Разработка технологического процесса изготовления отливки

Разработка технологического процесса изготовления отливки

ВВЕДЕНИЕ

Темпы роста литейного производства во многом определяют успешное развитие машиностроения и других отраслей народного хозяйства.

Литейное производство является одной из важнейших отраслей машиностроения. В различных конструкциях современных машин и приборов около 70% по массе деталей представляют собой отливки из стали, чугуна, медных, алюминиевых, магниевых и других сплавов. Особенно большое место занимают отливки в конструкциях металлургического оборудования, турбин, кузнечно-прессовых машин, металлорежущих станков. В такой отрасли, как станкостроение, литые детали составляют до 90% общей массы заготовок. Широкому распространению литейное производство обязано своими преимуществами по сравнению с другими способами изготовления заготовок. С помощью различных методов литья можно из любых металлов и их сплавов получать изделия сложной конфигурации, большинство из которых невозможно получить, например, штамповкой, ковкой или механической обработкой.

Конфигурация отливок может быть разнообразной. Она определяется возможностью изготовления технологической оснастки и формы, минимальной толщиной полости, которую способен заполнить металл, и экономическими расчетами, позволяющими сравнить стоимость изготовления и условия эксплуатации отливки, с одной стороны, и аналогичного изделия, полученного другим способом или составленного из отдельных литых частей, с другой.

Перспективность литейной технологии обуславливается универсальностью, позволяющей получать изделия из сплавов практически любого состава, различной массой, с размерами до десятков метров.

В данном курсовом проекте основной задачей ставится разработка чертежей детали с нанесённой технологией, стержневого ящика, монтажа моделей верха и низа на модельной плите и формы в сборе.

Глава 1 Характеристика сплава отливки

Отливка “Ступица”, изготавливается из серого чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412-85. Согласно ГОСТу марка СЧ20 химический состав серого чугуна представлен в таблице 1.

Таблица1-Химический состав СЧ20 ГОСТ 1412-85

Серый чугун широко распространён как материал для получения самых разнообразных отливок. Литейные свойства серого чугуна значительно превосходят литейные свойства чугунов остальных марок. Это определяет сравнительную простоту технологических процессов. У серого чугуна небольшая литейная усадка по сравнению со сталью, что уменьшает возникновение напряжений в отливке.

Литая деталь при своей массе обладает необходимой прочностью, которая зависит от механических свойств сплава СЧ20.

Таблица 2- Механические свойства чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412-85

СЧ20 имеет перлитнo-ферритную структуру, что говорит о достаточной прочности, твердости и износостойкости данного материала. Материал имеет высокие технологические свойства, позволяет получать детали сложной конфигурации, незаменимый материал для изготовления корпусных деталей. У серого чугуна небольшая литейная усадка (около 1%), что уменьшает возникновение напряжений в отливке.

Серый чугун хорошо обрабатывается при условии, что на поверхности не будет отбела (структурно свободного цементита). В противном случае твердость отливки возрастает до 700 НВ, вследствие чего, механическая обработка будет затруднена, потребуется отжиг, а это, в свою очередь, ведет к повышению затрат на термообработку и увеличению себестоимости отливки.

Наличие кремния и марганца повышает механические и литейные свойства чугуна. Присутствие серы снижает литейные свойства чугуна, делает его вязким, плохо заполняющим форму, увеличивает вероятность образования горячих трещин в отливке. Фосфор снижает сопротивление отливок ударным нагрузкам, увеличивает хрупкость отливки, но он повышает литейные свойства, улучшает жидкотекучесть.

Глава 2. Анализ технологичности конструкции детали

Отливка ”Ступица” Н130.02.201-02, материал СЧ20 ГОСТ 1412-85.

Отливка имеет относительно простую конфигурацию. Она состоит из тел вращения и фланца. Отливка «Ступица» имеет цилиндрические части переменного диаметра, в которой преобладающая толщина стенок составляет около 7 мм, толщина фланца 25 мм. «Ступица» имеет одно отверстие, которое может быть выполнено одним стержнем. Наличие стержневых знаков обеспечивает довольно устойчивое крепление стержня в форме, а также через них производится вывод газов, образующихся в стержне при заливке формы расплавом. Наличие одного стержня, облегчает сборку формы и уменьшает её себестоимость.

Толщина стенок соответствует рекомендациям таблицы 1.

Таблица 1

В отливке имеются места скопления металла  термические узлы. Эти узлы образуются в местах пересечений и сопряжений стенок, а также за счет утолщения при назначении припуска на механическую обработку. Такие термические узлы медленнее затвердевают.

Конструкция детали предусматривает выход стержневых знаков. Через эти знаки производится вывод газов, образующихся в стержне при заливке формы расплавом.

Толщина и форма стенок отливки способствует спокойному заполнению формы расплавом. Для того, чтобы модель легко извлекалась из формы без разрушения применяются уклоны. Формовочные уклоны выполняются на формообразующих поверхностях, расположенных перпендикулярно плоскости разъема.

Деталь имеет следующие габаритные размеры: 215×130×122мм. Её масса составляет 14 кг. По ГОСТ 26645-85 к отливке предъявляются следующие требования: 11 класс размерной точности; 5 степень точности; 0 степень коробления; 0 точность массы отливки.

Отливка относится к 1-ой группе сложности и к 2-ой весовой группе, так как вес отливки составляет 14 кг.

Глава 3 Разработка технологического процесса изготовления отливки

.1 Выбор положения отливки в форме и плоскости разъема

Положение отливки в форме и разъём формы должны обеспечивать высокое качество отливки, минимальные затраты на её изготовление и на механическую обработку, минимальный расход металла и возможность применения механизации и автоматизации технологического процесса. Кроме того, надо стремиться к тому, чтобы размеры отливок, к которым предъявляются более жесткие требования по точности, не пересекались с линией разъёма формы.

Положение отливки должно быть выбрано таким образом, чтобы при заполнении полости формы расплавом обеспечить максимальный вывод газов, получения точных размеров отливки, свести к минимуму вероятность образования усадочных и газовых дефектов. Количество разъёмов должно быть наименьшим, а разъёмы должны быть плоскими. Разъем формы должен обеспечивать надежное крепление стержней. Отливку в форме следует располагать так, чтобы общая высота формы была наименьшей. Также разъём формы должен обеспечивать наименьшее количество дефектов по перекосам, чтобы сократить объём отделочных работ. Протяженность литейных швов должна быть минимальной.

При высоте модели меньше 250 мм подвод металла осуществляется по плоскости разъёма во фланцевую часть. Плоскость разъема необходимо проводить по одной из поверхностей фланца для того, чтобы модели ,,верха” и ,,низа” были извлекаемы. Т.к. фланец имеет плоскую и фигурную поверхности, следовательно, в нижней части оставляем фигурную поверхность.

3.2 Выбор места подвода металла

Такое расположение отливки позволяет осуществить плавное заполнение формы расплавом, исключающее разрушение струёй расплава отдельных участков формы и стержня. Подвод металла осуществляется по плоскости разъёма к той части отливки, которая находится в нижней полуформе. Так же при такой плоскости разъема создается направленный вывод газов из стержня, что снижает опасность образования газовых дефектов в отливке. Одновременное и равномерное затвердевание достигается подводом металла в фланцевые части отливки и таким расположением питателей, которое обеспечивает симметричное и равномерное заполнение формы (рис.3.2).

Рис.3.1 Эскиз детали с элементами литейной технологии

Рис.3.2 Эскиз подвода металла в форму

3.3 Назначение припусков на механическую обработку

Припуск на механическую обработку определяем по ГОСТ 26645-85.

Формовочные уклоны назначаем по ГОСТ 3212-92.

По ГОСТ 26645-85 определяем точность отливки: 11-5-0-0 где:

·  11 класс размерной точности;

·  5 степень точности поверхности;

·  0 степень коробления;

·  0 точность массы.

По ГОСТ 26645-85 определяем допуски размеров и припуски на механическую обработку.

По таблице 1 ГОСТа 26645-85, в зависимости от номинальных размеров и класса точности определяем допуск размеров отливки.

По таблице 5 ГОСТа 26645-85, в зависимости от допуска размера отливки и от ряда припуска определяем основной припуск на механическую обработку.

Усадка 1%.

Полученные данные заносим в таблицу 3.1.

Обрабатываемые размеры отливки Таблица 3.1

3.4 Определение сбарочных зазоров

Зазоры между знаковыми поверхностями форм и стержней делают для правильной установки стержней в форму. При очень малых размерах зазоров или при отсутствии в процессе сборки формы приходится спиливать знаки стержней и подгонять их так, чтобы они хорошо устанавливались в форме.

Слишком большие зазоры также изменяют размеры отливки.

В отливках появляются различные заливы металла в местах сопряжения стержней и формы, кроме того облегчается условия проникновения металла в газоотводные каналы стержней, что приводит к образованию газовых раковин в отливках.

Сборочные зазоры назначаются в соответствии с ГОСТ3212-92

Глава 4 Обоснование выбора способа изготовления форм и стержней

Выбор способа формовки (ручной, машинной, автоматической) зависит от размеров отливки, конфигурации и характера производства. Машинная формовка применяется в основном для мелких и средних отливок, а иногда и крупных в условиях серийного и массового производства. Формовка на автоматических линиях применяется только в условиях массового производства. Машинная формовка по сравнению с ручной имеет ряд преимуществ, основные из которых следующие:

повышенная производительность

возможность осуществления комплексной механизации и автоматизации процессов изготовления отливок

повышенная точность отливок и уменьшение припусков на механическую обработку

Отливка «Ступица» изготовляется на автоматической формовочной линии «АЛИФ». На линии АЛИФ используется металлическая модельная плита, изготовленная из материала Ст 3 пс. ГОСТ 380-88 (см. рис. 5.4). Это объясняется тем, что плиты из других материалов не могут обеспечить необходимой прочности и долговечности. Эта модельная плита относится к цельнолитым плитам.

Линия предназначена для формовки песчано-глинистых полуформ в опоки с размерами в свету 960x700. Высота верха/низа 300/300. Метод уплотнения - импульсная формовка. На линии производятся операции: установки стержней, сборки форм, заливки форм металлом, охлаждения и выбивки. Все операции на линии за исключением установки стержней и заливки осуществляются в автоматическом режиме. Линия позволяет применять механизированную и автоматизированную заливку. Опоки, полуформы и формы транспортируются приводными рольгангами, толкателями по неприводным рольгангам, тележечным конвейером.

Установка импульсной формовки предназначена для изготовления верхних и нижних полуформ. Механизм выдавливания предназначен для выдавливания кома на выбивную решетку. Механизм сталкивания предназначен для передачи залитой формы с тележечного конвейера под механизм выдавливания.

Таблица 3-Основные технические характеристики линии

Глава 5 Выбор формовочных и стержневых смесей

Литейные формы заливают в сырую и всухую. При изготовлении мелких и средних отливок простой конфигурации формы обычно заливают в сырую. При изготовлении крупных и сложных отливок формы заливают всухую. Все большее применение находят поверхностно подсушенные и химически твердеющие формы. В зависимости от этого формовочные смеси подразделяют на смеси для заливки в сырую форму и для заливки в сухую форму.В зависимости от металла отливки формовочные смеси подразделяются на смеси для чугунного, стального и цветного литья. В зависимости от характера использования формовочные смеси разделяются на облицовочные и наполнительные, единые.

При изготовлении отливки «Ступица» используется единая формовочная смесь. Приготовление единой формовочной смеси осуществляется в бегунах модели 15107. Состав смеси приведен в таблице 4:

Таблица 4- Состав единой формовочной смеси

Таблица 5- Физико-механические свойства единой смеси

Стержень для отливки «Ступица» изготавливается из холодно-твердеющей смеси (ХТС). В состав таких смесей, кроме песка, входят фурановые смолы и отвердитель. Количество отвердителя зависит от размеров стержней и времени, в течении которого эта смесь используется. Отвердители вводят в смесь перед заполнением стержневого ящика. При использовании этих смесей должна быть обеспечена хорошая вентиляция стержневого отделения.

Таблица 6- Состав стержневой смеси

При приготовлении смеси температура смолы и кислоты должна быть от +15 - +25 градусов.

Таблица 7- Физико-механические свойства смеси

Глава 6 Выбор типа литниковой системы расчет основных элементов

Литниковая система - это совокупность элементов литейной формы в виде всевозможных каналов и полостей, предназначенных для плавного подвода жидкого металла в полость формы, её заполнения и питание отливок в процессе кристаллизации.

В состав литниковой системы входят следующие элементы: питатели, стояк, литниковая чаша, а также шлакоуловитель.

В зависимости от способа заполнения формы металлом литниковые системы можно разделить на щелевые, сифонные, ярусные, комбинированные и этажные.

Для получения отливки ”Ступица” применяется литниковая система с подводом металла по прямому питателю .

Применение такой литниковой системы обеспечивает заполнение формы за минимальное время с определенной скоростью. Устройство литниковой системы должно препятствовать попаданию неметаллических включений в полость формы. При выборе литниковой системы внимание следует обратить прежде всего на то, чтобы минимальным был расход металла на литниковую систему. Расчёт сводится к определению площади наименьшего сечения стояка и питателей литниковой системы с последующим определением соотношения площадей сечения остальных элементов системы. Исходные данные для расчета литниковой системы для отливки из СЧ 20:

Масса детали- 8 кг.

Сечение питателя  ,находим по формуле ([6], п. 1.1).

 ,                                                           (1)

где G - масса жидкого металла на отливку, кг;

-коэффициент расхода, зависит от рода сплава, способа формовки, сопротивления в форме. Способ формовки - по-сырому, сопротивление формы -среднее, значение коэффициента =0,42;

-оптимальная продолжительность заливки формы, с;

Hр - расчетный металлостатический напор, см.

Масса жидкого металла, кг, на отливку

                                                                                    (2)

где Go - черновой вес отливки, Go = 8 кг;

- коэффициент использования металла, =0,7 ([6], табл.1.1).

Оптимальная продолжительность заливки следующим образом ([6], п.1.4):

для отливок массой до 500 кг:

                                                                                 (3)

где S - эмпирический коэффициент, учитывающий толщину стенки отливки, равную δ=7 мм, S=1,3 ([6], табл. 1.2);

G - масса жидкого металла на отливку, кг.

Следовательно,

Расчетный металлостатический напор (см. рис.6.2) зависит от размера отливки и его определяют из соотношения:

                                                                              (4)

где Но - полный напор, см;

С - общая высота отливки, см;

Р - высота отливки в верхней полуформе, см.

Правильность расчета оптимального времени заливки необходимо проверить по значению минимально допустимой линейной скорости

т.к. скорость подъема уровня металла в форме превышает допустимую, то оптимальное время заливки рассчитывается по формуле:

                                                                                    (6)

где Vлин - скорость подъема уровня металла в форме, выбранная по таблице п.1.3: υ=15мм/с.

Рассчитав необходимые параметры, рассчитаем сечение питателя:

Т.к. в форме восемь питателей, то площадь одного составляет:

Следовательно площадь одного питателя равна Fпит = 2,75 см2,

Соотношение сечений элементов литниковой системы для мелких отливок: Fпит : Fшл : Fст = 1,0 : 1,05: 1,1

Площадь шлакоуловителей  ,

                                                                 (7)

Площадь стояка ,  ,

                                                                 (8)

Рис.7.1 «Высоты столба над верхним уровнем отливки»

Глава 7 Расчет веса груза

При заполнении формы расплав создает давление на стенки формы, пропорциональное плотности и высоте его столба. Это может привести к тому, что под давлением расплава верхняя опока приподнимиться, в результате между верхней и нижней полуформами образуется щель, через которую расплав может вытечь.

Сила действия  на верхнюю опоку определяется из выражения.

,                                       (9)

где F - площадь проекции отливки на горизонтальную плоскость, дм2;

r - плотность расплава, кг/дм3;

h - высота столба над верхним уровнем отливки, дм.

К - коэффициенты учитывающий гидравлический удар, К=1,3;

Vст - объем стержней без знаков, дм3;

rст - плотность стержней, кг/дм3;

Q - вес верхней полуформы, кг.

,

Следовательно, груз не нужен.

Глава 8 Расчет продолжительности затвердевания отливки в форме

При анализе процесса формирования отливок в форме различают несколько стадий, характеризующих изменение состояния металла:

стадия. Начало процесса, когда происходит заполнение формы расплавом и его частичное охлаждение в результате теплообмена с формой.

стадия. Охлаждение расплава после окончательного заполнения формы и отвода от неё тепла.

стадия. Процесс затвердевания расплава, который начинается при температуре ликвидуса и заканчивается при температуре солидуса. Во время затвердевания расплава происходит постепенное нарастание корки отливки. При этом фронт кристаллизации перемещается от наружной затвердевшей корки внутрь отливки, содержащей расплав.

стадия. Представляет собой процесс охлаждения в форме полностью затвердевшей отливки. При этом в ней идут структурные превращения. Последние, в зависимости от характера отливок (вида сплава, конфигурации отливки) могут сопровождаться и перераспределением термических напряжений, следствием которых являются холодные трещины.

Расчет для сырой песчано-глинистой формы:

Удельная теплота течения:

                                        (10)

где b2 - коэффициент аккумуляции тепла материалом формы,

Qтеч - разность между температурой заливки и температурой кипения воды;

R - половина толщины стенки, м;

ρ - плотность жидкого металла; для чугуна 7200 кг/м3 ;

n - показатель степени параболы.

Для сырой формы:

                                                                                     (11)

где Uo - исходная влажность формы в сотых долях, Uo=0,04

- время течения, с;

A - параметр, определяемый по формуле:

                                                                                     (12)

где U1 - влажность на границе сухой - влажный участок формы, в сотых долях;

                                                                                     (13)

;

где С2 - удельная теплоемкость сухой формы, С2=1250 Дж/кг*град;

rи - удельная теплота испарения влаги, rи = ;

Qп - разность температур на границах сухой - влажной зоны;

.                                                          (14)

Отвод теплоты перегрева:

Время отвода теплоты перегрева:

                              (15)

где  - плотность жидкого металла,

 - плотность жидкого металла,

с.

Полное время затвердевания , с:

                                                                (16)

                                                                   (17)

где  - удельная теплота кристаллизации с учетом понижения температуры;

                                                                           (18)

;

;

                                                                        (19)

где температура заливки;

температура кристаллизации;

;

;

Общее время кристаллизации:

 с.

Глава 9. Проверка правильности расчета продолжительности заливки и затвердевания с использованием компьютерной программы LVM FLOW

С использованием компьютерной программы Solid Works, была разработана объемная отливка «Эксцентрик», стержень со стержневым знаком, а также литниковая система (стояк, шлакоуловители, питатель). Следующим действием выполнил сборку, т.е. в полость уже готовой отливки вставил стержень, а затем присоединил литниковую систему. Получившуюся сборку сохранил в формате stl. Далее из Solid Works сборку транспортировал в компьютерную программу LVM FLOW. Установил параметры заливки: тип литья, марку и температуру заливаемого металла, установил подвод металла (точку через которую будет заливаться расплавленный металл, т.е точку на литниковой чаше). Только потом в программе LVM FLOW начал заливать полость формы расплавленным серым чугуном марки СЧ 20 ГОСТ 1412-85.

В данной программе, в реальном времени пронаблюдал весь режим заполнения формы в реальном времени, скорость заполнения полости формы металлом, выяснил время затвердевания отливки, увидел динамику изменения температуры отливки после заполнения формы, а также возможные узлы подверженные образованию усадочных раковин. Ниже предоставлены следующие графики: динамика изменения температуры отливки после заполнения формы (рис.2), режим заполнения формы в реальном времени (рис.1), скорость заполнения полости формы металлом (рис.5,6), проверка правильности расчета литниково питающей системы (рис.3), время затвердевания отливки (рис.4), а также узлы подверженные образованию усадочных раковин (рис.7, рис.8). Было произведено сравнение реального времени затвердевания и расчетного.

Установлено, что реальное время составляет 925,2 с., а расчетное - 842,96 с. Небольшие расхождения вызваны погрешностями при расчетах.

LVM FLOW(МОДЕЛИРОВАНИЕ)

В данной программе были получены данные:

температурного интервала заливки;

образование усадки;

время затвердевания;

степень ликвации.

Температурный интервал заливки:

Образование усадки

Время затвердевания:

Степень ликвации:

Продолжительность заливки:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе были разработаны чертежи отливки, монтаж моделей “верха”, “низа”, чертеж стержневого ящика и формы в сборе. Проанализировали технологичность конструкции детали. Рассчитали вес груза, продолжительность затвердевания и охлаждения отливки в форме.

сплав отливка стержневой затвердевание

Список использованных источников

1. Михайлова, А.М. Литейное производство/ под редакцией А.М.Михайлова.- М.:Машиностроение,1987.

. Гиршовича Н.Г., Справочник по чугунному литью/ под редакцией Н.Г. Гиршовича.- М.:Машиностроение,1987.

. ГОСТ 26645-85 «Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку»

. ГОСТ 3212-92 «Комплекты модельные, уклоны формовочные»

. Воздвиженского В.М., В.А.Грачева В.А. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении/ под редакцией В.М. Воздвиженского, В.А. Грачева. М.: Машиностроение,1987.