Технология производства отливок

Припуски на механическую обработку должны выбираться согласно ГОСТ 26645-85.

В соответствии со способом литья (в песчаную форму), наибольшим габаритным размером отливки, температурой плавления (выше 700^оС) - выбираем 7-й класс точности размера.

Далее по таблицам находим сам припуск - он составил 4 мм на верхнюю, 4 мм - на центральное отверстие

Значение формовочных уклонов формообразующих поверхностей модельного комплекта находим, используя ГОСТ 3212-92.

Так как заливка будет происходить в песчано-глинистую форму, значение формовочных уклонов принимаем равное одному градусу. Точность отливки 7-9-8-10 ГОСТ 26645-85.

2.6 Специальные требования к отливке

На необрабатываемых поверхностях допускаются газовые раковины, земляные и шлаковые включения при диаметре их не более 1 мм, глубине не более 20% толщины тела отливки в данном месте и в количестве не более 3-х шт. на площади 100 см².



3. Конструирование литниково-питающей системы

высокопрочный чугун отливка деталь

Для изготовления отливки из высокопрочного чугуна применяем сужающуюся литниковую систему, в которой каждый последующий элемент имеет площадь сечения меньшую, чем предыдущий. Для получения высокопрочного чугуна марки ВЧ 42-12 целесообразно процесс модифицирования проводить в литейном ковше.

3.1 Расчет времени заливки формы

3.1.1 Определение места установки бобышек и их размеров

Исходя из конструкции отливки целесообразно применение закрытых прибылей в виде питающих бобышек. Поверхности прибыли оформляются формовочной смесью того же состава, что и поверхности отливки.

Для определения размеров и объема прибыли воспользуемся монограммой Рабиновича для определения размеров прибылей (рисунок 7).

Размеры прибыли определяются по суммарной массе отливок М, присоединенных к одной прибыли (масса отливки m_отл=35 кг), и приведенной толщине узла R_пр в месте подвода металла. На графике по левой оси ординат отложены объемы боковой прибыли W_бок.пр, по правой - диаметры боковой прибыли D_бок.пр.



Рисунок 7 - График для определения размеров прибылей отливок из высокопрочного чугуна.

Таким образом, пользуясь монограммой для определения размеров прибылей, устанавливаем следующие размеры: бобышка с диаметром D_пр=55 мм и объемом W_бок.пр=162 см³ (4 штуки).

Рисунок 8 - Общий вид прибыли

Рассчитаем массу прибыли G_пр, кг:

(3) где W_пр - объем прибыли, м³;



_м- плотность металла, кг/м³. _м =7200

Общая масса прибылей:

(4)

где G_общ. - общая масса прибылей, кг;

Закрытые прибыли обеспечивают постоянство объема, так как их высота не связана с условиями заливки, упрощает процесс формовки, улучшают процесс питания.

По таблице 4 [5] находим длину и ширину шейки для выбранной прибыли: длина 32 мм; ширина 36 мм.

3.1.2 Расчет времени заливки литейной формы

Рассчитываем массу заливаемого металла [1]:

, (5)

где - масса, приходящаяся на литниковую систему [5] ; - масса отливки;

.



Рассчитаем выход годного литья :

, (6)

.

Полученный результат удовлетворяет значениям ТВГ для высокопрочного чугуна [3].

Вычислим время заполнения литейной формы :

, (7)

где - эмпирический безразмерный коэффициент, учитывающий среднюю толщину стенок отливки;

- средняя толщина стенки отливки;

.

Проверяем время заливки по скорости заполнения металла в форме

Для этого определяем скорость подъема металла в форме:

, (8)

где - высота отливки;

.



3.2 Выбор типа заливочного ковша и видов внепечной обработки расплава

Так как масса заливаемого металла 274,1 кг и производство серийное выбираем чайниковый ковш ёмкостью 300 кг.

3.3 Выбор места подвода расплава к рабочей полости формы и конструкции литниковой системы, назначение ее элементов

Металл следует подводить в наиболее массивные узлы отливок, в прибыль для обеспечения направленного и последовательного затвердевания и для обеспечения хорошей работы прибыли. Исходя из этого применяем литниковую систему состоящую из: воронки, предназначенной для принятия струи металла из ковша, гашения ее энергии, первичного отделения крупных частиц шлака и поддержания постоянного уровня металла при заполнении формы; стояка, предназначенного для передачи металла из воронки в нижнюю часть формы; чашечки-зумпфа, гасящей удар струи и препятствующей размыву формы; шлакоуловителя, предназначенного для задержания шлаковых частиц и направления жидкого металла к нескольким отливкам; прибыли, позволяющей питать отливку на протяжении всего интервала её затвердевания.

3.4 Расчет литниковой системы и рабочих размеров ее элементов

3.4.1 Расчет минимального сечения элемента литниковой системы

Заливка производится из чайникового ковша. Определим расчетный средний металлостатический напор [1]:



, (9)

где - высота стояка от места подвода металла в форму;

- высота отливки от места подвода металла в форму;

- высота отливки;

.

Рассчитаем площадь узкого сечения литниковой системы, в данном случае стояка [1]:

, (10)

где - расчётная масса жидкого металла;

- плотность жидкого металла;

- коэффициент расхода литниковой системы;

- время заполнения формы;

- ускорение свободного падения;

- расчётный напор металла.

.



Принимаем расширяющуюся литниковую систему и выбираем соотношение , где , и площади поперечных сечений соответственно питателя, литникового хода и стояка. Рассчитываем площади поперечных сечений элементов литниковой системы [1]:

а) Питатель:

,

.

б) Литниковый ход:

,

.

в) Стояк:

.

Определим диаметр стояка в нижней части :

. (11)

Принимаем диаметр стояка в верхней части .



3.4.2 Расчет минимальной длины шлакоуловителя, определение интервала размеров и вида удаляемых шлаковых включений

Определим скорость оседания шлаковых частиц [1]:

,

где - ускорение свободного падения;

-плотность жидкого металла;

-плотность шлаковой частицы;

-диаметр шлаковой частицы;

- коэффициент, учитывающий форму шлаковой частицы.

.

Определим время всплытия шлаковой частицы [1]:

,

где - высота шлакоуловителя;

.

Определим минимальную длину шлакоуловителя :

,



где - время течения металла по шлакоуловителю;

- скорость течения металла.

,

где - ускорение свободного падения;

- коэффициент расхода;

- высота стояка;

,

,

.

3.4.3 Определение геометрических размеров сечения элементов литниковой системы

Рисунок 9 - Геометрические размеры сечений элементов литниковой системы



3.5 Гидравлическая оценка заполняемости формы и эффективность работы элементов литниковой системы

3.5.1 Корректировка высоты стояка с учетом положения отливки в форме

Рисунок 10 - Определение критических точек



Правильный выбор и определение положения критических точек позволяет решить ряд проблем при проектировании технологии изготовления отливки.

Для нашего варианта изготовления отливки рассмотрим три характерные точки как показано на рисунке 10,одна из которая находится в прибыли №1 (точка А), а вторая и третья - в отливке (точка Б и С).

На рисунке 10 представлены схемы для определения местоположения критических точек технологического процесса изготовления отливки «Станина».

Определим кратчайшее расстояние от оси стояка до критических точек:

- абсцисса точки A;

- абсцисса точки Б;

- абсцисса точки С;

Определим величину пьезометрического давления в критических точках:

, (12)

где - пьезометрическое давление (пьезометрический напор) в соответствующей точке;

- геометрическая высота (геометрический напор) в соответствующей точке.



Определим величину напора в залитой форме:

, (13)

где - величина телесного угла поверхности статического давления в залитой форме;

- расстояние между высотой стояка и геометрической высотой соответствующей точки.

, (14)

где - численное значение объемного веса сплава, залитого в форму.

Принимаем .

;

Величина напора для каждой критической точки составляет:



, (15)

.

Высота стояка, необходимая для заполнения расплавом выбранной критической точки в объеме формы, может быть определена как

, (16)

Определим границу зоны действия статического давления:

(17)



Полученные результаты вносим в таблицу 8.

Таблица 8- Пространственные параметры критических точек

Параметры	Критические точки
	А	Б	С
Абсцисса , м	0,293	0,286	0,262
Высота положения , м	0,1	0,05	0,07
Высота напора , м	0,041	0,04	0,036
Высота стояка , м	0,141	0,09	0,106
Зона действия статического давления , м	1,02	0,648	0,766

Произведённые гидравлические расчёты показали, что минимальная высота стояка равна 0,141 м.

Согласно таблице 8 видно, что для наиболее удалённой точкой от места подвода расплава является точка А. Минимальная высота стояка должна быть равна 141 мм. При расчёте литниковой системы была принята высота 150 мм. Это говорит о том, что рассмотренные критические точки не будут испытывать дефицита статического давления.

Исходя из особенностей проектирования литейной технологии и с учетом правил выбора размеров опоки, принимаем высоту стояка равной 150 мм.

3.5.2 Расчет энергетического потенциала в элементах литейной формы

Составляющие энергетического потенциала можно определить с помощью уравнения Бернулли [7]:

, (18)



где - напорная высота, м;

- высота положения канала, м;

- пьезометрическая высота, м;

- скоростной напор, скоростная высота, м;

- потери напора при движении потока на рассматриваемом участке канала.

Эти составляющие можно установить также графическим путем; для этого необходимо определить положение заливочного ковша.

Линию энергии можно установить для любого канала литейной формы. Одним из основных каналов литейной формы является шлакоуловитель, который объединяет несколько узлов отливки или разные отливки. Кроме того, он располагается на одном уровне z=0, что упрощает уравнение и графическое построение характеристических линий определения составляющих энергетического потенциала.

(19)

Высота положения ковша над литейной формой обычно равна Н=100…200 мм. Принимаем Н=200 мм.

3.5.3 Расчёт потерь напора заливаемого металла

Для корректного определения суммы потерь напора на местные сопротивления в литниковой системе всю трассу потока «ковш - отливка» необходимо разбить на участки, соответствующие основным видам движения потока и определяющим характерные виды сопротивлений, иногда соответствующим элементам литниковой системы.

Элементы литниковой системы расположены в объеме формы так, что в ней организуются вертикальные и горизонтальные потоки с различным видом движения.

Суммарные потери на данном участке определяются по формуле Вейсбаха :

, где (20)

- коэффициент сопротивления;

- скорость движения расплава на данном участке, м/с;

- ускорение свободного падения;

Скорость рассчитывается по формуле:

, (21)

где - масса металла прошедшего данный участок;

- плотность металла (чугун);

- сечение, сквозь которое протекает металл;

- время заливки формы.

Гидравлический радиус определяется:

, (22)

где - гидравлический радиус канала, м;



;

- коэффициент заложения откоса;

- меньшее основание;

- большее основание;

- высота канала.

Число Рейнольдса определяется по формуле:

, (23)

где -диаметр канала, м;

- эквивалентный диаметр канала, м.

- кинематическая вязкость чугуна.

Потери напора на трение зависит от вида движения потока (критерий Рейнольдса) и состояния поверхности канала. Определяются по формуле Дарси-Вейсбаха соответственно для круглого сечения и для любого другого сечения:

, (24)

, (25)

где -коэффициент Дарси,

l - длина канала.

Формула Пуазеля при ламинарном режиме течения:



. (26)

Формула Альтшуля при турбулентном режиме:,

, (27)

где ?экв - абсолютная величина шероховатости, м,

d - диаметр канала.

Величина ?экв определяется высотой выступа зерен песка над поверхностью канала hзер: ?экв= hзер=0,5?dзер.

Таким образом для формовочной смеси, имеем ?экв= 0,5?0,2=0,0001м.

а) Вертикальный поток металла в стояке

В начале заполнения участка у нас струя свободнопадающая . Затем она переходит в затопленную, т.е. возникает удар о поверхность металла.

Принимаем

- масса заливаемого металла

;

; следовательно, режим движения расплава - турбулентный.



.

б) Переходный поток металла из стояка в литниковый ход (шлакоуловитель)

Так как при резком повороте на угол 90° происходит изменение площадей поперечных сечений (), то коэффициент местного сопротивления определяем как:

. (26)

Потери равны:

,

,

,

,

Следовательно, режим движения расплава - турбулентный.



в) Горизонтальный участок (шлакоуловителя) до поворота в бобышку

Местные потери в литниковом ходе (шлакоуловителе).

, ,

,

Потери на трение в литниковом ходе (шлакоуловителе)

,

,

.

г) Переходный поток металла из коллектора в бобышку

Считаем как свободное истечение жидкости из отверстия:

Потери равны:

;

, (28)

где - для выходного потока из питателя в полость формы.

.

д) Переход металла из бобышки в отливку

Потери на трение в питателе (шейке бобышки).

,

,

,

,

.

е) Переход из бобышки в коллектор

, ,

,



.

ж) Горизонтальный участок (шлакоуловителя) до поворота в бобышку

Потери на трение в шлакоуловителе.

Потери на трение в литниковом ходе (шлакоуловителе).

,,

,

,

,

з) Переходный поток металла из коллектора в бобышку

Считаем как свободное истечение жидкости из отверстия:

Потери равны:

;



, (29)

где - для выходного потока из питателя в полость формы.

.

и) Переход металла из бобышки в отливку

Потери на трение в питателе (шейке бобышки).

,

,

,

,

.



3.5.4 Графическая интерпретация напоров в литниковой системе

Рисунок 11-Графическая интерпретация напоров в литниковой системе

Таблица 9 - Напоры энергетического потока металла

Канал	Вид потери			, мм	Re	, м/с	мм
Стояк	Удар металла о поверхность	0,03	0,53	0,9	1500	0,18	0,0098
	Потери в чаше	0,5
Стояк- шлакоуловитель	Изменение направления, изменение сечения	0,55	0,55	1	1583	0,19	0,0025
Шлакоуловитель	Потери на трение	0,051	0,051	0,2	1583	0,19	0,0025
Шлакоуловитель-бобышка	Выход струи в полость	1	1	1,8	1583	0,19	0,0025
Бобышка-отливка	Потери на сужение	224	224	60	1945	0,23	0,001
Бобышка-шлакоуловитель	Затекание струи	0,5	0,5	1	1583	0,095	0,001
Шлакоуловитель до 2й бобышки	Потери на трение	0,063	0,063	0,1	1583	0,0095	0,0006
Шлакоуловитель-бобышка	Выход струи в полость	1	0,7	0,9	1583	0,0095	0,0006
Бобышка-отливка	Потери на сужение	0,04	0,04	60	1945	0,23	0,001
?				125,9

Суммарные потери рассмотренные ранее равны:

.

150-125,9=>Hотл=24,1,

150-63,9=>Hотл=86,1.

следовательно, литейная форма зальётся.

Вывод: гидравлические расчёты показали, что оптимальная высота стояка, составляет 150 мм.

3.6 Назначение температуры заливки формы и определение тепловых узлов

Температура заливки чугуна ВЧ42-12 - 1350?С. Тепловым узлом отливки является бобышка.

3.7 Назначение технологических напусков и стяжек

Для данной отливки с учётом машинной формовки, увеличения технологичности процесса формообразования используется лишь припуск на механическую обработку и припуск на усадку сплава.



3.8 Конструирование и расчёт наружных и внутренних холодильников

С учётом выбранного способа формовки, нетехнологичности отливки и относительной сложности получаемой отливки - предусмотрен один холодильник на отливку. Диаметр холодильника и его толщина выбраны согласно [12], итого AxBхол.=190x148 мм, дхол=5 мм.

3.9 Расчет времени затвердевания и охлаждения отливки в форме. Способы интенсификации охлаждения

Время охлаждения отливки складывается из 3-х этапов [1]:

- время снятия теплоты перегрева, с;

- отвод скрытой теплоты кристаллизации, с;

- время охлаждения до температуры выбивки,

3.9.1 Время снятия теплоты перегрева

, (30)

где - масса четырех отливок;

- теплоёмкость сплава в твёрдом состоянии;

- средняя толщина стенки отливки;

- температура перегрева;

- температура ликвидус;

- коэффициент теплопроводности материала формы;

- площадь поверхности отливки контактирующей с литейной формой;

- температура окружающей среды.

.

3.9.2 Затвердевание отливки от температуры ликвидус до температуры солидус

, (31)

где - эффективная теплоёмкость, Дж/(кг·К);

- температура солидус.

, (32)

где - удельная теплота кристаллизации.

По формуле (3.34) получаем:

.

Определяем по формуле (31) время отвода скрытой теплоты кристаллизации:

.

3.9.3 Время охлаждения твердой отливки от температуры солидус до выбивки

, (33)

где - теплоёмкость сплава в жидком состоянии;

- температура выбивки отливки.

.

3.9.4 Общее время затвердевания и охлаждения.

Определим общее время затвердевания и охлаждения отливки:

, (34)



4. Формовочные материалы и смесеприготовление

4.1 Исходные материалы для формовочных и стержневых смесей, их основные характеристики

В настоящее время довольно распространенным способом изготовления фасонных отливок является литье в разовые песчаные формы. В них получают отливки, разные по весу и по сложности из различных сплавов. Формовочная смесь, из которой выполняют разовые литейные формы, приготовляется из формовочных материалов. Формовочная смесь должна обладать определенными свойствами: пластичностью, прочностью, газопроницаемостью, долговечностью и т.п.[3].

1. Пластичность смеси необходима для придания ей нужной формы; в смеси должен получаться четкий отпечаток от модели.

2. Смесь в уплотненном состоянии должна быть прочной настолько, чтобы форма могла выдержать давление жидкого металла при заливке.

3. Огнеупорность смеси зависит от минералогического состава формовочной смеси. При большом содержании легкоплавких примесей может произойти оплавление поверхности формы, химическое взаимодействие между этими примесями и окислами металла, в результате на поверхности образуется пригар.

4. Смесь должна быть проницаемой, для того чтобы находящийся в форме воздух и газы, образующиеся при заливке металла, могли проникать через стенки формы.

5. Долговечность смеси имеет большое экономическое значение. Практически расход формовочной смеси на 1 т годного литья составляет в среднем 5 т. Отсюда ясно, как важно использовать песок многократно. Это возможно при условии, если песок сохранит свои первоначальные свойства, т.е. зерна песка будут разрушаться медленно[3].

Для машинной формовки нужно применить единую песчано-глинистую смесь.

Состав единой смеси [3]:

- кварцевый песок 3К₄О₃016 ГОСТ 2138-91 (5-6%);

- оборотная смесь (93-94%);

- глина бентонитовая С2Т₂ ГОСТ 3226-93 (0,5-1,0%);

- древесный пек (0.5-1%).

Основные свойства:

- газопроницаемость (100 ед.);

- влажность (3,5-4,5 %);

- прочность при сжатии во влажном состоянии (50-70 кПа).

-плотность 1650 кг/м?;

-теплоёмкость 1090 Дж/(кг·К);

-коэффициент теплопроводности 1,03Вт/(м·К);

-коэффициент аккумуляции тепла формой 1430 Вт·с/(м?·К);

-коэффициент температуропроводности 5,56·10⁷ м?/c.

Стержни находятся в более тяжелых условиях, чем форма: в большинстве случаев стержни со всех сторон омываются жидким металлом (за исключением знаковых частей). Поэтому стержневые смеси, кроме свойств формовочных смесей должны обладать еще некоторыми свойствами. Они должны быть податливые (при затвердевании отливки не препятствовать ее усадке); легко удаляться из отливки после охлаждения (хорошая выбиваемость); негигроскопичными (не впитывать влагу из атмосферы, т.к. отсыревшие стержни теряют прочность и могут вызвать в отливках газовые раковины и вскипы); иметь низкую газотворную способность (при заливке выделять как можно меньше газов).

Стержневая смесь содержит, % : 100 кварцевого песка 3К₃О₂02 ГОСТ 2138-91, 0,6...0,8 фенольной смолы (СК1), 0,6...0,8 полиизоцианата (СК2). После уплотнения смеси в ящике пескодувным или пескострельным способом стержень продувается смесью паров низкокипящей жидкости - третичного амина (триэтиламина, диметилэтиламина), с воздухом, и стержень приобретает начальную прочность, которая составляет ~60% конечного ее значения. Время продувки 2...5 с, далее 10...20 с. стержень продувают воздухом для его очистки от паров амина. Расход катализатора менее 1,5 г на 1 кг стержневой смеси. В результате взаимодействия компонентов связующего в присутствии катализатора (амина) образуется твердый полимер - полиуретан, который и обеспечивает высокую прочность стержня. Для подготовки, дозирования и подачи амина применяют специальные газогенераторы, которые испаряют амин, смешивают его с воздухом и подают в стержневой ящик.

Смесь амина с воздухом, после прохода через стержневой ящик, направляется в нейтрализатор, где полностью нейтрализуется разбавленной серной кислотой с образованием водорастворимой соли- сульфата аммония. Степень очистки воздуха в этой системе близка к 100%. Таким образом, весь тракт подачи амина полностью герметизирован, что обеспечивает безопасность процесса. При необходимости готовые стержни окрашивают противопригарной краской.

Оснастка для производства отливок обходится дорого. Но цикл ее использования можно продлить за счет экономной эксплуатации и восстановления. Для этого будем использовать высокоэффективную технологию очистки различных поверхностей гранулами сухого льда.

Благодаря ряду преимуществ - экономичности, возможности очищать поверхности без демонтажа с оборудования -этот метод просто незаменим.

Практически процесс очистки сухим льдом идентичен пескоструйному процессу, однако при очистке сухим льдом не образуется дополнительного продукта (песок), который необходимо удалять с очищаемой поверхности.. Кроме того, разница температур поверхности и сухого льда создает эффект термического шока:

при охлаждении поверхности между ней и загрязнением образуется воздушная прослойка, которая способствует процессу очистки.

Из опыта предприятий. В результате внедрения технологии очистки сухим льдом литейное производство в два раза сократило затраты на ремонт и восстановление стержневой оснастки, прекратился абразивный износ поверхности от пескоструйной обработки. При очистке сухим льдом время очистки составляет 10-15 мин. Все это существенно повысило производительность стержневого участка, сократились затраты на электроэнергию, улучшились условия труда [8].

4.2 Процесс смесеприготовления

Наиболее распространенным и традиционно применяемым в литейном производстве является смеситель с неподвижной чашей и катками, вращающимися вокруг горизонтальных осей. Эти смесители (известны под названием Simpson, по названию фирмы ? производителя. По центру чаши 1 через дно проходит приводной вал, на котором размещена траверса 5. Два катка 7 связаны с траверсой через подвеску 6, обеспечивающую перемещение катков 7 в вертикальном направлении, что необходимо при наезде катка на препятствие в виде комков или подъема уровня смеси в ходе перемешивания. Катки прижимаются к смеси пружиной 11 или только силой тяжести. Зазор между катком и дном чаши обеспечивается регулятором высоты. На траверсе расположены кронштейны, удерживающие плужки, один из которых отбрасывает смесь от вертикального вала, другой - от стенки чаши, оба плужка направляют смесь под катки. Смесители используют для приготовления нормальных и высокопрочных песчано-глинистых смесей. Исходные компоненты для приготовления смеси поступают в чашу сверху, готовая формовочная смесь разгружается через люк 10 в днище. Паспортное время цикла-120...200 с, которое подбирается в зависимости от частоты вращения вертикального вала. Данный тип смесителя относится к тихоходным аппаратам, частота вращения вертикального вала - 20...50 об/мин, причем меньшая частота вращения соответствует большим размерам аппарата. При работе смеситель уплотняет смесь катком и разрыхляет уплотненные объемы плужком. В результате поочередных актов уплотнения и разрыхления происходит сближение и расхождение зерен кварцевого песка и формирование глиняных оболочек на поверхности песчинок.

Сближение песчинок может происходить и под действием плужков, однако усилие прижатия будет меньше, чем при воздействии катком. Каток оказывает также перетирающее воздействие на смесь из-за различия переносной и относительной скоростей его движения. Ближняя к приводному валу часть катка пробуксовывает, а удаленная - проскальзывает юзом. Относительное перемещение катка по смеси приводит к перетиранию песчинок, в результате которого также формируются оболочки.

Рисунок 12 - Катковый смеситель с неподвижной чашей

1 - чаша; 2 -привод; 3-шкив; 4-редуктор; 5-траверса; 6-подвеска;

7-каток; 8-9-скребки; 10-люк разгрузочный; 11-пружина



4.3 Регенерация формовочных и стержневых смесей

После заливки форм, затвердевания в них металла и его охлаждения до требуемой температуры формы разрушаются, из них извлекаются отливки, а формовочная смесь используется для последующей формовки. Такая бывшая в употреблении («горелая») смесь требует проведения ряда подготовительных процессов и введения некоторого количества (до 10%) свежих компонентов. Ими могут служить свежий кварцевый или глинистый песок и различные добавки.

Подготовка «горелой» смеси от форм сухой формовки, содержащей обычно крупные твердые комья и металлические включения, для повторного ее использования начинается с предварительной магнитной сепарации и дробления комьев на специальной двухвалковой дробилке. Затем для более полного извлечения из смеси мелких металлических включений (проволоки, шпилек, сплесков и других частиц) она поступает на повторную магнитную сепарацию при помощи электромагнитного барабана, установленного в качестве приводного на ленточном конвейере, подающем «горелую» смесь от дробильных вальцев. Затем «горелая» смесь просеивается на полигональном или инерционном сите для удаления из нее кусков дерева, кокса, гари и других неметаллических примесей, после чего она может быть использована для приготовления свежей формовочной смеси для сухой формовки.

Для полного удаления всех металлических включений (особенно при переработке смеси на центробежных бегунах модели 115 и при уплотнении форм пескометами) рекомендуется проведение двойной сепарации смеси (с отбором металла снизу и сверху потока смеси) при помощи магнитного ленточного сепаратора, устанавливаемого дополнительно к магнитному барабану (рисунок 13).



Рисунок 13 - Магнитный сепаратор

1 -- электромагнит; 2 -- привод; 3 -- течка для скрапа; 4 -- ленточный конвейер для оборотной смеси; 5 -- резиновая лента

«Горелая» смесь от сырых и подсушенных форм не содержит твердых крупных комков спекшейся формовочной смеси и поэтому проходит только магнитную сепарацию и просеивание. При последующей переработке в бегунах типа 112 достаточно одинарной магнитной сепарации при помощи магнитного барабана. При переработке смеси в бегунах 115 необходима двойная магнитная сепарация.

Просеивание смеси рекомендуется вести на полигональном сите. Подготовленная таким образом смесь поступает в землеприготовительное отделение литейного цеха для приготовления свежей смеси, идущей для формовки сырых или подсушиваемых форм.

Удаляемые обычно в отвал земельные отходы могут быть снова использованы для приготовления смесей, если их подвергнуть регенерации (восстановлению), имеющей целью удаление из бросовой смеси негодных и инородных частиц больших или меньших, чем нормальные зерна песка.

Процесс регенерации заключается в восстановлении зерновой структуры отработанной смеси путем удаления из нее пыли, крупных и мелких металлических включений. Особенно ценным является то, что при регенерации восстанавливается содержащийся в смеси кварцевый песок, получивший тепловую обработку от многократного соприкосновения с расплавленным металлом. Такой песок отличается более высокой устойчивостью к резким изменениям температуры, по сравнению со свежим.

Многократное использование отработанных формовочных смесей имеет важное народнохозяйственное значение. Регенерация отработанных смесей сокращает затраты на железнодорожные перевозки и приобретение свежих формовочных песков и позволяет улучшить использование производственных и складских площадей литейных цехов.

Выход годного песка из отработанной смеси составляет при регенерации 65--80%, что дает большую экономию свежего кварцевого песка.

Регенерация производится двумя способами -- мокрым и электростатическим. Мокрая регенерация, применяемая обычно при гидравлической выбивке и очистке отливок, состоит в перетирании и удалении мелких фракций из мокрой смеси, проходящей через систему конических и спиральных классификаторов.

4.4 Назначение покрытий литейной формы

Противопригарные краски, пасты предохраняют поверхность отливки от пригара, увеличивают поверхностную прочность, уменьшают осыпаемость форм, обеспечивают получение чистых отливок. Для уменьшения пригара применяют краски, содержащие связующие и огнеупорные материалы. Нанесённые на поверхность формы или стержня краски образуют прочный слой огнеупорного материала, препятствующий прониканию металла и его окислов в поры между зёрнами смеси, что устраняет пригар.

В процессе окраски стержней или форм необходимо регулярно перемешивать краску, чтобы не было осаждения составляющих. После приготовления необходимо проверять плотность краски и прочность её слоя методом окрашивания стандартного образца. Стержневой ящик необходимо покрыть искусственной пудрой для устранения прилипания смеси. Пудру получают обработкой тонких порошков из трепела, доломита и других подобных материалов. При обработке зёрна порошка обволакиваются тонкой плёнкой парафина, жира, воска.

В качестве противопригарной краски выбираем краску марки ГБ [8].

Состав краски марки ГБ для форм и стержней чугунных отливок:

-пылевидный кварц(72%);

-бентонит (1,65 %);

-мылонафт (1,25%);

-вода (18 %);

-пектиновый клей (7,1 %).



5. Технологическая оснастка

5.1 Выбор опок, их характеристика

При выборе опок следует учитывать необходимые расстояния между стенками опоки и полостью формы, между полостями, оформляющие отдельные отливки, а также расстояние от края полости до контрлада соответствующей опоки.

Таким образом, учитывая необходимые расстояния и наличие четырех отливок в форме, принимаются опоки литейные цельнолитые стальные прямоугольные размерами в свету: длиной 1050 мм, шириной 900 мм, высотой 150мм - опока 0272-0006 по ГОСТ 14979-69. Крепление опок осуществляется на штырь.

Стандартные элементы опок:

Втулки центрирующие для литейных опок 0290-1054 ГОСТ 15019-69 и направляющая 0290-1354 ГОСТ 15019-69

Рисунок 14 - Втулки



Штыри центрирующие для литейных опок 0290-0223 ГОСТ 22965-78 и направляющие 0290-0224 ГОСТ 22965-78.

Рисунок 15 - Штыри

5.2 Конструирование моделей: выбор материала, определение рабочих размеров

В связи с серийностью производства отливок (50000 шт/год) целесообразнее применять металлические модельные комплекты.

Материалом для металлических моделей обычно служат алюминиевые сплавы или серый чугун в зависимости от условий производства, сложности и назначения детали. Наиболее часто применяют вторичные алюминиевые сплавы (сплав АК10, содержащий 9-11% Si, или сплав АК21М2Н1), иногда сплавы на медной основе (бронзы) [9].

Широкое применение алюминиевых сплавов для модельных комплектов объясняется сравнительно низкой стоимостью этих сплавов, малой плотностью, устойчивостью против коррозии. Алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются и после обработки получается чистая поверхность. К недостаткам алюминиевых сплавов следует отнести малую износоустойчивость. Для увеличения прочности алюминиевые модельные комплекты армируют более износоустойчивым сплавом (сталью, чугуном, бронзой).

Высокие тонкие ребра, выступы на сложных моделях, подверженные наибольшему износу, выполняют из бронзы (например Бр.ОЦС 6-6-3, Бр.ОЦС 5-5-5). Оловянная бронза хорошо работает на истирание, но слишком дорога и дефицитна, к тому же имеет большую плотность.

Вполне удовлетворительным материалом для моделей является серый чугун. Серый чугун (например, марки СЧ 15-32) имеет небольшую усадку, сравнительно хорошо обрабатывается достаточно прочный. Изготовление таким образом моделей свидетельствует о высокой стойкости, определяемой миллионами съёмов.

Преимуществами металлических комплектов является долговечность, высокая точность размеров, невысокая шероховатость рабочих поверхностей.

Модель отливки «Станина» имеет малые размеры и конфигурацию средней сложности, поэтому принято изготавливать модельный комплект из сплава СЧ15, также оснастка из этого сплава обладает большой прочностью и меньшей стоимостью.

5.3 Выбор модельных плит, определение способа монтажа моделей на плитах

Исходя из выбранных ранее литейных опок, выбираем модельные плиты для опок в свету 1050x900 - плита модельная 0280-2024 по ГОСТ 20120-74.

Модели на плитах первоначально фиксируются на модельной плите штифтами по ГОСТ 20340-74, а крепление осуществляем болтовым соединением, используя винты М8x33 ГОСТ1491-72.

5.4 Конструирование стержневых ящиков: выбор материала, определение рабочих размеров

В связи с тем, что стержни будут выполняться на пескострельной стержневой машине, стержневой ящик выполняется металлическим. В одном стержневом ящике будет изготавливаться один стержень. Т.к. стержни среднего размера, тогда для их выполнения будет достаточно трех вдувных отверстий. Для выхода воздуха и газов после продувки предусматривается наличие вент. После изготовления стержней, они выталкиваются толкателями, расположенными по большей части в выступающих частях, а затем снимаются с помощью вилочного съемника.



6. Изготовление формы и стержней

6.1 Выбор способа формовки, контроль степени уплотнения

Особо плотные формы, а значит, и отливки повышенной точности получаются прессованием. Однако в большинстве случаев одним прессованием не удается получить высокую плотность всех частей формы [8].

Лад высоких форм и объемы смеси вокруг высоких моделей оказываются уплотненными недостаточно. Для того чтобы устранить этот недостаток и вместе с тем в полной мере использовать преимущества прессования, целесообразно применять комбинированное уплотнение, при котором предварительное уплотнение осуществляется одним из динамических методов(встряхивание), а окончательное - прессованием.

Комбинированный способ уплотнения будет эффективным, если распределение плотности сочетаемых способов дополняет друг друга.

При прессовании смесь уплотняется преимущественно в направлении движения прессового органа. Эта особенность процесса сохраняется и при допрессовке.

Стержневую смесь уплотняем пескострельным способом. Процесс уплотнения на пескострельных машинах заключается в следующем: на столе машины установлена опока, которую стол прижимает к надувной плите пескодувного резервуара. Необходимая доза смеси загружается в пескодувный резервуар, который затем герметизируется. Далее в резервуар подается сжатый воздух, выдавливающий смесь в опоку через одно или несколько вдувных отверстий. Время рабочего процесса 1-2с.

После надува воздух из опоки уходит в атмосферу через специальные отверстия - венты. Венты выполняются как в надувной плите (верхняя вентиляция), так и в опоке или модельной плите (нижняя вентиляция). Венты должны пропускать только воздух, а не смесь.

Чтобы смесь не слеживалась в пескострельном резервуаре, в него встроены мешалки, непрерывно разрыхляющие смесь в процессе надува.

После того как смесь заполнит форму, её продувают катализатором 2-5 сек, а далее воздухом, чтобы очистить от паров катализатора.

6.2 Способы извлечения моделей из полуформ

Извлечение модели. При машинной формовке извлечение модели осуществляется автоматически, т.е. происходит отсоединение модельной плиты от опоки.

При изготовлении форм и стержней требуется извлечь модель. При этом нельзя допускать повреждения формы или стержня. Для выполнения этой операции разработано несколько механизмов: машины со штифтовым подъёмом, машины с протяжкой модели, машины с поворотом формы на 180^о. При изготовлении данной формы следует использовать машину с перекидным столом. Эти механизме целесообразно применять в том случае, когда форма или стержень имеет массивные и высокие, трудно вынимаемые выступающие части.

6.3 Сборка формы, крепление опок

Сборка и подготовка формы к заливке. При этом выполняются следующие операции: установка стержней, в специальную камеру литниковой системы закладывается модификаторы. Верхняя полуформа с помощью системы штырь-втулка совмещается с нижней. Полуформы скрепляются между собой или на форму укладывается соответствующий груз для предотвращения утечки металла по разъему при заливке. На подготовленную таким образом форму устанавливают литниковую воронку.



6.4 Расчет необходимости нагружения формы

При расчете груза учитывают, что в момент окончания заливки свободная поверхность металла по всей верхней проекции литниковой системы и рабочей полости формы осуществляет давление.

Возьмем за основу расчет силы давления расплава на верхнюю полуформу цилиндра при горизонтальной заливке.

Условие для определения массы груза:

(35)

где F_T -- сила тяжести, Н;

F_Ме -- сила со стороны расплава, Н;

К -- коэффициент запаса, К=1,3

Сила со стороны расплава вычисляется по соотношению:

(36)

где h -- расстояние от крайней верхней точки отливки до верха опоки, м;

Fп - площадь внутренней поверхности литейной формы спроецированной на плоскость разъёма (с учётом литниковой системы), м?;

(37)

где F_отл - площадь внутренней поверхности отливки, м?;

F_шл - площадь внутренней поверхности шлакоуловителей, м?;

Получаем:



Вычислив площадь внутренней поверхности литейной формы, находим силу, действующую со стороны расплава:

Найдем силу тяжести F_T по следующему соотношению:

(38)

где - масса опоки, = 95 кг;

m_ф.с.- масса формовочной смеси, кг;

g - ускорение свободного падения.

-- объём отливки в верхней полуформе, м³;

В верхней опоке находится 4 бобышки массой 0,4 кг.

Найдем массу формовочной смеси:

(39)

Таким образом, находим силу тяжести:



Найдя силу тяжести, видно, что условие (35) массы груза выполняется

1883>79,46•1,3=103,298 Н

По условию следует, что форму нагружать не нужно.

Крепление полуформ перед заливкой производится при помощи штырей и втулок.

6.5 Расчёт нижней полуформы на прочность

Необходимо проверить нижнюю полуформу на прочность, так как имеется вероятность разрушения формы массой верхней полуформы.

Условие прочности нижней полуформы:

. (40)

Определяем прочность нижней полуформы по формуле:

, (41)

где - масса верхней полуформы (опоки, формовочной смеси, литниковых ходов, стояка, прибылей);

- масса груза (нагружения формы нет);

- площадь опоки в свету;

- количество отливок в форме;

- площадь сечения отливки по разъему формы;

- площадь сечения элементов литниковой системы по разъему формы.

По формуле (41) определяем :



.

Проверяем условие прочности:

Условие прочности выполняется.

6.6 Оценка газового режима работы литейной формы. Меры обеспечения вентиляции формы

Вентиляция форм. Вентиляционные каналы выполняют со стороны уплотнения формы после срезания лишней смеси. Их производят путем накалывания душником (игла 2-10 мм в зависимости от размеров формы). Канал не должен доходить до модели на 10-15 мм. В местах скопления газов (бобышки, ребра и др.) допускается выполнять сквозные каналы изнутри формы. В знаковых частях формы для лучшего отвода газов каналы также производятся изнутри формы. Хорошая вентиляция формы достигается при 7-10 наколах на 1 дм поверхности формы.

6.7 Технология изготовления стержней

Стержни изготавливаются Cold-box-amin-методом. Стержневая смесь содержит 100% кварцевого песка, 0,6...0,8% фенольной смолы (СК1), 0,6. ..0,8% полиизоцианата (СК2). После уплотнения смеси в ящике пескострельным способом стержень продувается смесью паров низкокипящей жидкости - третичного амина (триэтиламина, диметиламина), с воздухом, и стержень приобретает начальную прочность, которая составляет 60% её конечного значения. Время продувки 2..5 с, далее 10...20 с стержень продувают воздухом для его очистки от паров амина. Расход катализатора менее 1,5 г на 1 кг стержневой смеси. В результате взаимодействия компонентов связующего в присутствии катализатора (амина) образуется твердый полимер - полиуретан, который и обеспечивает высокую прочность стержня. Для подготовки, дозирования и подачи амина применяют специальные газогенераторы, которые испаряют амин, смешивают его с воздухом и подают в стержневой ящик.

Смесь амина с воздухом, после прохода через стержневой ящик, направляется в нейтрализатор, где полностью нейтрализуется разбавленной серной кислотой с образованием водорастворимой соли - сульфата аммония. Степень очистки воздуха в этой системе близка к 100%. Таким образом, весь тракт подачи амина полностью герметизирован, что обеспечивает безопасность процесса. При необходимости готовые стержни окрашивают противопригарной краской.

Преимущества холодного процесса над горячим отражены в таблице 9 [8].

Таблица 10 - Преимущества холодного процесса перед горячим

Наименование статей расходов	Горячие ящики	Холодные ящики
Коробление стержней при изготовлении	1,0...1,5	нет
Возможность изготовления моноблоков стержней (точность сборки стержней в моноблок 0,2...0,3 мм)	нет	да
Брак стержней при изготовлении и сборке	10... 15%	2...3%
Затраты на изготовление нового комплекта стержневой оснастки	100%	70...80%
Затраты на эксплуатацию и ремонт стержневой оснастки	100%	20...30%
Производительность, съемов/ч (блочные стержни)	100%	120%
Размер припусков на механообработку	100%	60...70%
Потери от брака отливок	100%	50%
Затраты на связующие и вспомогательные материалы	100%	110%
Наличие токсичных газовыделений на операциях смесеприготовления и изготовления стержней	формальдегид, фенол	нет
Объем токсичных газовыделений на операциях заливки и выбивки отливок	100%	50...60%
Затраты на захоронение отходов стержней (4 кл. опасности)	100%	12%
Транспортно-складские расходы, связанные с изготовлением стержней	100%	60%

Применительно к производству отливок для дизельных и бензиновых двигателей, вентилируемых дисков, рабочих и направляющих колес и т.п. несомненно лидирует Cold-box-amin-процесс. Для российских условий он также предпочтительнее, если принять во внимание следующие соображения.

- Процесс применяется в промышленных масштабах более 20 лет. Он детально изучен, сделан ряд важных технологических усовершенствований, практически все проекты реконструкции действующих литейных цехов и вновь вводимые мощности основаны на применении именно этого процесса.

- В последние годы разработано более 10 модификаций СК, предназначенных для различных условий производства с учетом вида сплава и конструкции отливок, требований по качеству, специфики отдельных производств.

- Из известных холодных процессов он является самым экономичным. По всему комплексу технологических свойств процесс не уступает конкурирующим вариантам и хорошо зарекомендовал себя при производстве отливок из стали, чугуна и цветных сплавов.

- Качество получаемых отливок соответствует высоким требованиям автомобильной и тракторной промышленности, а также требованиям международной сертификации литейных производств и отливок.

- В процессе не используют компоненты, вызывающие коррозию оборудования. Поэтому стоимость его ниже, чем при работе с SO₂ [9].

6.8 Сушка формы и стержней

Для данного способа изготовления форм их сушка не производится в связи с характером производства.

Ввиду использования Cold-box-amin-процесса для изготовления стержней - сушка форм для изготовления отливки «Станина» не производится.

Продувка смесью паров низкокипящей жидкостью - третичным амином (триэтиламином, диметиламином) с воздухом имеет ряд преимуществ перед общепринятой сушкой стержней.



7. Финишные операции

7.1 Выбивка отливок из формы

В серийном и массовом производстве мелкие и средние отливки выбиваются на одно- и многосекционных инерционных и эксцентриковых решетках [9].

Выбивка отливок из форм производится на выбивной эксцентриковой решетке 422.

Механическая эксцентриковая выбивная решетка 422 состоит из четырех основных узлов: рамы, решетки, приводного вала с подшипниками и резиновых амортизаторов.

Колебания подвижной раме с решеткой сообщаются эксцентриковым валом через закрепленные на ее боковинах подшипники. Полная амплитуда колебаний равна удвоенному эксцентриситету эксцентриковых шеек вала (6 мм). На эксцентриковом валу между подшипниками подвижной рамы закреплена массивная эксцентриковая втулка, служащая для динамического уравновешивания вала. Вал защищен кожухом. На кожухе имеются полости, в которых циркулирует холодная вода, подводимая из водопроводной сети и служащая для охлаждения подшипников подвижной рамы. Отвод воды в канализацию осуществляется резиновыми шлангами. Расход воды регулируется вентилем.

Резиновые амортизаторы воспринимают усилия при колебании подвижной рамы.

В зависимости от условий эксплуатации решетка может быть установлена горизонтально или под углом до 6°. Изменения угла наклона решетки осуществляются перестановкой болтов [4].



7.2 Удаление стержней

Применяем гидравлическую выбивку стержней в гидрокамерах. Выбивка стержней в этом случае совмещается с удалением пригара. Отливку помещают внутри закрытой камеры на поворотный стол, с тем чтобы во время работы поворачивать ее нужной стороной к гидромонитору, закрепленному на лафете вне камеры и управляемому либо вручную, либо с помощью следящего гидравлического привода. Последнее предпочтительнее, так как силы реакции струи создают большие сопротивления при повороте гидромонитора. Гидравлические камеры бывают низкого (давление воды 2,5...4,0 МПа) и высокого (10...20 МПа) давления.

Механизм разрушения стержня в установках одинаков: струя воды разрезает стержень на куски, размывает его и удаляет смесь из полости отливки. Разрезающее воздействие струи зависит от ее кинетической энергии, которая, в свою очередь, определяется массой жидкости, выбрасываемой в единицу времени, и скоростью ее движения. На установках высокого давления скорость струи гораздо выше, чем на установках низкого давления, поэтому в этих установках струя режет стержень на куски, а в установках низкого давления она только размывает стержень. В настоящее время наибольшее распространение получили установки высокого давления, так как они легче в управлении и, кроме того, в этом случае ниже затраты энергии.

Для очистки от пригара в струю воды подают кварцевый песок, что резко повышает очищающее воздействие струи. Применение гидровыбивки стержней улучшает экологическую обстановку в цехе и способствует восстановлению свойств выбиваемых формовочных материалов. К недостаткам таких установок относится большой износ сопел гидромониторов.

К недостаткам метода следует также отнести необходимость устройств систем осветления воды для ее повторного использования, занимающих большие площади, и необходимость сушки выбитых формовочных материалов перед их дальнейшим использованием [4].

7.3 Обрубка отливки

Обрубка отливки осуществляется при помощи анодно-механической резки [8]. Анодно-механическую резку применяют для разрезки образцов, а также отрезки прибылей и литников от отливок из высоколегированных сталей. Отливку и инструмент включают в цепь постоянного тока и соединяют отливку с анодом, а инструмент с катодом. В зону резания подается водный раствор жидкого стекла плотностью 1,27--1,30 г/.

Инструмент имеет рабочее движение и движение подачи. При определенном зазоре между поверхностями отливки и инструмента цепь постоянного тока замыкается через выступы поверхности и начинается процесс резки.

В местах контакта инструмента и отливки оплавляются микровыступы и продукты оплавления в виде шариков выносятся из зоны резания движущимся инструментом. Анодно-механическая резка осуществляется двумя инструментами: диском и замкнутой лентой. Преимущества анодно-механической резки: малая ширина реза, ровная поверхность, малые отходы и достаточно высокая производительность.

7.4 Зачистка отливки

Очисткой и обрубкой не всегда достигается полное удаление с отливок заусенцев, остатков элементов литниковой системы и разного рода приливов и неровностей, которые удаляются путем зачистки.

Для зачистки используем стационарный обдирочно-заточный станок ЗМ634. Отливки вручную и специальными приспособлениями прижимаются к вращающемуся абразивному кругу, в результате чего производится зачистка отливок [10]. Для уменьшения запыленности воздуха к кожуху абразивного круга снизу приделана камера, наполненная водой.

7.5.Термообработка отливки

Термообработка для сплава ВЧ42-12 не предусматривается вследствие невозможности изменения литой структуры данным методом.



8. Дефекты и контроль качества отливок

8.1 Характерные дефекты и методы их диагностики

К основным видам брака в чугунном литье относятся: отбел, усадочные раковины и пористость, газовые раковины и пористость, трещины горячие и холодные, пригар, коробление, песчаные раковины и засоры, ужимина.

Отбел - образование структуры белого чугуна (цементита) в отливках из серого чугуна, обычно в их тонких сечениях или на поверхности отливки, соприкасающейся со стенкой формы. Если отбел не является специальным технологическим приёмом, то отбел считается дефектом отливки, приводящим к хрупкости изделия и затруднённой механической обработке. Причины отбела: пониженное содержание в металле C и Si и повышенное - карбидообразующих элементов, низкая температура заливки чугуна, большая скорость охлаждения залитого металла (неправильный выбор холодильников, повышенная влажность формовочной смеси), повышенная влажность дутья в вагранке, неэффективное модифицирование. Отбел устраняют графитизирующим отжигом.

Газовая пористость. Тонкие раковины или поры в металле, которые вызваны поглощенными газами с последующим их выделением в процессе затвердевания металла.