Технология литейного производства. 3

Содержание

1. Технология литейного производства                                                 2

1.2. Свойства литейных сплавов                                                         3

1.3. Изготовление отливок в песчаных формах                                4

1.4. Формовочные и стержневые смеси                                             7

1.5. Литниковые системы                                                                   8

1.6. Изготовление литейных форм                                                      8

1.7. Технология производства отливок                                              11

1.7. Изготовление отливок специальными способами литья          13

1.8. Выбор рационального способа изготовления отливок             18

1.9. Дефекты отливок и их исправление                                           19

2. Сварка                                                                                                     22

2.1. Сущность способа.                                                                       23

2.2.Сварные соединения                                                                      24

2.3.Недостатки                                                                                     30

3. Разработать технологический  процесс формообразования заготовки способом листовой штамповки                                           32

4. Сисок литературы                                                                               34

Технология литейного производства

Литейное производство – отрасль машиностроения, задачей которой является изготовление фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продукцию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок.

Также к задачам относятся: автоматизация и механизация технологических процессов производства отливок; получение отливок с минимальными припусками на механическую обработку. Это позволяет повысить коэффициент использования металла и снизить трудоемкость на операциях механической обработки.

Для изготовления отливок применяют множество способов литья:

- в песчано-глинистые формы,

- в металлические формы,

- в оболочковые формы,

- по выплавляемым моделям,

- под давлением,

- центробежное литье.

Область применения того или иного способа литья определяется объемом   производства,   требованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообразностью и другими факторами.

Свойства литейных сплавов

Для производства отливок используют специальные литейные сплавы, которые должны обладать высокими литейными, механическими и эксплуатационными свойствами;

К литейным свойствам относят технологические свойства металлов и сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства - это жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность сплавов к ликвации, образованию трещин, поглощению газов, пористости и др.

Жидкотекучесть - это   способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть; с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму.

Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки специальных технологических проб (рис. 13). Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъема пробки металл плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы.

Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка — уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

Объемная усадка—уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблении.

Усадочные раковины — сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними.

Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла.

Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси.

Изготовление отливок в песчаных формах

Литье в песчаные формы в настоящее время является универсальным и самым распространенным способом изготовления отливок. Технологический процесс изготовления отливок состоит из ряда основных и вспомогательных операций, выполняемых в определенной последовательности (рис. 1). Для изготовления литейных форм используются модельный комплект, формовочные и стержневые смеси и другие материалы и оборудование.

Модельный комплект – это совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки. В модельный комплект включают модели, модельные плиты, стержневые ящики и другие приспособления.

Рис. 1 Схема технологического процесса получения отливок в песчаных формах

Для получения отливки изготавливают специальную форму. Основными исходными материалами служат: песок, глина, специальные связующие компоненты.

В природе существует два типа песков: кварцевый (температура плавления ≈2000 С; недостаток – при температуре 575 С в нем происходит полиморфное превращение, которое сопровождается растрескиванием отдельных песчинок.) Поэтому такой тип песка применяют для изготовления литейных форм при производстве отливок из цветных металлов и сплавов; циркониевый (обладает высокой огнеупорностью; в нем отсутствует упомянутый недостаток).

Глина является связующим компонентом и от ее сорта и количества изменяется прочность и технологические параметры смеси.

Для дополнительного повышения прочности смеси и литейной формы в целом добавляют различные марки клеев и смол.

Исходные материалы подвергают различным видам контроля, а затем из них приготавливают формовочную смесь. Для получения качественной отливки формовочная смесь должна отвечать следующим свойствам:

1. механическим

- прочность – способность смеси  и литейной формы в целом  не разрушаться в процессе  транспортировки и заливки жидким  расплавом;

- пластичность – способность  смеси свободно заполнять литейную  форму и полностью производить  очертания наружной поверхности модели отливки;

- податливость – способность  формовочной смеси изменяться  в объеме и сопровождать процесс  усадки металла после заливки  и кристаллизации сплава. При  низкой податливости смеси в  сплаве возникают высокие напряжения, которые могут вызвать образование трещин в отливке.

2. технологическим

- влажность – влияет на качество  отливки по наличию в ней  газовых пузырей и пор. В зависимости  от содержания влаги смеси  бывают сухие (3-4% влаги) и сырые (6-8% влаги);

- газопроницаемость – влияет на способность смеси по удалению воздушной атмосферы из заливаемой полости формы и удалению газов из расплава. Зависит от фракционного состава песка, содержания глины в смеси и влажности смеси. Чем больше размер песчинок и меньшее содержание глинистой составляющей, тем выше газопроницаемость;

- термохимическая активность –  способность смеси не вступать  в химическую реакцию с материалом  расплава в месте контакта. При  низком  показателе на поверхности  отливки образуется литейная  корка, состоящая из материала смеси и жидкого металла;

- долговечность – способность  смеси сохранять свои свойства  на протяжении длительного времени;

- огнеупорность – способность  смеси выдерживать высокие температуры;

- негигроскопичность – способность  смеси не поглощать влагу из  атмосферы в процессе длительной эксплуатации или хранения.

3. теплофизическим: теплоемкость, теплопроводность. Эти показатели влияют на скорость  охлаждения расплава, кристаллизации  и скорость охлаждения отливки. от этих показателей зависит  получаемая структура и механические свойства отливки.

Формовочные и стержневые смеси

Формовочная смесь – это многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных форм. Формовочные смеси по характеру использования разделяют на:

Облицовочная смесь – это формовочная смесь, используемая для изготовления рабочего слоя формы. Такие смеси содержат повышенное количество исходных формовочных материалов (песка и глины) и имеют высокие физико-механические свойства.

Наполнительная смесь – это формовочная смесь для наполнения формы после нанесения на модель облицовочной смеси. Поэтому ее приготовляют путем переработки оборотной смеси с малым количеством исходных формовочных материалов (песка и глины). Облицовочные и наполнительные формовочные смеси используют для изготовления крупных и сложных отливок.

Единая смесь – это формовочная смесь, применяемая одновременно в качестве облицовочной и наполнительной смеси. Такие смеси применяют при машинной формовке и на автоматичеких линиях в серийном и массовом производствах. Единые смеси приготовляют из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей связующей способностью, чтобы обеспечить их долговечность.

Стержневая смесь – это многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных стержней.

Стержни устанавливают в литейной форме для имитации отверстий и углублений в отливке. Стержни при заливке расплавленного металла испытывают значительные тепловые и механические воздействия по сравнению с формой, поэтому стержневые смеси должны иметь более высокие огнеупорность, газопроницаемость, податливость, малую газотворную способность, легко выбиваться из отливок и т. д.

Стержневые смеси в зависимости от способа изготовления стержней разделяют на смеси с отверждением стержней тепловой сушкой; в нагреваемой оснастке; жидкие самотвердеющие смеси; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом; холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах.

Литниковые системы

Литниковая система – это система каналов, через которые расплавленный металл подводят в полость формы. Литниковая система должна обеспечивать заполнение литейной формы с необходимой скоростью, задержание шлака и других неметаллических включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную подачу расплавленного металла к затвердевающей отливке.

Рис. 15 Способы подвода расплавленного металла в полость литейной формы

В зависимости от конфигурации и толщины стенок отливок 5 и состава заливаемого сплава расплавленный металл в полость литейной формы подводят сбоку (рис. 15, а),   снизу (рис. 15, б) или сверху (рис. 15, в). Литниковая система обычно состоит из литниковой чаши 4 – предназначенной для резервирования жидкого металла с целью непрерывного процесса заливки в полость формы, вертикального канала-стояка 3 – предназначенного для направленного движения жидкого металла в литейную форму, шлакоуловителя 2, питателей 1 – предназначенных для подпитки жидким металлом наиболее массивных участков, выпора 6. При подводе металла снизу или сверху используют массивные коллекторы 7.

Изготовление литейных форм

Основные  операции изготовления форм (формовки): уплотнение формовочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности; устройство вентиляционных каналов для вывода газов из полости формы, образующихся при заливке; извлечение модели из формы; отделка и сборка форм. По степени механизации различают формовку ручную, машинную и автоматическую.

Ручную формовку применяют для получения одной или нескольких отливок в условиях опытного производства, при изготовлении отливок в ремонтном производстве, а также при изготовлении крупных (массой 200-300 т) отливок. На практике используют различные приемы ручной формовки.

Формовка в парных опоках по разъемной модели наиболее распространена. Литейную форму (рис. 2, е), состоящую из двух полуформ, изготовляют по разъемной модели (рис. 2, а) в такой последовательности: на модельную плиту 3 устанавливают нижнюю половину модели 1, модели питателей 4 и опоку 5 (рис. 2, б), в которую засыпают формовочную смесь и уплотняют. Опоку поворачивают на 180 градусов (рис. 2, в), устанавливают верхнюю половину модели 2, модели шлакоуловителя 9, стояка 8 и выпоров 7. По центрирующим штырям устанавливают верхнюю опоку 6, засыпают формовочную смесь и уплотняют. После извлечения модели стояка и выпоров форму раскрывают. Из полуформ извлекают модели (рис. 2, г) и модели питателей и шлакоуловителей, в нижнюю полуформу устанавливают стержень 10 (рис. 2, д) и накрывают нижнюю полуформу верхней. На рис. 2, е показана литейная форма для корпуса вентиля. После заливки расплавленного металла и его затвердевания литейную форму разрушают и извлекают отливку (рис. 2, ж).

Рис. 2 Последовательность операций изготовлении литейной формы для корпуса вентиля

Машинную формовку применяют для производства отливок в массовом и серийном производствах. При формовке на машинах формы изготовляют в парных опоках с использованием односторонних металлических модельных плит. Машинная формовка механизирует установку опок на машину, засыпку формовочной смеси в опоку, уплотнение смеси, удаление моделей из формы, транспортирование и сборку форм. Машинная формовка обеспечивает более высокую геометрическую точность полости формы, чем ручная формовка, повышает производительность труда, исключает трудоемкие ручные операции, сокращает цикл изготовления отливок. При машинной формовке формовочную смесь уплотняют прессованием, встряхиванием, пескометом, вакуумной формовкой и др.

Автоматическую формовку используют в серийном и массовом производствах отливок, при этом литейная форма передается последовательно с одной позиции на другую. Этот переход осуществляется автоматически различными конвейерами, кантователями, толкателями и другими устройствами. Для автоматической формовки используются формовочные автоматы, формовочные машины для безопочной формовки и автоматические формовочные линии.

Формовочные автоматы, используемые для изготовления литейных форм, выполняют все технологические операции без участия человека. Формовочные автоматы используют, как правило, в составе автоматических линий.

Автоматическую безопочную формовку используют при изготовлении форм для мелких отливок из серого, ковкого и высокопрочного чугунов и стали в серийном и массовом производствах. Изготовление литейных форм осуществляется на высокопроизводительных пескодувно-прессовых автоматических линиях (рис.3).

Рис. 3 Схема процесса изготовления безопочных литейных форм на автоматических машинах

Модельная плита 1 закреплена на прессовой машине, плита 3 - на плите противодавления. Модельные плиты 1, 3, боковые стенки и головка 2 образуют формовочную камеру (рис. 3, а), которая заполняется формовочной смесью с помощью сжатого воздуха под давлением 0,5-1 МПа. После этого формовочная смесь прессуется плунжером 4 под давлением до 2 МПа. Модельная плита 3 отходит влево и поворачивается в горизонтальное положение, а уплотненный ком формовочной смеси плунжером 4 проталкивается до соприкосновения с предыдущим комом, образуя полость 5 (рис. 3, б). В результате получается непрерывный ряд форм, которые заливают расплавленным металлом из ковша 6. После затвердевания и охлаждения отливок формы подаются на выбивную решетку, где отливки 7 освобождаются от формовочной смеси. Смесь поступает на переработку и повторное использование, а отливки - в обрубное отделение.

Технология производства отливок

Этапы:

1. Анализ чертежа детали. На этом  этапе устанавливают серийность  производства отливки (массовое, серийное  или единичное производство) и определяют возможность изготовления литейной формы с учетом геометрических размеров детали. Кроме того, устанавливают сложность отливки и возможность ее получения без брака при данном способе литья.

2. Проектирование отливки: а) назначить  припуски на механическую обработку. Под припуском на механическую обработку понимают слой металла, удаляемый в процессе резанья с последующим обеспечением чистоты и размера указанного в чертеже детали; б) припуск на усадку металла. Величина усадки зависит от вида материала (сталь – 1,8-2,2%; чугун – 0,7-1,2%; цветные сплавы – 0,4-0,6%); в) исключить сквозные отверстия небольшого размера (≈ Æ20 мм); г) предусмотреть уклоны и радиусы перехода между сопрягаемыми размерами отливки

3. Проектирование и изготовление  модельного комплекта. Модель изготавливается  разъемной из нескольких частей. Материалом служит древесина. В  состав комплекта входит модель  отливки и модель литниковой  системы.

4. Проектирование и изготовление литейной формы: деталь®отливка®модель®изготовление стержня®изготовление литейной формы

Рис.18 Форма в сборе: 1-опока, 2-литниковая чаша, 3-стояк, 4-шлакоуловитель, 5-стержень, 6-полость литейной формы, 7-вентиляционный канал, 8-выпор, 9-штырь

После заливки расплава в литейную форму проводят охлаждение формы со строго определенной скоростью. после кристаллизации литейная форма разбирается. Извлекается отливка, от которой удаляют литниковую систему и прибыльную часть.

Изготовление отливок специальными способами литья

Изготовление отливок в кокилях. Способ применяют в крупносерийном и массовом производстве

Этим способом отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы-кокили. Литейная форма изготавливается из теплостойкой легированной стали (обычно применяют 5ХНМ). Форма изготавливается разборной. Внутреннее очертание формы соответствует наружной конфигурации отливки. С целью исключения пригара заливаемого металла к поверхности формы внутренняя полость формы смазывается специальной краской или графитом. Стойкость формы достигает 500-600 шт отливок из чугуна и до 10000 штук для отливок из цветных металлов и сплавов.

При литье в кокиль сокращается расход формовочной и стержневой смесей. Затвердевание отливок происходит в условиях интенсивного отвода теплоты из залитого металла, что обеспечивает более высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных в песчаные формы. Кокильные отливки имеют высокую геометрическую точность размеров и малую шероховатость поверхности, что снижает припуски на механическую обработку вдвое по сравнению с литьем в песчаные формы. Этот способ литья высокопроизводителен.

Недостатки кокильного литья: высокая трудоемкость изготовления кокилей, их ограниченная стойкость, трудность изготовления сложных по конфигурации отливок.

Литье по выплавляемым моделям. При этом способе модель и литниковую систему изготавливается из легкоплавкого материала, обычно для этой цели применяют смесь парафина 50% и стеарина 50% (температура плавления 62°С). В крупносерийном и массовом производстве модели изготавливают методом пластического деформирования. После изготовления к литниковой системе прикрепляют легкоплавкие модели. Изготовленное легкоплавкое устройство погружают в керамическую суспензию (песок + связующее). Затем устройство извлекают и просушивают. Вокруг легкоплавкого материала образуется тонкий упрочненный слой из суспензии. Количество погружений в суспензию должно обеспечить корочку толщиной 15-20 мм. Для повышения поверхностной корочки проводят обжиг в печи. Для удаления легкоплавкого материала полученное устройство погружают в кипящую воду или помещают в печь (Т=150-160°С). Перед заливкой расплава металла, полученную керамическую форму помещают в опоку и засыпают песком, это необходимо для предотвращения разрушения формы при заливке. После заливки и кристаллизации проводится охлаждение до комнатной температуры, а затем на вибрационных установках извлекают полученные отливки с литниковой системой из опоки. Отделение отливки от литниковой системы проводится методом обрубки.

Технологический процесс изготовления отливок по выплавляемым моделям механизирован и автоматизирован. В массовом производстве используют автоматические установки для изготовления моделей, приготовления суспензии и нанесения ее на блоки моделей и обсыпки их кварцевым песком, для прокаливания и заливки форм и т. д., объединенные транспортными устройствами в автоматические линии.

Литье в оболочковые формы. При этом способе изготавленную металлическую модель нагревают до Т=200-220 С. Затем на нее устанавливают ограничительную рамку, куда засыпают специальную смесь (циркониевый концентрат + фенолформальдегидная смола ФФС). При этом происходит расплавление связующего компонента и заполнения пространства между отдельными песчинками. Далее выполняют окончательный нагрев до Т=400-420 С и ведержку 25 минут. На этой стадии происходит окончательное отверждевание состава. После этого металлическая модель  вместе с рамкой извлекается из печи, охлаждается и с поверхности модели снимается оболочковая форма. По аналогичной технологии изготавливают литниковую систему. Затем производят сборку литейной формы.

Достоинства: высокая геометрическая точность позволяет в 2 раза снизить припуски на механическую обработку отливок. Применяя мелкозернистый кварцевый песок для форм, можно снизить шероховатость поверхности отливок.

Литье под давлением. Литьем под давлением получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осуществляют под давлением. Изготовляют отливки на машинах литья под давлением с холодной или горячей камерой прессования. В машинах с холодной камерой прессования камеры прессования располагаются либо горизонтально, либо вертикально.

Рис. 4 Схема процесса изготовления отливок на машинах с горизонтальной холодной камерой прессования

На машинах с горизонтальной холодной камерой прессования (рис. 4) порцию расплавленного металла заливают в камеру прессования 4 (рис. 4, а), которую плунжером 5 под давлением 40-100 МПа подают в полость пресс-формы (рис. 4, б}, состоящей из неподвижной 3 и подвижной 1 полу форм. Внутреннюю полость в отливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается (рис. 4, в), стержень 2 извлекается и отливка 7 выталкивателями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы. Перед заливкой пресс-форму нагревают до температуры 120-320° С. После удаления отливки рабочую поверхность пресс-формы обдувают воздухом и смазывают специальными материалами для предупреждения приваривания отливки к пресс-форме. Воздух и газы удаляют через каналы глубиной 0,05-0,15 мм и шириной 15 мм, расположенные в плоскости разъема пресс-формы, или вакуумированием рабочей полости перед заливкой расплавленного металла. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45 кг.

На машинах с горячей камерой прессования (рис. 5) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 7 с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера 3 расплавленный металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстия перекрываются, сплав под давлением 10-30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного металла из канала сливаются в камеру прессования, а отливка из пресс-формы удаляется выталкивателями 6. Такие машины используют при изготовлении отливок из цинковых и магниевых сплавов массой от нескольких граммов до 25 кг.

Рис. 5 Схема процесса изготовления отливок на машинах с горячей камерой прессования

При литье под давлением температуру заливки сплава выбирают на 10-20 С выше температуры ликвидуса. Литье под давлением используют в массовом и крупносерийном производствах отливок с минимальной толщиной стенок 0,8 мм, с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности за счет точной обработки и тщательного полирования рабочей полости пресс-формы; без механической обработки или с минимальными припусками, что резко сокращает объем механической обработки отливок; с высокой производительностью процесса.

Недостатки литья под давлением высокая стоимость пресс-форм и оборудования; ограниченность габаритных размеров и массы отливок; наличие воздушной пористости в массивных

Изготовление отливок центробежным литьем. При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.

Металлические формы изложницы изготовляют из чугуна и стали. Толщина изложницы обычно в 1,5-2 раза больше толщины отливки. В процессе литья изложницы снаружи охлаждают водой или воздухом. На рабочую поверхность изложницы наносят теплозащитные покрытия для увеличения срока их службы. Перед работой изложницы подогревают до температуры 200° С.

При получении чугунных водопроводных труб на машинах с горизонтальной осью вращения (рис. 6, а) изложницу 2 устанавливают на опорные ролики 7 и закрывают кожухом 6. Изложница 2 приводится во вращение электродвигателем 1. Расплавленный чугун из ковша 4 заливают через желоб 3, который в процессе заливки чугуна перемещается в направлении, показанном стрелкой, что обеспечивает получение равностенной отливки 5. Для образования раструба трубы используют либо песчаный, либо оболочковый стержень 8. После затвердевания залитого чугуна трубу извлекают из изложницы. На этих машинах изготовляют втулки, кольца и т. п.