Размещено на http://www.allbest.ru/

1

• Содержание

Введение

1. Анализ и тенденции развития литья теплоэнергетического оборудования

2. Разработка технологического процесса изготовления отливки теплообменника

2.1 Анализ заказа

2.2 Анализ технологичности конструкции литой детали и выбор способа изготовления отливки

2.3 Определение положения отливки в форме при заливке

2.4 Определение участков поверхности отливки, выполняемых стержнями

2.5 Выбор материала для изготовления модельного комплекта

2.6 Конструкция и размеры модельных комплектов

2.7 Определение размеров и конструкции опок

2.8 Проектирование и расчет литниково-питающей системы

2.9 Определение температуры расплава при заливке в форму

2.10 Продолжительность охлаждения отливок в форме

2.11 Формовочные и стержневые смеси

2.12 Применение ЭВМ при разработке технологии получения отливки

3. Технологический процесс ручной формовки

3.1 Особенности выполнения ручных операций

3.1.1 Общие требования к ручной формовке

3.1.2 Основные операции

3.2 Подготовка литейной оснастки

3.3 Уплотнение смеси в опоке

3.4 Изготовление стержней

3.5 Сушка стержней

4. Анализ брака полученных опытных отливок и пути его устранения

5. Построение приближенной математической модели скорости затвердевания отливки

5.1 Основы термокинетической теории кристаллизации

5.2 Расчет затвердевания

5.3 Применение ЭВМ

6. Герметичность чугунов

6.1 Разновидности нарушений плотности серого чугуна

6.1.1 Микропористость

6.1.2 Макропористость

6.1.3 Грубая дефектная пористость

6.2 Физическая характеристика герметичности серых чугунов

7. Методики проведения экспериментов

7.1 Определение герметичности чугуна

7.1.1 Разработка способа и методики определения герметичности чугуна

7.1.2 Конструкция герметометра для определения герметичности чугуна

7.2 Определение твердости чугуна

7.2.1 Твердость как характеристика свойств материалов

7.2.2 Определение твердости металлов методом Бринелля

7.2.3 Порядок работы на полуавтоматическом приборе 2109 ТБ

7.3 Определение макроструктуры металлов и сплавов

7.3.1 Макроанализ строения металлов

7.3.2 Макроанализ излома металла

7.4 Определение микроструктуры металлов и сплавов

7.4.1 Микроструктура чугуна

7.4.2 Микроанализ металлов

7.4.3 Приготовление микрошлифов

7.4.4 Изучение микроструктуры

7.4.5 Количественная металлография

8. Обработка и анализ результатов исследований

8.1 Определение оптимальных размеров образца для испытаний на герметичность

8.2 Исследование влияния химического состава и структуры на герметичность чугуна

8.2.1 Макроструктура сурьмянистого чугуна

8.2.2 Микроструктура сурьмянистого чугуна

8.2.3 Влияние сурьмы на герметичность чугуна

8.3 Механические свойства сурьмянистого чугуна

9. Охрана труда

9.1 Анализ возможных опасных и вредных производственных факторов при работе в литейной лаборатории

9.2 Мероприятия, направленные на устранение и снижение выявленных опасных и вредных производственных факторов

9.3 Экологические проблемы отвалов литейного производства

Выводы

Литература

Введение

Рациональное использование природных ресурсов и энергии является важнейшей задачей производства, экономики и экологии. Поэтому создание оборудования, позволяющего экономить тепловую энергию, является наиболее актуальным.

В решении этой проблемы важная роль принадлежит литейному производству, т.к. литьем получают большинство гидравлического и энергетического оборудования. Среди подобного оборудования особое место занимают литые теплообменники, конструкция которых постоянно усовершенствуется, позволяя более рационально использовать тепловую энергию. Другим направлением в производстве теплообменников, является их удешевление за счет используемого при их отливке сплава. т.к. к подобным отливкам предъявляются повышенные требования по герметичности, то их обычно изготавливают из стали, цветных сплавов или высокопрочного чугуна, что значительно увеличивает стоимость этих отливок. Выход видится в использовании серого чугуна, для чего необходимо найти способы улучшить его свойства.

В производстве подобных отливок также важная роль отводится математическому моделированию, которое в значительной степени упрощает прогнозирование процесса формирования отливки, структуры металла и, в конечном итоге, качества получаемой отливки.

1. Анализ и тенденции развития литья теплоэнергетического

оборудования

Производство теплоэнергетического оборудования является важной экономической и экологической задачей. Это определяет актуальность задачи повышения надежности и долговечности работы и коэффициента полезного действия энергетического оборудования, в том числе и теплообменников. Надежность и экономичность работы этих агрегатов определяется работоспособностью радиаторов - узлов, работающих в условиях повышенных давлений и в агрессивной среде.

Теплообменники подразделяются на промышленные и бытовые. Выпуск бытовых радиаторов впервые был налажен еще в 40-х годах на Московском чугунолитейном заводе им. Войкова (Россия) [1]. Были созданы различные типы радиаторов, разработаны технологии их производства.

На заводе им. Войкова проводились исследования по разработке связующих материалов для стержневых смесей, применяемых в производстве радиаторов. В результате исследований был разработан безмасляный крепитель БК [2]. Для стержневых смесей был предложен также безмасляный крепитель КО, для изготовления которого использовались остатки производства синтетических жирных кислот, растворенных в уайт-спирите [3].

Особые требования при литье радиаторов предъявляются к металлу отливки. Сплав должен обладать:

прочностью,

износостойкостью,

коррозионной стойкостью,

герметичностью.

Такими материалами обычно служат сталь, чугун и некоторые цветные сплавы. Однако, высокая стоимость стали и цветных сплавов, а также низкие литейные свойства этих сплавов ограничивают широкое их применение в качестве материала для отливок гидросистем и теплоэнергетического оборудования. Наиболее широкое применение при изготовлении теплообменников получил чугун, как более дешевый, доступный и хороший литейный материал [24]. Одним из основных требований, предъявляемых к чугуну, является его герметичность.

Требования по герметичности предъявляются к большинству отливок, работающих с жидкостями и газами под давлением. При наблюдении за работой гидравлических устройств, работающих под давлением, часто приходится наблюдать явления, противоречащие друг другу. Так, в ряде случаев одни и те же материалы иногда ведут себя по-разному. То появляется просачивание жидкости при небольшом давлении, то при значительных давлениях тот же материал ведет себя совершенно по-другому и показывает хорошую герметичность [24].

Герметичность отливок зависит от неплотного строения. Неплотное строение отливок вызывают макро- и микродефекты. Макродефекты - усадочные, песчаные, шлаковые раковины, различного рода трещины, спаи и другие нарушения сплошности металла; микродефекты - газовая и рассредоточенная усадочная пористость, крупные выделения графита, дефекты, связанные с фазовыми превращениями материала отливки и другие [8]. Эти дефекты приводят к браку отливок.

С целью изучения герметичности чугунов многими исследователями были проведены ряд опытов, которые проливают свет на природу герметичности чугунов. Герметичность определяют различными способами: минимальной толщиной стенки, выдерживающей заданное давление, максимальным давлением до появления течи, расходом жидкости и газа через стенку определенной толщины при постоянном давлении, поэтому невозможно сопоставить результаты отдельных исследователей.

Так, например, Г. Тамман и Г. Брейдемейер предложили метод определения пористости чугуна красящими веществами. Чугунные кубические образцы с длиной ребер 30 и 60 мм помещали в свободное пространство стального цилиндра с плотно пригнанным поршнем, заливались водным раствором фуксина или зозина и с помощью пресса в течение 10-30 минут подвергали гидростатическому давлению. По количеству красителя, проникающего в образец, определялась пористость чугуна [24].

В США применяется электропневматический метод испытания на герметичность [8]. Скорость утечки сжатого воздуха из полости отливки контролируется электрическими датчиками. Метод пригоден для проверки различных по объему образцов при различных давлениях и позволяет качественно оценить герметичность, автоматизировать процесс испытания и автоматически сортировать отливки по герметичности.

Герметомер, созданный в Санкт-Петербургском политехническом институте (Россия), основан на определении количества газа, просочившегося через стенку образца за определенное время [8]. Герметичность определяют с достаточно высокой точностью. Недостаток - низкая производительность и необходимость изготовления специальных образцов.

На предприятиях, выпускающих гидравлическую аппаратуру и оборудование, испытания на герметичность проводят на специальных стендах. К рабочей полости изделия в течение определенного времени под давлением (1.5-2.5 номинального) подводится рабочая жидкость. По величине потери давления определяется герметичность рабочей полости [8].

В Одесском политехническом университете проводились исследования герметичности серых чугунов, подвергая образец, вырезанный из отливки, одностороннему давлению жидкости (газа) [9]. Результаты испытания серых чугунов разного состава иллюстрируют влияние графитовой и усадочной пористости на характер фильтрации жидкости. Анализ показывает, что количество просочившейся жидкости и, следовательно, определившаяся при этом величина герметичности зависят от пористости в сплаве, а также от свойств металлической основы (фазовый состав, прочность и пластичность материала) [8, 9].

Известно, что величина и тип пористости, являющийся одним из основных критериев герметичности, в значительной степени зависят от величины интервала кристаллизации [19]. Поэтому большое значение приобретает химический состав применяемого чугуна, определяющий интервал кристаллизации. Исследованы зависимости пористости от содержания в чугуне углерода и кремния [19, 20, 21]. Установлено, что при увеличении содержания углерода и кремния возрастают число пор и их размер.

Установлено, что герметичность чугунных отливок с пластинчатым графитом зависит от количества и размеров включений графита в структуре чугуна [22]. Графитовые включения, сообщаясь между собой, приводят к образованию “транзитной” микропористости из-за сообщаемости между собой зазоров на границах графит-матрица по сечению стенки отливки, что приводит к браку отливки по “течи”. По этим зазорам проникают жидкости и газы в стенках сосудов, работающих под давлением [23].

Учитывая все вышеизложенное, основными мероприятиями, направленными на совершенствование технологии радиаторного литья, должны быть:

создание технологичных конструкций;

повышение плотности серого чугуна и использование его взамен высокопрочного чугуна и стали;

дальнейшие исследования по изучению герметичности различных сплавов;

* совершенствование системы заливки и питания отливки.

2. Разработка технологического процесса изготовления отливки

теплообменника

При разработке литейной технологии очень важен обоснованный выбор наиболее рациональных приемов, обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства литых деталей и высокие технико-экономические показатели производства: получение качественных отливок при минимальной их стоимости; высокая производительность; экономия металла в результате уменьшения припусков на обработку; экономия топлива, электроэнергии и вспомогательных материалов; максимальное использование имеющегося оборудования и оснастки.

Проектирование технологического процесса изготовления отливки включает разработку необходимой технологической документации: чертежей, расчетов, технологических карт и др. Объем технологической документации зависит от типа производства (единичное, мелкосерийное, серийное, массовое). В условиях единичного и мелкосерийного производства все технологические указания наносят непосредственно на чертеж детали. При серийном и массовом производстве на основании анализа технический условий на деталь и ее конструкции, расчетов и справочных данных разрабатывают чертеж отливки, чертежи моделей, стержневых ящиков, модельных плит и т.д.

Правила выполнения чертежей элементов литейной формы и отливки установлены ГОСТ 2.423-73.

2.1 Анализ заказа

Прежде чем приступить к проектированию технологии изготовления отливки, необходимо оценить возможности и целесообразность выполнения заказа на данном предприятии, руководствуясь техническими возможностями различных способов литья, общими принципами классификации отливок по их характерным признакам, сведениям о мощности подъемно-транспортных средств, наличии необходимого технологического оборудования, опок, материалов и др. [29].

Деталь теплообменник (рис. 2.1) по назначению относится к особо ответственным отливкам, т.к. работает под давлением в агрессивной среде. Отливка подвергается испытанию давлением 11 кгс/см².

Производство отливок единичное. Опытная партия составляет 34 шт. Отливка по массе относится к 1 группе - мелкие отливки, т.к. ее масса составляет 34 кг. По сложности отливка относится к 2 группе сложных отливок.

Рис. 2.1 ? Труба ребристая

Имеющееся в расположении технологическое оборудование дает возможность отлить опытную партию отливок в сырые песчано-глинистые формы при ручном способе изготовления форм.

2.2 Анализ технологичности конструкции литой детали и выбор

способа изготовления отливки

Технологичной называют такую конструкцию изделия или составных ее элементов (деталей, узлов, механизмов), которая обеспечивает заданные эксплуатационные свойства продукции и позволяет при данной серийности изготовлять ее с наименьшими затратами. Технологичная конструкция характеризуется простотой компоновки, совершенством форм. При наличии отклонений от указанных требований должен быть поставлен вопрос о внесении в конструкцию детали необходимых изменений [29].

При выборе способа изготовления отливки в первую очередь принимают во внимание результаты предварительного анализа заказа и технологичности детали. При этом, как правило, определяющим фактором является серийность производства, реже - технические требования, предъявляемые к изделию, что влияет на стоимость формы и модельной оснастки. В единичном, мелкосерийном и серийном производстве отливки изготавливают обычно литьем в песчаные сырые формы.

Отливку теплообменник получаем литьем в песчано-глинистые сырые формы. Способ формовки - ручная.

Конструктивные особенности и сложность конфигурации радиатора обусловливают некоторые технологические особенности при литье данной отливки в песчано-глинистые формы. Отличительной особенностью радиатора является конструкция поверхности теплообмена. Традиционные круглые ребра заменены на квадратные, что позволяет при неизменных габаритах увеличить площадь теплообмена почти в 1.5 раза. Это потребовало технологического решения, которое заключается в том, что разъем выбран по диагонали фланца. Это обеспечивает направленный выход газов через вентиляционные каналы для каждого ребра отливки (рис. 2.2).



Рис. 2.2 ? Технология: а) первый вариант, б) второй вариант

Так как отливка тонкостенная, то возникает проблема проливаемости всех ребер при литье во влажную песчано-глинистую форму. С этой целью в верхней полуформе между ребрами устанавливаются пенополистироловые вставки, соединяющие ребра между собой в их верхней части. После удаления модели вставки остаются в форме и при заливке располагаются так, что образуют подпиточный канал между двумя массивными фланцами (рис. 2.3).



Рис. 2.3 ? Форма в сборе:

1 - Полуформа верха, 2 - Полуформа низа, 3 - Наращалка, 4 - Штырь

центрирующий, 5 - Штырь направляющий, 6 - Струбцина, 7 - Полость

формы, 8 - Стержень, 9 - Арматура, 10 - Пенополистироловые

вкладыши, 11 - Газоотводные наколы, 12 - Стояк, 13 - Питатель,

14 - Шлакоуловитель, 15 - Выпор

Это предотвращает замерзание металла в тонких частях отливки. Образующийся канал также улучшает вентиляцию полости формы, так как соединен с двумя выпорами. Газы, образующиеся во время заливки вместе с продуктами деструкции пенополистироловых вставок удаляются по этому каналу через выпора и наколы.

Внутренняя полость данной отливки формируется протяженным стержнем (отношение длины к диаметру составляет 11.7). Стержень изготавливается на органических связующих. В качестве арматуры применяется труба с отверстиями, обеспечивающими отвод газов в знаковые части (рис. 2.3).

В связи с высоким рельефом и большой поверхностной площадью модели ее протяжка затруднена. При протяжке наблюдались обрывы формовочной смеси в межреберном пространстве и массовые засоры полости формы. Так как формовка осуществляется ручным способом, то в результате интенсивного расталкивания происходит износ и разрушение модели. Для снижения износа модели и улучшения качества формовки применили протяжной шаблон и специальное подъемное резьбовое приспособление для извлечения модели из формы (рис. 2.4).

Рис. 2.4 ? Устройство для протяжки модели:

Опока низа; 2 - Модель; 3 - Шаблон; 4 - Устройство протяжки

2.3 Определение положения отливки в форме при заливке

При определении положения отливки в форме нужно руководствоваться несколькими правилами, подтвержденными многолетней практикой [29].

Наиболее ответственные рабочие части, плоские поверхности большой протяженности, места, подлежащие механической обработке, нужно, по возможности, располагать внизу; в крайнем случае - вертикально или наклонно. При вынужденном расположении обрабатываемых поверхностей вверху нужно обеспечить такие условия, при которых песчаные и газовые раковины могли бы образоваться только в удаляемых при обработке частях отливки.

Формы для отливок, имеющих конфигурацию тел вращения (гильзы, барабаны, шпиндели и др.) с обрабатываемыми наружными и внутренними поверхностями, лучше заливать в вертикальном положении или центробежным способом. Иногда целесообразно формовку выполнять в одном положении, а заливать форму в другом.

Для отливок, имеющих внутренние полости, образуемые стержнями, выбранное положение должно обеспечивать возможность проверки размеров полости формы при сборке, а также надежное крепление стержней.

Для предупреждения недоливов тонкие стенки отливки следует располагать в нижней части полуформы, желательно вертикально или наклонно, причем путь прохождения металла от литниковой системы до тонких стенок должен быть кратчайший.

Отливки из сплавов с большой усадкой располагать в положении, удобном для питания их металлом верхних или боковых отводных прибылей.

Формы для станин, плит и других отливок с большим числом ребер должны быть при заливке расположены так, чтобы имелась возможность направить металл вдоль стержней и выступов формы.

Важным является определение оптимального числа отливок в форме. В условия единичного и мелкосерийного производства отливок в песчаных формах желательно в форме размещать одну отливку.

Выбор поверхности разъема формы подчинен выбору положения формы при заливке. При определении поверхности разъема формы необходимо руководствоваться следующими положениями:

форма и модель, по возможности, должны иметь одну поверхность разъема, желательно плоскую горизонтальную, удобную для изготовления и сборки формы;

модель должна свободно извлекаться из формы;

всю отливку, если позволяет её конструкция, нужно располагать в одной (преимущественно в нижней) полуформе в целях исключения перекоса;

при формовке в парных опоках следует стремиться к тому, чтобы общая высота формы была минимальной.

Для повышения технологичности получения данной отливки разъем выбирается по диагонали фланца (см. рис. 2.2). Плоскость разъема модели совпадает с плоскостью разъема формы, отливка симметрично располагается в верхней и нижней полуформах (рис. 2.2).

2.4 Определение участков поверхности отливки, выполняемых

стержнями

Предварительно необходимо определить возможность выполнения отверстий в процессе получения отливки и тех частей отливки, которые не могут быть получены с помощью модели. Число стержней, служащих для оформления полости отливки, её отдельных элементов и элементов литниковой системы, определяю с учетом серийности выпуска отливок. В единичном и мелкосерийном производстве целесообразно получать отливки с использованием минимального числа стержней или вовсе без них [29].

При определении участков поверхности отливки, выполняемых стержнями, нужно руководствоваться следующими правилами.

Обеспечивать минимальные затраты на изготовление стержневых ящиков.

Обеспечивать удобную установку стержней в форму и контроль всех размеров полостей в ней.

Газоотводные каналы стержней должны иметь выходы в знаках, они должны быть размещены так, чтобы исключить попадание в них жидкого металла.

Опорные поверхности стержней должны быть достаточными, чтобы исключить деформацию стержня под действием силы тяжести.

Точность фиксации стержня в форме обеспечивается размерами и конфигурацией его знаковых частей, которые назначают по ГОСТ 3212-92 с учетом размеров стержня, способа формовки и его положения в форме (рис. 2.2).

В данной отливке имеется одна внутренняя полость (сквозное отверстие) формируемое одним горизонтальным протяженным стержнем. Стержень армирован. Арматура служит каналами для отвода газов в знаковые части (рис. 2.2).

2.5 Выбор материала для изготовления модельного комплекта

Основные виды оснастки, применяемые при изготовлении литейных форм из песчано-глинистых смесей, - модели и стержневые ящики, которые классифицируются по следующим признакам:

виду материала - деревянные, металлические, деревометаллические, гипсовые, цементные, пластмассовые, пенополистироловые;

способу изготовления форм и стержней - для ручной и машинной формовки;

компоновке элементов - разъемные и неразъемные модели;

сложности - простые, средней сложности и сложные;

размерам модели:

для ручной формовки - мелкие (до 500 мм), средние (500-5000 мм), крупные (более 5000 мм);

для машинной формовки - мелкие (до 150 мм), средние (150-500 мм), крупные (более 500 мм);

конструктивному исполнению - объемные, пустотелые, скелетные модели и шаблоны;

точности изготовления - модельные комплекты (сколько классов точности);

прочности - модели 1, 2 и 3 класса прочности.

Так как производство данной отливки единичное то модель и стержневой ящик изготавливаются из дерева (основа - сосна, ребра и фланцы - береза, стержневой ящик полностью сосна).

Модель разъемная, стержневой ящик также разъемный..

По сложности модель относится к группе сложных, стержневой ящик к группе средних.

По размерам модель для ручной формовки относится к группе средних.

По конструктивному исполнению - объемная.

Класс точности модельного комплекта - 5 ГОСТ 3212-85.

Класс прочности модельного комплекта - 2.

2.6 Конструкция и размеры модельных комплектов

Для определения конструктивных размеров модельных комплектов в первую очередь необходимо установить припуски на механическую обработку, припуски на усадку и формовочные уклоны.

Припуски на механическую обработку назначают по ГОСТ 26645-85. Этот ГОСТ распространяется на отливки из черных и цветных металлов и сплавов и регламентирует допуски на размеры, массу и припуски на механическую обработку.

Данная отливка получается литьем в песчано-глинистые сырые формы и обозначается по ГОСТ 26645-85:

- точность отливки 9-7-5-4;

- масса отливки 34-04-0-34.4.

Припуски на механическую обработку представлены на рис. 2.2.

Припуски на литейную усадку обычно определяют в зависимости от вида сплава, массы и размеров отливки.

При разработке технологии изготовления сложных отливок можно использовать значение линейной усадки сплавов по спиральной пробе, %. Материал данной отливки серый чугун следовательно усадка составляет 1%.

Формовочные уклоны модельных комплектов в песчаных формах регламентирует ГОСТ 3212-92. При применении песчано-глинистых смесей уклоны назначают в зависимости от диаметра или минимальной ширины углубления и высоты формообразующей поверхности. В зависимости от требований, предъявляемых к поверхности отливки, формовочные уклоны следует выполнять:

- на обрабатываемых поверхностях отливки сверх припуска на механическую обработку за счет увеличения размеров отливки;

- на необрабатываемых поверхностях отливки, несопрягаемые по контуру с другими деталями, за счет увеличения и уменьшения размеров отливки;

- на необрабатываемых поверхностях отливки, сопрягаемых по контуру с другими деталями, за счет увеличения или уменьшения размеров отливки в зависимости от поверхности сопряжения.

Для данной отливки на обрабатываемых поверхностях уклоны выполнены поверх припуска на механическую обработку за счет увеличения размеров отливки. На необрабатываемых поверхностях отливки уклоны выполняются также за счет увеличения размеров отливки.

2.7 Определение размеров и конструкции опок

При выборе размеров опок следует учитывать, что использование чрезмерно больших опок влечет за собой увеличение затрат труда на уплотнение формовочной смеси, нецелесообразный расход смеси, а использование очень маленьких опок может вызвать брак отливок вследствие продавливания металлом низа формы, ухода металла по разъему и т.п.

Для изготовления данной отливки сконструированы и изготовлены ручные сварные опоки следующих размеров: длина - 1000 мм, ширина - 250 мм, высота - 200 мм. Для уменьшения расхода смеси и обеспечения необходимого гидростатического напора металла применяются наращалки высотой 100 мм.

2.8 Проектирование и расчет литниково-питающей системы

Литниково-питающая система - это система каналов для подвода жидкого металла в полость литейной формы, отделения неметаллических включений и обеспечения подпитки отливки при затвердевании [29].

Литниковую систему подводим по разъему формы. Условия заполнения формы металлом за определенное время _опт.

, (2.1)

где k - поправочный коэффициент (1.82.0);

- средняя или преобладающая толщина отливки, мм;

G - масса отливки, кг;

сек.

Литниковая система сужающаяся. Площадь сечения в самом узком месте = площади питателя.

(2.2)

где - коэффициент заполнения, = 0.5;

H_ср - расчетный напор, см;

- плотность отливки, = 7700 кг/м³;

g - ускорение свободного падения g = 9.8 м/с²;

, (2.3)

где H_ст = h_оп+h_нар = 85+45 = 130 мм;

h_о - высота отливки в верхней полуформе 59 мм;

мм = 12.26 см.

см².

Расчет стояка и шлакоуловителя производим из соотношения:

F_п:F_ш:F_ст = 1:1.1:1.5

соответственно сечения будут

F_п = 5 см²

F_ш = 5.5 см²

F_ст = 7.5 см²

т.к. питание отливки мы производим 2 питателями следовательно

F_п = 2.5 см².

Окончательно принимаем площади сечений и по таблицам находим геометрические размеры:

F_п = 5 см²; а = 16 мм; в = 13 мм; h = 16 мм;

F_ш = 5.5 см²; а = 24 мм; в = 20 мм; h = 26 мм;

F_ст = 7.5 см²; d_ст = 30.9 мм

Для заливки металла используют нормализованные воронки (Рис. 2.5), размеры которых выбирают в зависимости от диаметра стояка и с учетом обеспечения нормальной заливки формы.

D_в = 30.93 = 90 мм., H_в = 90 мм.

Рис. 2.5

Т.к. данная отливка делается из чугуна, а прибыли на чугунные отливки не ставятся (т.к. у чугуна усадка самая минимальная), значит я прибыли на данную отливку не проектирую.

2.9 Определение температуры расплава при заливке в форму

Для обеспечения хорошей заполняемости формы и получения качественных отливок необходимо выдерживать определенную температуру заливаемого расплава, которую выбирают в зависимости от вида сплава и характера отливки [29].

Температура металла необходимая для заливки форм при получении данной отливки составляет при выпуске и индукционной печи 1410С - 1420С, при заливке в форму 1330С.

2.10 Продолжительность охлаждения отливок в форме

Регламентирование времени охлаждения отливок в формах диктуется необходимостью обеспечения полного затвердевания расплава, исключения образования некоторых усадочных дефектов, получения требуемой структуры металла отливок. Последнее весьма важно для чугунов, структура которых в большой степени зависит от скорости кристаллизации.

Расчет времени затвердевания отливки в форме произведен с помощью программы FOUNDRY (автор Дубовой В.В.)

Исходные данные формы:

T_ф (°C) = 20

b_ф (ккал) = 17

Исходные данные материала:

C₁ (ккал/кг) = 0.120

C₁'(ккал/кг) = 0.200

Y₁ (кг/м³) = 7000

p₁ (ккал/кг) = 64

T_зал (°C) = 1420

T_лик (°C) = 1200

T_сол (°C) = 1150

T_кр (°C) = Ѕ T_лик+T_сол = 1175

Толщина стенки отливки (мм) =20

Расчет ведем базируясь на [29].

Время отвода теплоты перегрева [33]:

,

где мм

t₂ = 1.18 мин.

Время затвердевания отливки [33]:

, (2.4)

t₃ = 2.97 мин.

Средняя скорость затвердевания отливки [33]:

мм/мин, (2.5)

Время охлаждения отливки [33]:

, (2.6)

t₄ = 13.92 мин.

Общее время отливки в форме [33]:

t_в = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ = 18.07 мин.

Однако по эмпирической формуле

,

где: К - коэффициент, зависящий от конфигурации отливки и толщины ее стенки; G - масса отливки, т., время выдержки составляет 4.97 ч., что более соответствует реальности.

Следовательно расчеты приведенные в [33] неверны.

2.11 Формовочные и стержневые смеси

При производстве данной отливки для изготовления форм и стержней использовались смеси следующего состава и следующими свойствами (таблицы 2.1, 2.2) [37, 29].

2.12 Применение ЭВМ при разработке технологии получения

отливки

При проектировании технологии изготовления трубы ребристой для повышения производительности и качества графической части использовался САПР конструктора Auto CAD 12, также для расчета литейных припусков на механическую обработку бал применен пакет прикладных авторских программ написанных на параметрическом языке GI.

Таблица 2.1 ? Формовочная смесь для формовки по сырому (способ формовки ручная)

Массовая доля компонентов в смеси, %

Характеристика смеси

Характеристики получаемых отливок

облицовочной

единой

Оборотная смесь

Свежие материалы

Каменноугольный порошок

Оборотная смесь

Свежие материалы

Каменноугольный порошок

Содержание глинистой составляющей, %

Зерновая группа песка

Влажность, %

Газопроницаемость, единицы

Прочность на сжатие во влажном состоянии, кПа

Масса, кг

Толщина стенки, мм

75-45

22-51

3-4

94.3-92.3

5-7

0.7

7-10

016А

4.0-5.5

40-60

29-49

20-200

<10

Таблица 2.2 ? Стержневая смесь (способ формовки ручная)

Назначение и область применения	Состав, %
	Песок 016А	Глина формовочная	Опилки древесные	Крепитель СБ Сверх 100%	Прочность, 105 Па	Газопроницаемость, ед.	Влажность, %
					По-сырому	По-сухому	По-сырому	По-сухому
Для средних и мелких стержней	80.0-81.0	4.0 - 5.0	15.0	6.0	0.13 - 0.15	3.5 - 4.5	80	100	3.2 - 3.6

3. Технологический процесс ручной формовки

3.1 Особенности выполнения ручных операций

3.1.1 Общие требования к ручной формовке

Технологический процесс ручного изготовления литейных форм характеризуется рядом специфических операций. Наиболее важными являются операции заполнения формовочной смесью опоки и уплотнения смеси. Уплотнение смеси должно быть проведено равномерно по всему ее объему. Правильно изготовленная литейная форма должна сохранять свои размеры и конфигурацию, а в процессе заливки расплавленным металлом не затруднять выхода пара и газов и легко разрушаться после охлаждения отливок [27].

3.1.2 Основные операции

Технологический процесс ручного изготовления опытной партии отливки теплообменника “Труба ребристая” имеет ряд технологических особенностей и включает в себя следующие операции.

На подмодельной плите устанавливается модель верха с элементами литниково-питающей системы: выпор, стояк, шлакоуловитель. По первому варианту технологии для получения отливки был предусмотрен один выпор на дальнем фланце отливки (рис. 2.2, а), что привело к типичному виду брака, который будет рассмотрен далее. Во втором варианте на отливке располагаются выпора на двух фланцах (рис. 2.2, б), что обеспечивает подпитку кристаллизующейся отливки. После установки модели верха на подмодельной плите, она натирается керосино-графитовой смазкой и припудривается пылевидным графитом для предотвращения прилипаемости смеси к поверхности модели. После этого производится нанесение на поверхность модели облицовочного слоя смеси и набивка полуформы верха.

Необходимость формовки в первую очередь опоки верха вызвана тем, что опока верха должна иметь более высокие прочностные характеристики, чем опока низа для предотвращения выпадения смеси из межреберного пространства формы при ее кантовке после удаления модели. Следовательно, для достижения этого необходимо хорошее уплотнение формовочной смеси в опоке. Достичь этого возможно только на подмодельной плите. Таким образом исключается деформация полуформы низа при формовке опоки верха. Характерной технологической особенностью является простановка отъемных пенополистироловых частей по всей протяженности отливки в вершинах ребер (рис. 2.3).

После окончания формовки опоки верха, на нее устанавливаются наращалки. Наращалки служат для увеличения гидростатического напора металла при заливке формы. По окончании изготовления наращалок поверхность опоки накалывается душником, удаляются элементы ЛПС (выпор, стояк), снимаются наращалки и опока кантуется.

Следующая технологическая операция включает в себя изготовление опоки низа. На перевернутую опоку верха с помощью шипов устанавливается модель низа (шипы дают точность сборки модели верха и низа) и модели питателей. Модель смазывается керосино-графитовой смазкой, припыляется графитом. На формовочную смесь опоки низа наносится разделительный слой. На опоку верха с помощью направляющих и центрирующих штырей устанавливается опока низа, на модель наносится облицовочный слой и осуществляется формовка опоки низа. По завершении формовки опоки разбираются и из них извлекаются модели низа и верха.

Извлечение модели имеет характерную особенность. Успешное извлечение модели можно осуществить только при помощи протяжного шаблона и резьбового протяжного устройства. Извлечение модели без таких приспособлений вело к обрыву смеси в межреберных участках, засорам формы или к полному ее разрушению. Перед наложением шаблона и извлечением модели, она слегка расталкивается в поперечном направлении.

В полуформе верха после извлечения модели в вершине каждого ребра накалываются вентиляционные каналы с внутренней стороны формы насквозь. После установки полуформы низа на заливочный плац, ее продувают, производят визуальный контроль и устанавливают стержень. Затем производится продувка полуформы верха, ее контроль и сборка полуформ. Сборка полуформ производится по штырям (рис. 2.3). Разъем формы промазывается глиной для предотвращения течи металла по разъему формы. После вырезания в наращалках заливочной воронки на стояке и подпитывающих воронок на выпорах, они устанавливаются на форму (рис. 2.3). Крепление полуформы низа с полуформой верха производится с помощью струбцин.

3.2 Подготовка литейной оснастки

Правильная подготовка литейной оснастки способствует увеличению производительности, облегчает труд и повышает качество литейных форм. При подготовке проверяют исправность модельных плит, осматривают модели. Модели со смещением половинок по шипам более нормы, с плохим креплением подъемов, а также модели покоробленные, с трещинами, забитыми углами, вмятинами к использованию непригодны.

Перед работой модель и модельные плиты очищают от пыли, формовочной смеси, протирают керосином или смесью керосина с графитом. Проверяют комплектность оснастки и модели, наличие формовочного инструмента, стояков для вывода газов, шлакоуловителей.

Перед формовкой тщательно проверяют исправность опок, в них не должно быть остатков формовочной смеси и сплесков металла.

3.3 Уплотнение смеси в опоке

При ручной формовке по моделям заполнение опоки смесью проводят в два этапа. Сначала на модель наносят слой облицовочной смеси, уплотняя ее вокруг модели вручную, после чего опоку заполняют наполнительной смесью. Заполнение и уплотнение должно производиться отдельными слоями толщиной 50-75 см, но не более 150 см каждый. Толщина слоя облицовочной смеси в уплотненном состоянии для данной отливки составляет 10-20 мм.

При уплотнении смеси в опоке всегда следует обращать внимание на то, чтобы клиновидный конец ручной трамбовки не доходил до модели на 20-30 мм. В противном случае может быть повреждена поверхность модели, а также образоваться местное переуплотнение формовочной смеси, приводящее к возникновению газовых раковин. Уплотнение смеси трамбовкой начинают вдоль стенок опоки, после чего переходят к уплотнению остального объема опоки. Во избежание разрушения полуформы при перемещении или кантовании необходимо тщательно уплотнять смесь в углах опок и вдоль ее стенок. Слои формовочной смеси внизу опоки, т.е. прилегающие к модельной плите, уплотняют клиновидным концом трамбовки; верхние слои - плоским. При уплотнении необходимо обращать внимание на то, чтобы не смещались отъемные пенополистироловые части модели верха.

Плотность формовочной смеси в верхней полуформе должна быть несколько меньше, чем в нижней. Это необходимо в связи с тем, что на смесь в нижней полуформе действует масса отливки. Поэтому смесь в ней должна быть более прочной, не деформироваться. В верхней полуформе создают условия для удаления пара и газов. Но для данной отливки плотность формовочной смеси в верхней полуформе превосходит необходимую плотность формовочной смеси в нижней полуформе. Это связано с тем, что из-за высокого и тонкого рельефа модели уплотненная формовочная смесь имеет тенденцию к отрыву и выпадению из формы, т.е. полуформа разрушается. При таком уплотнении удаление газа и пара из формы производится через систему вентиляционных каналов.

Накалывание вентиляционных каналов производят металлическими иглами разной длины и диаметра. На 1 дм площади сырой формы выполняют 3-4 накола. Кроме того, полость формы, формирующая ребро отливки, накалывается изнутри. Таким образом нормализуется газовый режим и компенсируется плотная набивка полуформы верха.

3.4 Изготовление стержней

Стержни должны обладать высокой газопроницаемостью, прочностью, податливостью и выбиваемостью. Эти свойства обеспечиваются выбором стержней смеси и конструкцией стержня.

Стержень изготавливается в деревянном разъемном стержневом ящике (рис. 2.6). Крепление половинок ящика между собой производится скобами типа “ласточкин хвост”. Собираются половинки по шипам. Собранный стержневой ящик устанавливается на специальную подложку, на которой крепится арматура будущего стержня (рис. 3.1). Набивка стержня производится в вертикальном положении при помощи специальной набойки, полой внутри. Арматура стержня также является и газовентиляционным ходом, т.к. она полая и в ее стенках имеются отверстия, через которые происходит удаление газа из стержня в его знаковые части.

3.5 Сушка стержней

Сушка стержней необходима для повышения их прочности, газопроницаемости и уменьшения газотворной способности. Сушка является более длительной операцией по сравнению с операцией изготовления стержня. Длительность операции сушки зависит от требуемой температуры, массы стержня и других факторов. Продолжительность сушки может достигать нескольких часов.

Рис. 3.1 ? Схема набивки стержневого ящика

Процессы, происходящие при сушке, а также температура сушки зависят от типа связующих. При сушке стержней, изготовленных с применением сульфитной барды, происходит испарение воды, образуется смола, которая обладает упрочняющими свойствами. Температура сушки этих смесей составляет 165-190С [27].

4. Анализ брака полученных опытных отливок и пути его

устранения

В процессе разработки технологии и совершенствовании ее от первого варианта (рис. 2.2, а) ко второму (рис. 2.2, б), получали отливки, в которых наблюдался брак, связанный с различными факторами. Анализ различных видов брака при литье ребристых теплообменников (радиаторов) позволил предпринять ряд мер по его предотвращению, что, в свою очередь, вносило коррективы в разработанную технологию.

Тонкостенное литье, каким является радиаторное производство, имеет свои специфические особенности. При тонкостенном литье особенно часто наблюдается, что один и тот же вид брака вызывается разными причинами. Только детальное изучение характерных внешних признаков каждого вида брака с нахождением отличительных, решающих признаков позволяет верно классифицировать брак, а следовательно, выявить действительную причину.

Так, например, радиатор не выдерживает гидравлической пробы и дает течь или потение вследствие наличия следующих дефектов:

спая;

засоров (земляных и шлаковых);

раковин (газовых, усадочных);

пористой структуры металла;

тонкого тела (1-1.5 мм).

Часто этот вид брака относят за счет неудовлетворительной земли или пористого (вследствие крупной графитизации) металла. В действительности брак вызывается совокупностью причин, связанных с неправильной формовкой, заливкой и плохим качеством земли и металла.

Причины брака по вине формовки:

модель не засеяна (с крупных кусков гравия и металла легко смывается земля);

формы и стержни не продуты;

модель не очищена от приставших частиц земли (особенно резко сказывается при горячей влажной земле);

не отделан литник (чаша имеет обрывистую, не гладкую поверхность);

сдвинуты опоки.

Размывание земли металлом (струя не попадает в середину литника), незаполнение литниковой системы, повышенная скорость заливки и зашлаковывание обусловливают получение бракованных радиаторов.

Из числа причин, связанных с качеством земли, следует отметить следующие:

недостаточная связность (недостаток глины, плохая механическая обработка);

низкая влажность (меньше 4.5%);

малая газопроницаемость;

запыленность;

крупнозернистый песок.

Металл, содержащий газовые и усадочные раковины (высокозернистый, окисленный металл), и холодный металл (температура ниже 1340С) также является причиной брака. Пористость чугуна в радиаторах обусловлена крупной графитизацией.

Самым характерным видом брака является непроливаемость тонких ребер поверхности теплообмена радиатора. Такой вид брака возможен по двум причинам: “замерзание” металла и неудовлетворительный газовый режим формы. С целью улучшения газового режима формы в полуформе верха для каждого ребра были выполнены наколы, что заметно снизило количество не проливаемых ребер. Для полного устранения этого дефекта необходимо обеспечить подпитку каждого ребра свежими порциями металла. С этой целью предусмотрены пенополистироловые вкладыши (рис. 2.2, б), которые вкладываются в процессе формовки между каждым ребром в верхней его части и после удаления модели остаются в форме (рис. 2.3). В процессе заливки формы пенополистирол разлагается и образовавшийся канал связывает все ребра между собой и двумя массивными фланцами. По этому каналу осуществляется подпитка ребер жидким металлом до полного их заполнения. Таким образом полностью исключается брак по непроливаемости ребер.

Однако, ввод в форму пенополистироловых вкладышей приводит к повышению газотворности формы, что в свою очередь приводит к такому дефекту как газовые раковины. Показан характерный вид брака для данной отливки - газовая раковина на фланце. Для предотвращения этого вида брака необходимо улучшить систему вентиляции формы. С этой целью на отливке установлены два выпора (рис. 2.2, б). Выпора, в совокупности с вентиляционными каналами, обеспечивают своевременный отвод газов из полости формы. Для того, чтобы система выпоров сработала, необходимо также предотвратить их замерзание, т.к. если выпор закристаллизуется раньше, чем весь металл в форме, то он закроет выход газа из полости формы и газ останется в металле. Такое явление наблюдалось на ряде отливок. Для исключения этого явления необходимо увеличить площадь сечения выпора. Такой выпор играет двойную роль: обеспечивает своевременный выход газа и подпитку отливки жидким металлом во время кристаллизации, выполняя роль прибыли. Таким образом предотвращаются газовые дефекты и усадочные раковины, которые возможны при заливке в форму перегретого металла.

Следующим наиболее крупным видом брака являются засоры полости формы. Извлечение модели из формы, вследствие обширной поверхности их соприкосновения, затруднительно. В результате происходит частичное разрушение формы, что приводит к засорам ее полости. Удалить эти частицы из полости формы практически не возможно из-за очень тонкого и глубокого рельефа отливки. В результате, в процессе заливки происходят песчаные раковины в теле отливки, что отрицательно сказывается на ее герметичности, и на поверхности ребер, что сокращает площадь поверхности теплообмена. Снизить эти виды брака позволяет применение протяжного шаблона с резьбовым протяжным устройством (рис. 2.4).

Газовая пористость, наблюдаемая на некоторых ребристых трубах (“потение” поверхности в результате гидроиспытаний), связана с газотворной способностью стержня. Для ее исключения необходимо строго следить за режимом сушки стержня и временем его нахождения в форме до заливки. Время нахождения стержня в собранной форме до заливки не должно превышать 4-6 часов.

Остальные виды брака также вскрываются при гидроиспытаниях отливок. Эти виды брака связаны с тем, что радиаторы не держат давление испытания 11 кгс/см². К таким видам брака относятся усадочная пористость и дефекты связанные со структурой металла и его плотностью. На рисунке представлены образцы вырезанные из тела отливки в тепловых узлах (рис. 4.1). На некоторых шлифах выполненных из этих образцов обнаружена усадочная пористость. Для устранения этих дефектов необходимо стабильное получение строго определенной структуры чугуна, в частности перлитной.

Рис. 4.1 ? Тепловые узлы

5. Построение приближенной математической модели скорости

затвердевания отливки

5.1 Основы термокинетической теории кристаллизации

Н.Г. Гиршович, Г.Ф. Баландин, Б.Я. Любов и Ю.А. Самойлович на основании синтеза теплофизической и молекулярно-кинетической теории создали математическую модель [35], позволяющую решить вопросы, связанные с особенностями формирования кристаллического строения слитков. Для сплава, кристаллизующегося в интервале температур Т_L - Т_S, залитого в форму при температуре Т_Н, в некоторый промежуточный момент затвердевания распределение температур представлено на рис. 5.1 [34].

Рис. 5.1 ? Схема температурных полей затвердевающей отливки

Процесс затвердевания развивается в двухфазной зоне расплава, прилегающей к твердой корке. На рис. 5.1 представлена схема температурных полей: Т₁(x,t) - температурное поле в незатвердевшем расплаве, Т₂(x,t) - в двухфазной зоне и Т₃(x,t) - в твердой корке; ₁(t) и ₃(t) - соответственно координаты фронтов начала и конца затвердевания.

Если внутри интервала кристаллизации сплава выбрать температуру, равную, например, 1/2(Т_L + T_S), и принять, что к моменту ее достижения в двухфазной зоне практически заканчивается процесс кристаллизации (рис. 5.1), то кинетику затвердевания можно характеризовать скоростью нарастания твердой корки (t). Для математического описания такого варианта схемы можно использовать все уравнения и соотношения, которые были получены Г.Ф. Баландиным [34] применительно к схеме затвердевания металлов и эвтектик. Необходимо лишь вместо ₃(t) подставить координату ₂(t) условного фронта затвердевания (рис. 5.1) и Т_кр заменить 1/2(Т_L + T_S):

(5.1)

(5.2)

(5.3)

(5.4)

(5.5)

Несмотря на очень грубую схематизацию процесса затвердевания, с помощью рассмотренного способа математического описания можно достаточно просто, но, естественно, приближенно рассчитать линейную скорость затвердевания U, которая необходима для практического применения экспериментальных данных и диаграмм, устанавливающих связь свойств и структуры отливки со скоростью ее затвердевания [34].

Данная математическая модель справедлива для отливки в виде неограниченной плиты. Правомерно ли ее использование в данном случае?

Рис. 5.2 ? Схемы для сравнения плоской и полой цилиндрической

отливки

Сравним плоскую отливку (плиту) с простейшим полым бесконечным цилиндром (рис. 5.2), т.к. в нашем случае основной элемент конструкции отливки теплообменник - труба, т.е. полый цилиндр.

Известно, что все поверхности, ограничивающие плиту, имеют радиус кривизны, равный бесконечной величине. Поэтому, если радиус кривизны боковых поверхностей плиты обозначить через r₀, то отношение 2l₀/r₀ = 0. Следовательно, любую неплоскую отливку, у которой отношение толщины s ее тела к радиусу кривизны r₀ ее поверхности будет весьма малой величиной, можно приближенно рассматривать как плоскую, т.е. если