Технологический процесс получения литой заготовки в песчаной форме
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 2.1. Упрощенная схема технологического процесса изготовления литой заготовки в разовой песчаной форме
Разработка линейной технологии складывается из нескольких этапов. Основные из них следующие: конструирование модели с учетом усадки литейного сплава, припусков на механическую обработку, напусков, литейных (формовочных) уклонов, галтелей (радиусов скруглений в местах сопряжения поверхностей), назначения плоскости разъема модели в форме; конструирование стержня, выполняющего полости или отверстия в будущей отливке с его знаковыми частями; конструирование стержневого ящика для изготовления стержня и сушильных плит; конструирование и расчет элементов литниковой системы и выбор места ее подвода к отливке; конструирование всех необходимых приспособлений – шаблонов, конструкторов и т.д.
Согласно заданию нам необходимо разработать технологический процесс изготовления детали по чертежу представленному в (приложении 1).
На чертеже представлена деталь, которая путем механической обработки будет получена из литой заготовки. На чертеже представлены размеры детали и припуски на механическую обработку. Материал заготовки сталь.
Рассмотрим последовательность технологического процесса и способы изготовления отливки в песчаных формах.
Технологический процесс изготовления отливок в разовых песчаных формах широко распространен в литейном производстве. Он складывается из различных процессов, которые осуществляются в специальных цехах или отделениях литейного цеха.
Технологический процесс изготовления отливки начинается с подготовки модельного комплекта: моделей или модельных плит, модельных щитков, стержневых ящиков, сушильных плит, шаблонов для проверки размеров формы и стержней, кондукторов и шаблонов для контроля правильности установки стержней в форме, опок, штырей и т. д.
Модель — это приспособление для получения в форме отпечатка, соответствующего конфигурации и размерам отливки. Модели делают из дерева, металла, гипса, пластмассы и других материалов. Модель состоит из двух половин, которые взаимно центрируются с помощью шипов и гнезд. Отверстие выполняется стержнем.
Модельный комплект изготовляют в модельном цехе или молельном отделении литейного цеха. Не менее важным звеном технологической цепи является подготовка материалов для изготовления литейной формы. Формовочными материалами называют материалы, применяемые для. изготовления разовых и полупостоянных форм. Это пески, связующие и специальные добавки. Исходные формовочные материалы хранят на складе формовочных материалов в специальных емкостях и бункерах. При поступлении на склад обязательно проверяют соответствие их качества сертификату. Контроль качества формовочных материалов производят в специальных лабораториях.
Процесс изготовления литейных форм называют формовкой.В 
литейном производстве используют ручную и машинную формовку. В единичном и мелкосерийном производстве - ручную формовку (формы изготовляют обычно по деревянным моделям), в поточно-массовом и серийном производстве — машинную (формы изготовляют на машинах по металлическим моделям).
Литейную форму собирают из двух полуформ: верхней и нижней. Полуформы изготовляют из формовочной смеси, уплотняемой в чугунных или стальных рамках, которые называют опоками.
Изготовление литейной формы. На подопочный щиток устанавливают половину модели, по которой необходимо получить отпечаток в нижней полуформе, а также опоку. Поверхность модели и щитка посыпают или опрыскивают разделительной жидкостью, после чего в опоку насыпают формовочную смесь и уплотняют ее, Излишек формовочной смеси счищают с поверхности уплотненной полуфермы, опоку перевертывают на 180 градусов и устанавливают на подопочньй щиток. Затем на нижнюю половину модели устанавливают верхнюю половину модели, на нижнюю опоку - верхнюю. Вновь посыпают поверхность модели разделительным песком, ставят модели литниковой системы, засыпают формовочную смесь в верхнюю опоку и уплотняют ее. Снимают верхнюю полуформу, извлекают половины моделей, устанавливают стержень и собирают форму. Для сборки формы опоки имеют специальные втулки, в которые входят центрирующие штыри. Жидкий металл при заполнении формы давит на стенки формы, в результате чего верхняя опока может подняться, и тогда по плоскости разъема образуется зазор, через который металл может вытекать из формы. Для предупреждения этого верхнюю полуформу крепят к нижней скобами, а иногда ставят на верхнюю опоку груз.
При заливке жидкий металл поступает в полость формы по литниковым каналам. Систему каналов, подводящих металл в форму, называют литниковой.
Литниковая система состоит из стояка (вертикального канала), шлакоуловителя и питателя, через который металл поступает в полость формы. К литниковой системе относится также выпор. Выпор служит для выхода из формы воздуха и газов, а также для контроля заполнения формы металлом.
После затвердевания и охлаждения металла форму разрушают и освобождают отливку от формовочной смеси, отрезают литники, и поверхность отливки очищают от формовочной смеси.
Описанную выше литейную форму называют разовой, так как ее используют однократно. Обычно разовые литейные формы изготовляют из формовочных смесей, основной составляющей которых является кварцевый песок. В качестве связующей добавки, придающей прочность смеси, используют глину. Прочность таких смесей относительно невысока, а давление жидкого металла на стенки формы достаточно велико, поэтому формы из песчано-глинистых смесей приходится делать толстостенными. Однако, если в качестве связующего использовать специальные материалы, придающие высокую прочность формовочной смеси, то литейную форму 
можно сделать оболочковой (тонкостенной). Это позволяет резко сократить расход формовочной смеси, а также благодаря ее особым свойствам повысить точность и чистоту поверхности отливок.
В разовых толстостенных формах из песчано-глинистых смесей можно получать отливки весьма сложной конфигурации массой от нескольких граммов до десятков тонн из различных сплавов как в условиях единичного, так и серийного и массового производства Это объясняется относительной простотой I технологического процесса, дешевизной используемых материалов, достаточной точностью отливок, хорошей чистотой поверхности, возможностями механизации и 5 автоматизации процесса их изготовления.
В литейном производстве применяют также формы, изготовляемые из специальных высокоогнеупорных масс, например на основе графита В таких формах можно получать до нескольких десятком отливок без существенного износа формы. Эти формы называются полупостоянными. Их применяют при мелкосерийном производстве отливок из чугуна и цветных сплавов (алюминиевых, медных). Для массового и крупносерийного производства стойкость этих форм недостаточна, а для единичного производства высока стоимость их изготовления.
Широкое применение находят металлические формы, называемые также постоянными. В этих формах можно получать от нескольких десятков до нескольких тысяч отливок из стали, чугуна и цветных сплавов. Отливки могут иметь сложную конфигурацию и массу несколько тонн. Наиболее часто в металлических формах изготовляют отливки малой и средней (до нескольких десятков килограммов) массы из легких цветных сплавов.
Отливки, полученные в металлических формах, имеют чистую поверхность и повышенную точность размеров. Применение постоянных форм позволяет исключить формовочную смесь, улучшить условия труда, механизировать и автоматизировать производство. Однако стоимость металлических форм достаточно высокая, поэтому их применяют в условиях крупносерийного и массового производства отливок.
Стержень — это часть литейной формы. Его изготовляют из стержневой смеси, уплотняемой в ящике. После извлечения из ящика стержень подвергают сушке в печи. При сборке формы сухой стержень устанавливают стержневыми знаками в соответствующие гнёзда формы, полученные с помощью знаков модели. Длина стержня больше длины полости отливки на величину знаков.
Стержни получают с помощью ящиков или шаблонов. Готовые стержни сушат в специальных печах (сушилах) для увеличения их прочности, газопроницаемость, а также уменьшения газотворной способности. Стержни перед установкой в форму окрашивают красками, состоящими из огнеупорных материалов: графита, пылевидного кварца, циркона обезжелезенного и др., что необходимо для повышения чистоты поверхности отливки.
Перед сборкой сырые полуформы припыливают (графитом, тальком, древесным углем и др.) и окрашивают для получения чистой поверхности отливки. Если отливка имеет полость, то в форму перед сборкой устанавливают стержень. Затем форму собирают, скрепляют опоки болтами или скобами и подают1 на заливку жидким металлом.
В качестве исходных материалов для получения жидкого чугуна и стали используют чушковые литейные чугуны, чугунный и стальной лом. Брикетированную стружку, ферросплавы, топливо и флюсы. Эти исходные: материалы называют шихтовыми. Их хранят на складе шихты, где также производят подготовку исходных материалов к плавке: сортировку, дробление до необходимых размеров, шихтовку—взвешивание отдельных порций различных материалов в соответствии с расчетом для получения заданного химического состава металла.
Подготовленную шихту специальными транспортными средствами подают в плавильное отделение для приготовления жидкого металла (плавки металла). Плавильными печами называют агрегаты, предназначенные для расплавления и перегрева черных и цветных металлов и сплавов. Для плавки чугуна применяют специальные печи-вагранки, электропечи и пламенные печи; для плавки стали мартеновские печи, конверторы, электропечи, для плавки цветных сплавов — электропечи и пламенные печи.
Расплавленный металл должен быть перегрет в печи до определенной температуры, чтобы он хорошо заполнял литейную форму. После расширения и перегрева металл сливают из печи в различные ковши и транспортируют на участок заливки форм. Металл, залитый в форму, отдав теплоту форме, охлаждается и затвердевает. После охлаждения отливки формы разрушают (выбивают) и отливки извлекают из форм. Выбивку форм производят только после остывания отливки до определенной температуры, так как при высоких температурах сплавы недостаточно прочны и отливка может разрушиться. Выбивку форм осуществляют на специальных установках, расположенных в отделении или на участке выбивки.
Отливки имеют литники, выпоры, иногда заусенцы и заливы металла, их поверхность может быть загрязнена пригоревшей к ней формовочной смесью. Отрезку или обрубку литников, выпоров, заусенцев, очистку поверхности отливок производят в отделении очистки и обрубки отливок специальным инструментом, на дробеструйных барабанах. После этого отливки поступают в отдел технического контроля (ОТК). Здесь производят контроль отливок: проверяют их размеры и герметичность, наличие внутренних и внешних дефектов (усадочных раковин, газовых раковин, трещин и т. д.), механические свойства и структуру металла. Отливки, имеющие незначительные дефекты, исправляют различными способами: газовой и электрической заваркой, пропиткой различным;; смолами, нанесением замазки и др.
Очень часто для получения требуемых структуры и механических свойств, снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке— нагреву и охлаждению по строго заданным режимам (по 
времени и температуре) в термических печах. Эта операция производится в термическом отделении литейного цеха. Затем отливки вновь подвергают очистке и контролю.
Принятые ОТК или мастером литейного цеха отливки отправляют на склад готовых изделий, а оттуда на механическую обработку. Некоторые отливки перед отправкой в механический цех окрашивают, чтобы предотвратит!, коррозию.
При механической обработке отливкам придается окончательная геометрическая форма, требуемые точность и чистота поверхности, предусмотренные чертежами и техническими условиями на готовую деталь. Это наиболее трудоемкий процесс в машиностроении, так как затраты на механическую обработку составляют 40-60% затрат на изготовление машины. Следовательно, необходимо стремиться получать отливки с минимальными припусками на механическую обработку или такими точными и чистыми, чтобы не требовалась механическая обработка.
Рассмотрев основные этапы технологического процесса получения литой заготовки в песчаной форме, произведем расчет модели отливки для заданной модели (приложение 1).
Таблица 2.1.
Исходные данные:
| Размер детали, мм | Материал сталь
 , МПа
| Модельный комплект | ||||||||
| D | D1 | D2 | D3 | D4 | H | H1 | H2 | d | ||
| Деревянный |
1. Для расчета припусков на механическую обработку по таб. 1[1] в зависимости от наибольшего размера (D=180мм) и материала детали (сталь) определим класс размерной точности отливки - 8. По табл. 2[2], в зависимости от интервала размеров и класса размерной точности, определяем допуски размеров отливки. Результаты выбора заносим в табл.2.2.
По табл. 3[1]в зависимости от допуска элемента, вида механической обработки и класса размерной точности (8) определяем общий припуск на сторону. Если размер элемента детали указан между поверхностями, которые не обрабатываются
(D2), то размер элемента отливки складывается из размера элемента детали и допуска размера отливки. Если поверхности обрабатываются ( D D1, D3, Н ), то размер элемента детали складывается с общим припуском на сторону. Если одна поверхность обрабатывается, а другая нет, то размер отливки определяется, как сумма размера детали, общего припуска и половины допуска размера отливки. Результаты выбора заносим в табл. 2[2].
Таблица 2.2
Размеры элементов отливки
| Размер элемента детали, мм | D | D1 | D2 | D3 | Н | Н1 | Н2 |
| Допуск размера отливки, мм | 1,8 | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,0 | 1,0 |
| Общий припуск на сторону, мм | 3,0 | 2,1 | --- | 3,0 | 2,1;3,0 | 1,7 | 1,7 |
| Размер элемента отливки, мм | D’ | D1’ 105,8 | D2‘ 131,6 | D3’ | Н’ 155,1 | Н1’ 27,2 | Н2’ 27,8 |
2. Устанавливаем формовочные уклоны, по табл. 4[1], в зависимости от высоты h формообразующих поверхностей и материала модельного комплекта:
h1=(D' –D1') / 2 =(186-105,8)/2=40,1 β1=45’
h2= (D3' – D1')/ 2 =(156-105,8) / 2 = 25,1 β2=1°05’
h3= (D' -D2') / 2 =(186-131,6) / 2 = 27,2 β3 =1°05’
h4= (D3' -D2')/2 = (156-131,6)/2=12,2 β4 =1°30’
3. Расчет размеров стержня и стержневых знаков. Диаметр стержня DCT,
выбираем по диаметру отверстия: Dcт=D1 '=105,8 мм.
Длина стержня LCT = H'+h1tgβ1+h2tgβ2 =135,1+0,5213+0,4769=136,1 мм. Длина стержневых знаков выбираем по табл. 5[1]: lс =45 мм.
4. По этим данным составляем чертеж литейно-модельных указаний (приложение 2).
5. Расчет литниковой системы.
Определяем площадь поперечного сечения узкого места:
Fуз = M/pτμ*√ (2gHcp) (м)
М — масса отливки вместе с литниковой системой:
М= Vpk (кг)
V— объем отливки, вычисляется как сумма объемов отдельных частей отливки (цилиндров).
V = V1 +V2 +V3 -V4 = π/4 [D'2 *Н1' + D2'2 .(Н' – Н1' - Н2') + D3'2 *Н2' –D1'2.H']=
= 1168313,41 (мм2)
V= 1,168 (m2)
р = 7,8* 103 кг/м3 - плотность стали.
k = 1,35 - коэффициент массы литниковой системы.
М = 1,168*7,8* 103* 1,35 = 12,3 кг
Время заполнения формы:
τ = A*√δM =1,5√(40,1-12,3) = 33,31 (с)
А = 1,5 - коэффициент массы литниковой системы.
δ = (D1- D2') /2 =(186-105,8)/2= 40,1 (мм) - преобладающая толщина
стенки отливки.
μ = 0,38 - коэффициент расхода металла для стали.
Средний гидростатический напор:
Нср = Нст – h0 /8 (м)
Нст - высота стояка от верхнего уровня чаши до питателя (МФ), м;
h0= D' (м) - общая высота отливки, м;
Hcт = hB+0,1
hB - высота части отливки от питателя (МФ) до ее самой высокой точки, (м);
hB= 0,5D' (м);
Нст =0,5*0.186+0,1 = 0,193 (м);
Нср =0,193 -186/8 =0,1697 (м);
Fуз=12,3/(7,8*103*33*0,38√(2*9,81*0,1697)=0,0000683 =6,83*10-5 (м2)
Fуз= 0,68 (см2)
Расчет площади поперечного сечения стояка FCT, шлаколовителя Fшл и питателя Fпит
FCT : Fшл : Fпит = 1,1 :1,3 :1,5 для стали.
Узкое место для стали - стояк, тогда
Fyз = Fст=0,68 см2
Fшл =(l,3/l,l)*Fст= 0,8 см2
Fпит = (1,5/1,1)* Fст= 0,93 см2
Изготовленные на основе этих расчетов модели отливки, литниковой системы, стержневой ящик позволяют получить литейную форму (приложение 3).