Основные конструкционные материалы, их свойства и области применения

Основные преимущества непрерывной разливки стали по сравнению с традиционной разливкой в изложницы заключается в следующем:

- существенное повышение выхода годной продукции по отношению к объему жидкой стали за счет исключения отходов с обрезью, возникающей при разливке в слитки;

- значительное снижение энергозатрат в связи с уменьшением количества технологических циклов нагрева и прокатки от заготовки до конечной продукции;

- радикальное повышение качества продукции за счет получения непрерывной заготовки высокого качества и стабильного химического состава;

- уменьшение затрат ручного труда и улучшение условий труда рабочих;

- возможность комплексной автоматизации процесса разливки стали;

- снижение экологической нагрузки на окружающую среду.



Раздел 3. ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

1. Понятие о холодной и горячей обработке металлов давлением. Сущность наклёпа, возврата и рекристаллизации. Их влияние на структуру и механические свойства металлов

В зависимости от температурных условий деформирования металла различают холодную и горячую деформации.

Холодной считается деформация при температурах, не превышающих температуру начала рекристаллизации металла или сплава; деформацию при более высоких температурах называют горячей. Для технически чистых металлов температура начала рекристаллизации составляет около 0,4 от температуры их плавления. Влияние холодной деформации на структуру металла выражается в изменении формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного пластического течения металла. Характер изменения механических свойств определяется явлением упрочнения металла в процессе холодной обработки давлением: по мере увеличения степени деформации возрастает сопротивление металла этой деформации. Такое упрочнение, называемое наклепом, обусловлено, прежде всего, значительным повышением плотности дислокаций, число которых при обработке металла давлением возрастает на несколько порядков. Упрочнение сопровождается резким снижением пластичности металла. В итоге в состоянии наклепа металл обладает высокой прочностью и твердостью в сочетании с низкими пластическими свойствами, т.е. становится хрупким. Пластичность холоднодеформированного металла может быть восстановлена путем проведения отжига заготовки при температурах, превышающих температуру начала рекристаллизации. Рекристаллизация - это процесс изменения структуры металла, протекающий без фазовых превращений; в металле возникают и растут новые неориентированные зерна, которые в итоге поглощают деформированные зерна.

При горячей обработке давлением процесс рекристаллизации сопровождает деформацию металла, предупреждая рост сопротивления металла деформации и обеспечивая сохранение его пластичности.

2. Виды обработки металлов давлением. Исходные заготовки для обработки металлов давлением. Классификация процессов обработки металлов давлением

Процессы ОМД по назначению подразделяются на два вида:

1. для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей только обработкой резанием или с использованием предварительного пластического формоизменения. Основными разновидностями таких процессов являются: прокатка, прессование, волочение (рис. 1, а, б, в).

2. для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближённо формы и размеры готовых деталей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества. Основными разновидностями таких процессов являются: ковка, штамповка (рис. 1, г, д).

Прокатка заключается в обжатии заготовки между вращающими валками. Исходной заготовкой являются стальные слитки до 60 тонн, из цветных металлов до 10 тонн.

Прессование заключается в продавливании заготовки, находящейся в замкнутой форме, через отверстие матрицы, причём форма и размеры поперечного сечения выдавленной части заготовки соответствует форме и размерам отверстия матрицы. Исходной заготовкой являются сортовой прокат простой формы либо небольшие слитки массой до 2.5 тонн (из черных и цветных металлов).

Волочение заключается в протягивании заготовки через сужающую полость матрицы. Площадь поперечного сечения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия матрицы. Исходными заготовками являются сортовой прокат простой формы (катонка), трубы.

Ковкой изменяют форму и размеры заготовки путём последовательного воздействия универсального инструмента на отдельные участки заготовки. Исходной заготовкой являются слитки

Штамповкой изменяют форму и размеры заготовки с помощью специализированного инструмента - штампа (для каждой детали изготовляют свой штамп). Различают объёмную и листовую (рис. 1, е) штамповку.

3. Прокатка. Сущность процесса. Исходные заготовки. Инструмент и оборудование. Продукция прокатного производства

Прокатка - это способ обработки пластическим деформированием - наиболее распространенный. Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. Способ зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие, достиг высокого совершенства.

Сущность процесса прокатки заключается в том, что заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазор между вращающимися валками, при этом, она уменьшается в своем поперечном сечении и увеличивается в длину. Форма поперечного сечения называется профилем.

Процесс прокатки обеспечивается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым заготовка перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. В момент захвата металла со стороны каждого валка действуют на металл две силы: нормальная сила N и касательная сила трения T

Исходным продуктом для прокатки могут служить квадратные, прямоугольные или многогранные слитки, прессованные плиты или кованые заготовки.

Прокатный стан - комплекс машин для деформирования металла во вращающихся валках и выполнения вспомогательных операций (транспортирование, нагрев, термическая обработка, контроль и т.д.). Оборудование для деформирования металла называется основным и располагается на главной линии прокатного стана (линии рабочих клетей). Главная линия прокатного стана состоит из рабочей клети и линии привода, включающей двигатель, редуктор, шестеренную клеть, муфты, шпиндели.

Среди сортового проката различают:

1. Заготовки круглого, квадратного и прямоугольного сечения для ковки и прокатки;

2. Простые сортовые профили (круг, квадрат, шестигранник, полоса, лента);

3. Фасонные сортовые профили:

- профили общего назначения (уголок, швеллер, тавр, двутавр);

- профили отраслевого назначения (железнодорожные рельсы, автомобильный обод);

- профили специального назначения (профиль для рессор, напильников).

4.Волочение. Сущность процесса. Исходные заготовки. Инструмент и оборудование для волочения. Продукция волочильного производства

Волочение -- это протягивание прутка через отверстие, выходные размеры которого меньше, чем исходные размеры прутка. Этот вид ОМД находит широкое применение в металлургической, кабельной и машиностроительной промышленностях.

Процесс выгодно отличается от механической обработки металла резанием (строганием), фрезерованием, обточкой и пр. так как при этом отсутствуют отходы металла в виде стружки, а сам процесс заметно производительнее и менее трудоемок.

Заготовки для волочения - это сплошные (катаные, прессованные) круглые и фасонные профили в бухтах или отрезках, бесшовные или сварные трубы. Готовые изделия волочильных цехов - это проволока диаметром от 0,01 до 6 мм, трубы диаметром до 400 мм, калиброванные прутки и профили, профильные (овальные, прямоугольные и т. п.) трубы.

Производительность процесса волочения определяется скоростью на выходе из волоки (скоростью волочения), вытяжкой за проход, затратами времени на начало процесса и замену инструмента.

Волочение производится через волоки - сплошные, составные, роликовые. Волока представляет собой кольцо, которое изготовляется из инструментальных сталей У8…У12, из стали марок ШХ15, Х12М, из твердых сплавов ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, а для получения проволоки диаметром менее 0,3 мм - из алмаза. Для увеличения прочности волока запрессовывается в стальную обойму.

Этим методом получают проволоку с минимальным диаметром 0,002 мм, прутки диаметром до 100 мм, не только круглого сечения, трубы главным образом небольшого диаметра и с тонкой стенкой. Можно изготовлять полые и сплошные изделия часто сложного поперечного сечения, производство которых другими способами не всегда представляется возможным (например, тонкие изделия, прутки значительной длины).

Современные волочильные станы характеризует высокая степень механизации, автоматизации и возможность регулировки скорости волочения в широком диапазоне.

Машины, обеспечивающие выполнение пластической деформации металла волочением, называют волочильными станами. Основными их элементами являются волочильный инструмент и тянущее устройство Принцип работы волочильных станов может быть различным и определяется характером работы тянущего устройства.

Станы могут быть с прямолинейным движением протягиваемого металла (цепные, реечные, гидравлические и др.) и с наматыванием на барабан (барабанные) Первый тип машин применяется для волочения профилей, сматывание в бунты которых вызывает определенные трудности. Барабанные волочильные станы используют для волочения проволоки, а также сплошных и полых профилей небольших сечений из черных и цветных металлов, которые не повреждаются при сматывании в бухту.

5. Прессование. Сущность процесса. Исходные заготовки и готовая продукция. Инструмент и оборудование

Для производства прутков, профилей и труб также применяется одна из разновидностей обработки металлов давлением -- прессование. Этот процесс является единственным для обработки специальных сталей, цветных металлов и сплавов с низкой пластичностью, а для целого ряда профилей оказывается более экономичным, чем прокатка. Помимо этого, прессованием получают изделия очень сложной формы в поперечном сечении, что невозможно при использовании других способов обработки пластической деформации.

Различают прессование: прямое, обратное, совмещенное с прошивкой для труб, профилей переменного сечения, с противодавлением, вакуумное и др.

При прямом методе прессования (рис. 14.7, а) нагретая заготовка 4 закладывается в контейнер пресса 2. С правой стороны контейнера расположены матрицедержатель 6 и закрепленная в нем матрица 5, с левой -- пуансон / с пресс-шайбой 3. При сжатии металл заготовки пластически деформируется и течет через выходное отверстие матрицы. В конце хода пуансона в контейнере остается часть металла, называемая пресс-остатком.

При обратном методе прессования (рис. 14.7,6) в контейнер 2 входит полый пуансон / с матрицей 3 на конце. При движении пуансона матрица, воздействуя на металл заготовки 4, приводит его в пластическое состояние. Металл вытекает через отверстие матрицы в обратном направлении. В прямом направлении путь металлу закрыт заглушкой 5 в матрице держателе 6. Прессование обратным методом характеризуется меньшими отходами и усилиями прессования.

Исходным материалом для прессования являются круглые слитки диаметром 120…680 мм и длиной 200…1000 мм и заготовки.

Прессованием можно получать различные профили: прутки диаметром 5…300 мм, трубы с внутренним диаметром 18…350 мм и толщиной стенки 1,25…50 мм и др.

7. Ковка. Исходные заготовки. Основные операции ковки. Инструмент и оборудование для ковки

Ковка - процесс деформирования нагретой заготовки между верхним и нижним бойками молота или пресса с применением универсального инструмента.

Ковка бывает также ручная, с применением кувалды, которая применяется в ремонтном деле для мелких работ.

Кованные заготовки для последующей обработки называют поковками. Масса их от 0,1 кг до 300 т. Большие поковки (массой больше 1,5 т) можно изготавливать из слитков только ковкой.

Меньшие поковки можно изготавливать также штамповкой.

Ковкой достигается не только требуемая форма поковок, но значительно улучшаются ее первоначальные свойства и структура. Наиболее тяжело нагруженные детали современных машин изготавливаются ковкой или штамповкой. Например, в автомобиле количество деталей, изготовленных ковкой или штамповкой, достигает 80%.

Исходной заготовкой при ковке крупных поковок, вес которых достигает 200 т (судовые прямые и коленчатые валы, роторы генераторов) являются слитки. Поковки массой 2 - 3 т иногда изготавливают из проката в виде блюмов. Для изготовления поковок весом до 1 т исходной заготовкой служит обычный сортовой прокат.

По способу изготовления поковок различают свободную ковку и горячую объемную штамповку.

Свободная ковка делится на ручную и машинную.

Ручная ковка осуществляется на наковальне с помощью кувалды и различного кузнечного инструмента. Ручную ковку применяют главным образом при ремонтных и сборочных работах, а также при изготовлении мелких поковок в небольшом количестве. Ее производительность крайне низкая.

Машинная ковка осуществляется на кузнечно-прессовом оборудовании, является основным методом, применяемом в машиностроении, а для получения тяжелых поковок (от 2 до 200 т) является пока единственным.

Технологические процессы получения поковок очень разнообразны, но все они представляют различные сочетания основных кузнечных операций: осадки, (высадки), вытяжки, прошивки, гибки, закручивания, рубки и кузнечной сварки.

Осадкой называется операция, посредством которой увеличивают поперечное сечение исходной заготовки за счет уменьшения ее высоты.

Осадкой получают заготовки зубчатых колес, фланцев, трубных дисков с большим поперечным сечением при относительно малой высоте из заготовок меньшего поперечного сечения.

Местная осадка, применяемая к части заготовки, наз. высадкой. Примером высадки служит операция получения головки болта, когда заготовкой служит пруток диаметром, равным диаметру болта.

Вытяжкой называют операцию, с помощью которой увеличивают длину заготовки за счет уменьшения ее поперечного сечения (валы прямые и с уступами). Для вытяжки применяют бойки (плоские, вырезные), обжимки. При вытяжке круглых поковок применяют патроны для удерживания и кантовки заготовки и др. инструмент.

Вытяжку осуществляют последовательными ударами или нажатиями с подачей заготовки вдоль оси и поворотом ее вокруг этой оси. Два последовательных обжима с промежуточной кантовкой на 90є наз. переходом, за которым следует подача. Отношение площади поперечного сечения заготовки к полученной площади сечения поковки наз. степенью уковки.

Разновидностью вытяжки могут быть: разгонка, вытяжка с оправкой, вытяжка на оправке.

Разгонка применяется тогда, когда необходимо металл раздать в стороны.

Вытяжка с оправкой увеличивает длину пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины стенок. Внутренний диаметр определяется диаметром оправки.

Вытяжка на оправке (раздача отверстия) увеличивает одновременно наружный и внутренний диаметр пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок.

Прошивка - операция, посредством которой в заготовке получают отверстие (сквозная прошивка) или углубление (глухая прошивка). Прошивки бывают цилиндрической формы и фасонные. Отверстия диаметром до 400 мм выполняют сплошными прошивками, а свыше 400 мм - пустотелыми. При прошивке отверстий больших диаметров у заготовок в виде слитков прибыльную часть располагают внизу.

Гибкой называют операцию, посредством которой меняют направление оси заготовки с целью получения продукции заданной формы.

Гибка сопровождается искажением поперечного сечения исходной заготовки и уменьшением ее площади. При гибке возможно образование складок по внутреннему диаметру и трещин по наружному. Для получения в заготовке изгиба сечения заданных размеров заготовке заранее придают на этом участке увеличенные поперечные размеры.

Закручивание - операция, посредством которой одну часть заготовки поворачивают по отношению к другой вокруг общей оси. Закручивание применяется при изготовлении коленчатых валов с расположением колен в различных плоскостях, спиральных сверл. Инструментом для закручивания служат вилки, воротки и др.

Рубкой - называют операцию, посредством которой заготовки разделяют или только подразделяют (подрубка) на части.

К рубке прибегают при ковке поковок для удаления излишнего металла, а также при ковке фигурных поковок. Инструментом являются топоры и подставки.

Кузнечная сварка - операция, посредством которой с помощью местного нагрева и механического воздействия соединяют в одно целое части или концы свариваемой поковки. Ее применяют только для получения мелких поковок. Кузнечной сваркой хорошо сваривается сталь, содержащая до 0,3 % С. Примеси понижают свариваемость. Сварка осуществляется в зоне высоких температур (1275 - 1400є).

Эти машины подразделяются на молоты и прессы. В свою очередь молоты подразделяются: приводные (рычажные, пневматические, фрикционные) и паровоздушные; а прессы - гидравлические и парогидравлические.

Основной характеристикой молотов является масса падающих частей, а прессов - наибольшее усилие, развиваемое плунжером.

Молоты обеспечивают в течении рабочего хода ударное динамическое до 6,5 - 7 м/сек, а прессы - относительно медленное статическое до 0,1 м/сек воздействие рабочего инструмента на обрабатываемый материал.

При свободной ковке мелких поковок применяют пневматические ковочные молоты, средних и крупных - паровоздушные ковочные молоты и гидравлические прессы, а для очень крупных поковок - только гидравлические прессы.

Gзаг = Gр + Gпр + Gдон + Gугар + Gоб

Gр - вес поковки по расчёту

Gпр - вес отхода на прибыльную часть слитка (до 20%)

Gдон - вес отхода на донную часть слитка (около 5%)

Gугар - вес отхода на окисление металла (2-3%)

Gоб - вес отхода на обсечку металла, зависит от сложности поковки

8. Штамповка объемная и листовая. Исходная заготовка, сущность процесса, операции

Метод заключается в том, что при приложении высокого давления металл горячей болванки подвергается серии последовательных деформаций, и, не нарушая своей целостности, затекает в свободное пространство специально подготовленных штампов, повторяя их пространственную форму и приходя к заданным размерам. Выступы и впадины в соответствующих локальных областях штампа ограничивают и направляют движение металла, приближая с каждым проходом конфигурацию и габариты болванки к параметрам конечного изделия. При последнем рабочем проходе они формируют замкнутый единый ручей (полость), совпадающий с конфигурацией готового изделия.

Горячая штамповка в качестве болванок использует круглый или прямоугольный прокат, а также горячекатаный лист. Горячая объемная штамповка проводится и прямо из прутка, если конфигурация детали не очень сложная и достаточно одного-двух проходов. Впоследствии отдельные детали отрубают от прутка.

По технологическим схемам активно применяются две наиболее употребительных:

· штамповка в закрытых штампах

· штамповка в открытых штампах

Горячая объемная штамповка в закрытых штампах осуществляется в штампе с небольшим зазором между его половинами. Подразумевается, что объемы заготовки и готового изделия совпадают. Эту оснастку снабжают двумя поверхностями разъединения, находящимися под некоторым углом. Схема используется в производстве сравнительно несложных по своей форме деталей и позволяет добиться наибольшей однородности внутреннего строения детали и меньшей шероховатости.

При применении схемы горячей объемной штамповки в открытых штампах нет точного соответствия объемов между заготовкой и конечным изделием, происходит активное перераспределение массы металла между частями поковки. Часть металла выдавливается за пределы штампа в специальную канавку и называется облоем. Схема позволяет штамповать детали практически любой конфигурации, поскольку позволяет проводить большое количество черновых и завершающих проходов с промежуточным кантованием болванки.

Сущность способа заключается в процессе, где в качестве заготовки используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свёрнутую в рулон. Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные плоские и пространственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов и размерами, составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолёта, ракеты). Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что толщина их стенок незначительно отличается от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заготовка обычно испытывает значительные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъявлять к материалу заготовки достаточно высокие требования по пластичности. При листовой штамповке чаще всего используют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь, содержащую более 60 % Cu, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы, титан и др. Листовой штамповкой получают плоские и пространственные детали из листовых неметаллических материалов, таких, как кожа, целлулоид, органическое стекло, фетр, текстолит, гетинакс и др. Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолето-, ракето- и приборостроение, электротехническая промышленность и др

Разделительные операции предназначены или для получения заготовки из листа или ленты, или для отделения одной части заготовки от другой. Операции могут выполняться по замкнутому или по незамкнутому контуру.

Отделение одной части заготовки от другой осуществляется относительным смещением этих частей в направлении, перпендикулярном к плоскости заготовки. Это смещение вначале характеризуется пластическим деформированием, а завершается разрушением.

Отрезка - отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах - ножницах или в штампах.

Обычно ее применяют как заготовительную операции для разделения листов на полосы и заготовки нужных размеров.

Вырубка и пробивка - отделение металла по замкнутому контуру в штампе.

При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали, а пробивкой - внутренний контур (изготовление отверстий).

Вырубку и пробивку осуществляют металлическими пуансоном и матрицей.

Гибка - образование угла между частями заготовки или придание заготовке криволинейной формы.

При гибке пластически деформируется только участок заготовки в зоне контакта с пуансоном: наружные слои заготовки растягиваются, а внутренние - сжимаются. Деформация растяжения наружных слоев и сжатия внутренних увеличивается с уменьшением радиуса скругления рабочего торца пуансона, при этом возрастает вероятность образования трещин. Поэтому минимальный радиус пуансона ограничивается величиной в пределах 0.1…2,0 от толщины заготовки, в зависимости от механических свойств материала.

Вытяжка - образование полого изделия из плоской или полой заготовки

Обжим - уменьшение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки.

Рельефная формовка - местное деформирование заготовки с целью образования рельефа в результате уменьшения толщины заготовки (рис. 16.1.е).

Формовкой получают конструкционные выступы и впадины, ребра жесткости, лабиринтные уплотнения.

В качестве инструмента при холодной листовой штамповке используют штампы. Они состоят из блоков деталей и рабочих частей -- матриц и пуансонов. Рабочие части непосредственно деформируют заготовку. Детали блока (верхняя и нижняя плиты, направляющие колонки и втулки) служат для опоры, направления и крепления рабочих частей штампа. По технологическому признаку различают штампы простого, последовательного и совмещенного действия.

В штампе простого действия за один ход ползуна выполняется одна операция и поэтому его называют однооперационным. Нижней плитой штамп устанавливают па стол пресса и крепят к нему болтами или скобами. Верхнюю плиту небольших штампов крепят к ползуну с помощью хвостовика, а верхнюю плиту крупных штампов крепят к ползуну так же, как и нижнюю плиту, к столу пресса, полосу или ленту подают в штамп между направляющими линейками до упора, который ограничивает шаг подачи полосы или ленты. Для снятия высечки с пуансона служит съемник.

В штампе последовательного действия за один ход ползуна выполняются одновременно две или более операций в различных позициях, а заготовка после каждого хода пресса перемещается на шаг подачи.

В штампе совмещенного действия за один ход ползуна пресса две и более операции выполняются в одной позиции без перемещения заготовки в направлении подачи. Штампы последовательного и совмещенного действий называют многооперационными. Они производительнее однооперационных, но сложнее и дороже в изготовлении. Их используют в крупносерийном и массовом производстве.



Раздел 4. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1. Сущность литейного производства. Основные способы получения отливок, их преимущества и недостатки

Сущность литейного производства состоит в том, что расплавленный и перегретый сплав заданного состава заливается в литейную форму, внутренняя полость которой с максимальной степенью приближения воспроизводит конфигурацию и размеры будущего изделия (отливки). В процессе кристаллизации и охлаждения сплава формируются основные механические и эксплуатационные свойства отливки, определяемые макро и микроструктурой сплава, его плотностью. Заполнение формы металлом может быть свободным - под действием силы тяжести металла или принудительным - под действием центробежных сил или внешнего давления.

Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

В зависимости от материала литейной формы различают: - литейные формы, изготовленные из неметаллических материалов (песчано-глинистые формы; формы, изготовленные по выплавляемым моделям; оболочковые формы и др.) для одноразового использования; - металлические литейные формы (кокиль, изложница для центробежного литья, пресс-форма для литья под давлением и др.) для многократного использования.

Литье в песчано-глинистые формы

Литье в песчано-глинистые формы - это способ получения отливок в одноразовых литейных формах, изготовленных из формовочных смесей методами ручной и машинной формовки, с использованием модельного комплекта. После затвердевания и охлаждения материала литейная форма разрушается, и отливка извлекается.

Преимущества метода литья в песчано-глинистую смесь

· Универсальность способа, что позволяет отливать изделия любых габаритов самых сложных конфигураций - из различных сплавов, в том числе из тугоплавких и труднодеформируемых, с массой от нескольких граммов до сотен тонн.

· Относительно низкая стоимость исходных материалов литейных форм.

· Малые сроки подготовки производства.

Недостатки

· низкая производительность труда, неоднородность состава и пониженная плотность материала, возможны раковины.

· Перспективным является применение в литейном деле полуавтоматов и автоматов, робототехнических комплексов, новых технологий литья из легированных сталей и т.д. стоимость литья зависит от объемов производства, уровня механизации и автоматизации технологических процессов.

Литье по выплавляемым моделям

Это процесс, в котором для получения отливок применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей.

Этим способом отливают сложные, но небольшие по массе детали и заготовки из углеродистых и легированных сталей, твёрдых сплавов, сплавов на основе титана, меди и алюминия Неразъёмную литейную форму изготавливают по неразъёмной модели из легкоплавкого материала (парафин, стеарин, церезин) путём многократного погружения в жидкую огнеупорную суспензию с последующей обсыпкой кварцевым песком и подсушкой на воздухе (или в атмосфере аммиака), после чего модель из формы выплавляют и в образовавшуюся полость заливают расплавленный металл.

Достоинства процесса:

- высокие точность и качество поверхности отливки, позволяющие на 80% и более исключить последующую механическую обработку;

- снижение себестоимости деталей на 30-70%;

-возможность получения сложных тонкостенных отливок (до 0,6 мм.) из сталей и твердых сплавов;

- отсутствие, в большинстве случаев, литейных стержней;

- высокая производительность в условиях массового производства - до 100 блоков в час;

- возможность полной автоматизации (наличие автоматизированных линий, агрегатов, установок);

- значительное улучшение условий труда.

Недостатки процесса:

- высокая себестоимость 1 тонны литых заготовок - в 10 и более раз выше, чем при литье в песчано-глинистых формах;

- сложность технологического процесса и длительность технологического цикла;

- ограничение отливок по размерам (до 250 мм) и массе (до 10 кг)

Литье в кокиль

Кокильное литье - это литье металла, осуществляемое свободной заливкой кокилей. Кокиль - металлическая форма с естественным или принудительным охлаждением, заполняемая расплавленным металлом под действием гравитационных сил. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали.

Достоинства процесса:

- повышенные прочность и качество поверхности отливки;

- повышенные механические свойства металла (кроме чугуна). Прочность возрастает на 50-70%, пластичность в 3-4 раза;

- отсутствие формовочных материалов и их переработки;

- резкое уменьшение отходов производства;

- высокая производительность в условиях массового производства: до 50 циклов в час на однопозиционных машинах, до 120 циклов в час на многопозиционных машинах и автоматических линиях;

- возможность полной автоматизации процесса.

- более благоприятные условия труда по сравнению с литьем в песчаные и оболочковые формы.

Недостатки процесса:

- образование отбела при литье серого и высокопрочного чугунов, анизотропность свойств по сечению отливок из других сплавов;

- низкая стойкость кокиля (100 - 2000 заливок) при литье черных сплавов (в то время как при литье цветных сплавов стойкость достигает 100 000 заливок);

- сложность получения тонкостенных отливок вследствие быстрого затвердевания металла;

- ограничение отливок по размерам (до 1000 мм) и массе (до 100 кг).

Литье под давлением

Принцип процесса литья под давлением основан на принудительном заполнении рабочей полости металлической пресс-формы расплавом и формировании отливки под действием сил от пресс-поршня, перемещающегося в камере прессования, заполненной расплавом.

Достоинства процесса:

- высокая точность (припуски на обработку составляют 0,3-1 мм, уклоны менее 1 градуса) и качество поверхности отливки, в ряде случаев исключающие последующую механическую обработку;

- возможность получения тонкостенных отливок (толщиной 1-1,5 мм) и точных литых отверстий (диаметром 1,5-2 мм), а также отверстий с резьбой (до М6);

- минимальный объем финишной обработки отливок;

- высокая производительность (на машинах с горячей камерой прессования) - до 300 циклов в час, с холодной - до 100 циклов в час);

- возможность полной автоматизации и роботизации;

- отсутствие формовочных и стрежневых материалов и их переработки, а также отсутствие не перерабатываемых отходов производства;

- резкое улучшение условий труда по сравнению с литьем в песчаные, оболочковые и в металлические формы.

Недостатки процесса:

- наличие газовой пористости в массивных частях отливок, что влечет снижение их

механической прочности, а также не допускает упрочняющие виды термообработки;

- высокая стоимость технологической оснастки (пресс-форм) и оборудования, в результате чего процесс рационален только в условиях массового производства; -

проблематичность литья под давлением отливок из черных сплавов;

- ограничение отливок по размерам (до 1000 мм в плоскости разъема формы) и массе (до 50 кг для алюминиевых сплавов).

Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы появилось как попытка автоматизировать изготовление разрушаемых форм. На нагретую модель, выполненную из металла, насыпается смесь песка с частицами неполимеризованного термореактивного материала. Выдержав эту смесь на поверхности нагретой заготовки определенное время, получают слой смеси, в котором частицы пластмассы расплавились и полимеризовались, образовав твердую корку (оболочку) на поверхности модели. При переворачивании резервуара излишняя смесь ссыпается, а корка, с помощью специальных выталкивателей, снимается с модели. Далее, полученные таким образом оболочки , соединяют между собой склеиванием силикатным клеем, устанавливают в опорах и засыпают песком, для обеспечения прочности при заливке металла. Также получают керамические стержни для формирования внутренних полостей отливок.

Достоинства процесса:

-повышенные точность и качество поверхности отливки;

- возможность получения сложных тонкостенных отливок из черных сплавов (серый чугун до 1,5 мм, сталь - до 3 мм);

- высокая производительность в условиях массового производства - до 300 форм в час;

- возможность полной автоматизации (наличие одного - двух - четырех позиционных автоматов, автоматических линий);

Недостатки процесса:

- нерешенность вопросов экологии: значительные выделения вредных газов на всех этапах технологического процесса, большой объем отходов, высокая стоимость, газоочистки и регенерации отходов;

- высокая стоимость фенолоформальдегидной смолы;

- ограничение отливок по размерам (до 1000 мм) и массе (до 100 кг).

Центробежное литье

Принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение формы расплавом и формирование отливок происходят при вращение формы либо вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси, либо при её вращение по сложной траектории.

Достоинства центробежного литья:

- возможность получения пустотелых отливок без стержней;

- экономия металла (до 30 и более процентов) на литниковой системе;

- повышенные механические свойства наружных слоев отливки;

- возможность получения многослойных (в том числе биметаллических) цилиндрических заготовок;

- возможности получения тонкостенных отливок при литье с вертикальной осью вращения;

- возможность полной автоматизации и роботизации ;

- относительно благоприятные условия труда.

Недостатки центробежного литья:

- низкие точность и качество внутренней поверхности отливок;

высокая неоднородность структуры металла (ликвация);

- ограничение номенклатуры отливок (телами вращения) при литье с горизонтальной осью вращения формы;

- низкая стойкость изложниц при литье черных сплавов;

- недостаточная производительность при литье небольших отливок на машинах с горизонтальной осью вращения (10…15 отливок в час);

- образование отбела при литье чугуна в металлические вращающиеся формы-изложницы.

2. Основные технологические этапы изготовления отливок в песчано-глинистых формах



Сущность процесса заключается в заливке расплавленного металла в формы, которые изготовлены из формовочных смесей, основными материалами которых является формовочные пески и глина, путем их уплотнения с использованием модельного комплекта, после затвердевания сохраняет заданную конфигурацию

1,2 - нижняя и верхняя полуформы, 3 - литейный стержень,

4 - металлический центрирующий штырь, 5 - выпор (прибыль), 6 - литниковая чаша, 7 - стояк, 8 - опока, 9 - шлакоуловитель, 10 - питатель.

Основные операции технологического процесса в песчанно-глинистые формы:

- изготовление формы;

- плавка металла;

- заливка металла в формы;

- выбивка отливки из формы;

- очистка отливки;

- отрезка литниковой системы;

- термическая обработка;

- контроль отливки.



3. Модельно-опочная оснастка. Элементы и их назначение

Для изготовления формы и стержня необходимы модельный комплект и формовочная и стержневая смесь.

Модельный комплект - это совокупность технологической оснастки и набор приспособлений: литейная модель, модели элементов литниковой системы, стержневой ящик, модельные плиты, шаблоны, используемые для образования рабочей полости литейной формы.

Литейная модель - приспособление, с помощью которого в литейной форме получают отпечаток, соответствующей конфигурации и размерам отливки. Модель соответствует внешним очертаниям отливки.

Исходным документом для разработки чертежа модели служит чертеж детали. На чертеже детали показывают положение отливки в форме, разъем модели и формы, стержневые знаки и число стержней, формовочные уклоны и др. При разработке чертежа модели отливки учитывают припуск на механическую обработку, который необходим для получения из отливки детали требуемых размеров и шероховатости поверхности. Кроме того, все размеры модели увеличивают на величину линейной усадки сплава, из которого изготовлена отливка. По конструкции модели бывают разъемные и неразъемные.

Модели, в зависимости от массовости производства изготавливают из дерева, чугуна, цветных сплавов. Металлические модели более долговечны, точны, имеют малую шероховатость и не деформируются в процессе производства и при хранении.

Стержневой ящик - приспособление, служащее для изготовления стержней. Стержневые ящики бывают цельными и разъемными. Для единичного производства их изготавливают из дерева, для массового производства - из чугуна, алюминиевых сплавов и пластмассы. Модельные плита, которая формируют разъем литейной формы, на нее закрепляют части модели и элементы литниковой системы, устанавливают опоку. Металлическую модельную плиту применяют, как правило, при машинной формовке. На рис. 6 приведены элементы модельно-опочной оснастки.

а - разъемная модель; б - стержневой ящик; в - модель литниковой системы в сборке; г - модельная плита с закрепленной моделью; д - опоки

4. Формовочные и стержневые смеси. Материалы, требования предъявляемые к ним. Формовочные и стержневые смеси.

Основными компонентами формовочных смесей являются песок (огнеупорная составляющая) и связующее (глина и вода). Глина придает необходимую прочность и пластичность смеси, а песок увеличивает пористость и, следовательно, влияет на газопроницаемость формовочной смеси. Кроме того, используют различные добавки (молотый каменный уголь, мазут, графит, древесная мука и др.), предназначенные для придания смесям специальных свойств. Формовочные смеси подразделяют на смеси для стальных, чугунных и цветных сплавов. В единичном и мелкосерийном производстве применяют облицовочные и наполнительные смеси.

Облицовочные смеси используют для получения рабочей полости литейной формы. Они состоят из песка и глины, которые не были в употреблении. После нанесения облицовочной смеси толщиной 20-50 мм, опоку заполняют наполнительной смесью. Наполнительная смесь состоит из смеси бывшей в употреблении с добавками 5-10 % свежих песка и глины. В условиях массового 24 производства используют единые смеси, выполняющие функции облицовочных и наполнительных.

Стержневые смеси состоят в основном из кварцевого песка с добавками различных связующих материалов (олифа, синтетическая смола, канифоль, декстрин и др.). Чтобы стержень не пригорал к отливке, в смесь вводят уголь, графит, мазут, а для обеспечения податливости и газопроницаемости стержней - древесные опилки и торф. Формовочные и стержневые смеси должны обладать высокой огнеупорностью, достаточной прочностью и пластичностью, податливостью, газопроницаемостью, противопригарностью.

Огнеупорность - способность смеси и формы сопротивляться размягчению и расплавлению под воздействием температуры расплавленного металла. Чем крупнее песок, тем меньше в нем примесей и пыли, и чем больше кремнезема, тем огнеупорнее смесь. При низкой огнеупорности на поверхности отливки образуется пригар - прочное соединение формовочной и стержневой смеси с поверхностью отливки.

Формовочные смеси должны обладать прочностью (0,3-1,2 кг/см2 ) для того, чтобы форма не разрушалась под тяжестью заливаемого металла, при транспортировке из формовочного отделения цеха в заливочное и т. д. Прочность формовочной смеси увеличивается с увеличением содержания глины, с уменьшением размеров песка, плотности.

Пластичность -- способность смеси давать четкий отпечаток модели. Пластичность смеси увеличивается с повышением в ней до определенных пределов связующих материалов и воды, а также песка с мелкими зернами.

Податливость - способность смеси реагировать на увеличение объема и усадку металла (не сдерживать ее).

Газопроницаемость - способность смеси пропускать через себя газы. Газопроницаемость тем выше, чем больше песка в формовочной смеси и 25 чем он крупнее, а также чем меньше содержание глины в формовочной смеси.

Противопригарность - смесь не должна содержать компонентов, реагирующих с заливаемым в форму металлом и способствующих пригоранию смеси к поверхности отливки.

Приготовление смесей предусматривает подготовку исходных формовочных материалов, отработанных смесей и приготовление смесей из этих материалов. Пески, поступающие на склад литейного цеха сушат при температуре 250 ^оС в печах барабанного типа или на специальных установках в кипящем слое.

Высушенный песок охлаждается до нормальной температуры и просеивается с целью отделения различных примесей (гальки, комков и др.) Глину подвергают сушке в барабанных печах с последующим размельчением до определенных размеров (менее 0,1 мм).

В формовочные смеси вводят не порошковую глину, а глинистую суспензию (40 % глины и 60 % воды). Перемешивание песка и суспензии осуществляется в смешивающих бегунах. После переработки в бегунах смеси содержащие глину, поступают в бункеры-отстойники на вылеживание.

Вылеживание необходимо для образования водных оболочек вокруг глинистых частиц и устранения неравномерности в распределении влаги в смеси.

После бункеров-отстойников смесь 26 разрыхляют в специальных аэраторах, что обеспечивает высокую газопроницаемость и однородность уплотнения смеси в формах.

5. Литейные свойства сплавов. Способы их определения.

Основными литейными свойствами являются:

- жидкотекучесть - способность металлов и сплавов течь по каналам литейной формы и четко воспроизводить очертания её внутренней полости.

- усадка (объемная и линейная) - свойство металлов и сплавов уменьшать объем и размеры отливки при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды.

C усадкой сплавов связано образование многих дефектов в отливках: усадочные раковины, пористость, коробление и трещины. Усадка зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки и др. факторов. Различают объемную и линейную усадки, выражаемые в процентах. Объемная усадка проявляется в образовании усадочных раковин и пор в отливках, а также влияет на возникновение в них внутренних напряжений, приводящих к короблению и трещинам.

- ликвация - химическая и структурная неоднородность сплава, проявляющаяся в процессе кристаллизации.

Она может быть дендритной (неоднородность внутри кристалла) или зональной (неоднородность структуры и состава в различных частях отливки). На ликвацию оказывает значительное влияние химический состав сплава и скорость охлаждения отливки.

Чем крупнее отливка, тем медленнее она охлаждается и тем больше развивается зональная ликвация. В тонкостенных отливках зональная ликвация развита меньше. Ликвационные включения концентрируются в толстых частях отливки. Поэтому при конструировании необходимо предусматривать равномерную толщину стенки отливок или конструировать их по принципу направленного затвердевания. С целью устранения ликвации отливки подвергают гомогенизационному отжигу;

- склонность к газопоглощению - способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии растворять кислород, азот, водород и другие газы. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы. Для уменьшения газонасыщения сплавов используют плавление в вакууме или в среде защитных газов.

- склонность к трещинообразованию. При затвердевании и охлаждении в отливках возникают внутренние напряжения: усадочные (получающиеся за счет затрудненной усадки), тепловые (возникающие из-за неравномерного охлаждения тонких и толстых частей отливки) и фазовые (связанные с 7 изменением структуры сплава и размеров кристаллов, что приводит к изменению объема отливки).

Внутренние напряжения могут влиять на качество отливки следующим образом:

1) если литейные напряжения больше предела текучести, но меньше предела прочности сплава, то они вызовут коробление отливки;

2) если литейные напряжения превышают предел прочности сплава, то в отливке образуются трещины.

Способы их определения:

Жидкотекучесть сплавов определяют по специальным пробам. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной спирали в литейной форме, и она зависит от многих факторов. Например, повышение температуры заливки увеличивает жидкотекучесть всех сплавов. Чем выше теплопроводность материала формы, тем быстрее отводится тепло от залитого металла, тем ниже жидкотекучесть.

Различают линейную и объемную усадки, которые определяют в процентах. Величина усадки сплавов зависит от их химического состава, температуры заливки, конфигурации отливки и других факторов. Наименьшую линейную усадку имеет серый чугун (0,9--1,3 %) и алюминиевые сплавы -- силумины (0,9--1,3 %). Стали и некоторые сплавы цветных металлов имеют усадку от 1,8 до 2,5 %. Изготовлять отливки из сплавов с повышенной усадкой сложно, так как в массивных частях отливки образуются усадочные раковины и усадочная пористость. Для предупреждения образования усадочных раковин предусматривают установку прибылей -- дополнительных резервуаров с расплавленным металлом для питания отливок в процессе их затвердевания.