходимо установить комбинированный каркас. [Приложение 1]

    1.11 Сборка и заливка форм

    Сборка  форм – важная технологическая операция, в значительной мере определяющая геометрическую правильность и точность размеров отливки.

    Полости форм и стержни обдувают воздухом для удаления пыли. Точное спаривание опок обеспечивают при помощи тщательно  обработанных стальных штырей и центрирующих отверстий в приливах опок; в чугунных опоках в этих отверстиях запрессованы стальные втулки.

    Для того чтобы при заливке не произошел  подъем верхней опоки статическим  давлением металла, ее скрепляют  с нижней опокой при помощи скоб и других приспособлений.

    Заливку форм производят на конвейерах с помощью заливочных устройств. [Приложение 2].

Глава 2 Расчёт и проектирование литниковой системы

    Литниковая  система – система каналов  и устройств для подвода в  определённом месте жидкого металла  в полость литейной формы, отделения  неметаллических включений и  обеспечения питания отливки при затвердевании. Литниковая система должна обеспечивать качественное заполнение литейной формы за оптимальное время. Принимаем горизонтальную литниковую систему с центробежными шлакоуловителями. [Приложение 1].

    2.1 Расчёт основных элементов ЛПС

     2.2 Определение температуры расплава при заливке в форму

    Для обеспечения хорошей заполняемости  формы и получения качественных отливок необходимо выдерживать  определённую температуру заливаемого  расплава, которую выбирают в зависимости от вида сплава и характера отливки.

    Рекомендуемая температура заливки форм для  СЧ 20 – 1320 – 1380 °С.

    2.3 Продолжительность охлаждения отливки в форме

    Регламентирование времени охлаждения отливок в  формах диктуется необходимостью обеспечения полного затвердевания расплава, исключения образования некоторых усадочных дефектов, получения требуемой структуры металла отливок.

    В зависимости от массы отливки  время охлаждения отливки в форме–2ч.

    2.4 Расчёт нагружения литейной формы

    На  литейную форму действуют силы:

    1) Сила со стороны жидкого металла;

    2) Сила Архимеда на стержень (действует  только на горизонтальные стержни)

    Условие для определения веса груза:

    Fт  > Fме·К,

    где F_Т – сила тяжести, Н;

    F_ме – сила, действующая со стороны жидкого металла, Н;

    К=1,3 ...1,5, коэффициент запаса (принимаем  К=1,4).

    Определяем  силу, действующую со стороны жидкого  металла:

    F_ме=ρ·g·h·F_п;

    где ρ=7100 кг/м³, плотность жидкого металла;

    g=9, 81 м/с², ускорение свободного падения;

    h=0, 02 м, расстояние от крайней верхней точки отливки до верха опоки;

    F_п – площадь внутренней поверхности литейной формы, спроецированной на плоскость разъёма, м².

    F_П=F_ОТЛ=0,3 м²;

    F_Ме=ρ·g·h·F_п=7100·9,81·0,02·0,3=418 Н.

    Находим силу тяжести Fт по формуле:

    F_Т=(m_ОП+m_Ф.С.)·g ,

    где m_ОП=250 кг, масса опоки;

    m_Ф.С. – масса формовочной смеси.

    Находим массу формовочной смеси по формуле:

    m_Ф.С.= ρ_Ф.С.·(В_ОП·L_ОП·H_ОП – m_Ме/ρ_Ме) ,

    где ρ_Ф.С. = 1650 кг/м³, плотность формовочной смеси;

    В_ОП =1,2 м, ширина опоки в свету;

    L_ОП = 1,2 м, длина опоки в свету;

    H_ОП = 0,15 м, высота верхней опоки;

    m_Ме =665 кг, металлоёмкость формы;

    ρ_Ме = 7100  кг/м³, плотность сплава в твёрдом состоянии.

    По  формулам получаем:

    m_Ф.С. = 1650·(1,2·1,2·0,4 - 665/7100) = 796 кг;

    F_Т=(250 + 796)·9,81 = 10261 Н

    Условие  для  определения веса груза выполняется:

    F_Т > F_Ме·К или 10261>585

    Форму нагружать не надо.

Глава 3 Модельно-литейная оснастка

    Модельным комплектом называется оснастка и все  приспособления необходимые для  образования при формовке рабочей  полости литейной формы. В комплект модельной оснастки входят модели и стержневые ящики, подмодельные и подопочные плиты,  сушильные плиты для стержней, кондукторы для заточки (калибровки) стержней, очистки их от заусенцев, шаблоны для контроля качества стержней и сборки форм.

    3.1 Проектирования металлических моделей

    Основой при проектировании модельного комплекта  является чертеж отливки (детали) с нанесенной технологией. Модельные плиты состоят из основной плиты-носителя и сменной плиты-вставки с моделью.

       Металлическая оснастка имеет большую точность и долговечность. Оснастка из чугуна (СЧ20) прочная, хорошо обрабатывается, обладает высокой износостойкостью и относительно экономична, кроме того, из чугуна отливают плиты подмодельные. Металлические модели просты и обладают необходимой прочностью и жесткостью. Конструкции усиленны ребрами, расположенными по внутренней нерабочей поверхности модели. Нижняя часть модели фиксируются с подмодельной плитой с помощью контрольных штифтов. Крепление модели к подмодельной плите осуществляется с помощью центрального болта. Необходимо использовать нестандартную специальную плиту для монтажа на ней модели, которая требует глубокой врезки в тело плиты. [Приложение 4, 5].

     3.2 Проектирования стержневых ящиков

    Стержневой  ящик – это формообразующее изделие, имеющее рабочую полость, для получения в ней литейного стержня с необходимыми размерами.

    Отъемные  части стержневого ящика центрируются при спаривании с помощью штырей и втулок. Точность спаривания элементов ящика достигается конструктивными особенностями штырей и втулок. Половинки стержневого ящика после спаривания фиксируют в закрытом состоянии с помощью шарнирного болта и гайки-барашка. Для транспортировки, удобства закрепления на плитах, перемещения и безопасности в работе, стержневые ящики оснащены рым-болтами. [Приложение 3]

Глава 4 Финишные операции

    К числу финишных операций относят  выбивку, очистку, обрубку, зачистку отливок, термическую обработку, контроль и  исправление дефектов.

    4.1 Выбивка и обрубка отливок

    В механизированных цехах применяют  специальное оборудование, комплексное  механизированные и автоматизированные установки для выбивки отливок  и удаления стержней.

    Для удаления стержней из отливок и очистки  их от остатков отработанной формовочной смеси применяют электрогидравлические установки и гидравлические камеры.

    После выбивки отливку обрубают, т.е. удаляют литниковую систему, прибыли, выпоры, заливы металла, которые образуются по месту разъема полуформ и около стержневых знаков. Литники отбивают молотком сразу после выбивки; прибыли на остальных отливках удаляют газокислородными резаками. Для обрубки используются ленточные и дисковые пилы и различные прессы.

    После выбивки все отливки зачищают для удаления остатков прибылей, литников и мелких заливов. Зачистку производят пневматическими зубилами, шарошками, шлифовальными кругами и другими способами.

    Для удаления пригоревшей смеси и  улучшения качества поверхности  отливки очищают , дробеметным, гидропескоструйным или электрохимическим способами.

    Дробеметная очистка состоит в бомбардировке  поверхности очищаемой отливки  потоком дроби, выбрасываемой дробеметным  аппаратом. При этом достигается  достаточно высокая чистота поверхности  и происходит поверхностное упрочнение (наклеп) металла отливки.

    4.2 Термическая обработка отливок

    Процесс термической обработки отливок  заключается в их нагреве и  охлаждении при определенном режиме. Термическая обработка литых  деталей способствует улучшению  структуры, повышению механических свойств сплавов, устранению коробления отливок за счет уменьшения внутренних напряжений.

    Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке  и отпуску, а также некоторым видам химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию).

    Режим термической обработки отливок из СЧ 20: 

    Низкотемпературный  отжиг;

1. Температура нагрева – 550 °С;
2. Скорость нагрева – 100-150 °С/ч;
3. Выдержка – 2-4 ч;
4. Охлаждение медленное 10-50° С/ч вместе с печью. Выдержка зависит от толщины стенки. Применяют для снятия внутренних напряжений в отливках.

    4.3 Контроль качества отливок

    Нарушение технологии — главная причина  возникновения дефектов в отливках. Причиной возникновения дефектов может  быть также неудовлетворительное качество применяемых для литья исходных материалов, неисправность кокильной оснастки и оборудования, погрешности в технологическом процессе и т. п.