Производственный и технологический процессы.

Лекция 1. Введение.

В современных условиях развития общества одним из самых значимых факторов технического прогресса в машинострое­нии является совершенствование технологии производства. Коренное преобразование производства возможно в результате создания более совершенных средств труда, разработки принципиально новых технологий.

Развитие и совершенствование любого производства в настоящее время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычислительной техники, применением станков с числовым программным управлением. Все это составляет базу, на которой создаются автоматизированные системы управления, становятся возможными оптимизация техноло­гических процессов и режимов обработки, создание гибких автомати­зированных комплексов. Важным направлением научно-технического прогресса является также создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, поли­мерные и другие материалы, позволяющие резко повысить техниче­ский уровень и надежность оборудования. Обработка этих материа­лов связана с решением серьезных технологических вопросов.

Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая на прак­тике их заданные характеристики и надежность работы с учетом экономических показателей, инженер должен уверенно владеть методами изготовления деталей машин и их сборки. Для этого он должен обладать глубокими технологическими знаниями.

Предметом курса являются современные рациональные и распространенные в промыш­ленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин. Содержание курса представлено на принципе единства основных, фундаментальных методов обработки конструк­ционных материалов: литья, обработки давлением, сварки и обра­ботки резанием. Эти методы в современной технологии конструкцион­ных материалов характеризуются многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении.

Описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряется сведениями о строении и свойствах конст­рукционных материалов. Комплекс этих знаний обеспечивает уни­версальный подход к изучению технологии.

Большой вклад в развитие металлургии внесли русские ученые и инженеры. Российская металлургия является одной из самых передовых в мире и давно оставила позади самые развитые страны запада. Такие учёные как Обухов П. М., является основателем крупнейшего производства литой стали и стальных пушек в России. В 1857 году изобрёл способ массового производства тигельной стали высокого качества. Калакуцкий Н. В. наиболее полно представил влияние способов и условий ковки на структуру металла, его свойства, образование дефектов. Впервые объяснил образование внутренних напряжений в стали и чугуне. Лавров А. С. выдвинул теорию по которой сталь представляет собой твёрдый раствор углерода в железе. Совместно с Калакуцким Н. В. объяснил процесс ликвации. Впервые в мире применил алюминий для раскисления стали. Чернов Д. К. основатель современного металловедения. Его открытия – критические температуры, теория кристаллизации слитка, совершенствование конверторного процесса, применение спектроскопа для определения конца процесса производства получили признание во всём мире.Аносов П. П. впервые использовал вместо угля газ. Раскрыл рецепт булатной стали, который был утерян. Он в течении 10 лет делал опыты по сплавлению железа с кремнием, золотом, платиной и другими элементами.Бадаев С. И. Изобрёл способ получения новой «бадаевской» стали, которая обладает хорошей вязкостью и свариваемостью.

Взаимосвязь конструкции изделия с технологией его производства обусловила одну из наиболее сложных функций технологически подготовки производства - отработку конструкции изделия н технологичность.

Недостаточно полное и четкое выполнение этой функции на практике является причиной изготовления в промышленности неотработанных на технологичность изделий, что вызывает неоправданные затраты труда, средств, материалов и времени.

На отдельных предприятиях различных отраслей промышленности производится отработка конструкции изделия на технологичность, но методы отработки обычно существенно различаются.

Отсутствие единой методики отработки конструкций на технологичность затрудняет сравнительную оценку технологичности изделий и обмен опытом создания технологичных изделий.

Обязательность отработки конструкций изделий на технологичность на всех стадиях их создания устанавливается стандартами ЕСТПЛ.

Совершенство конструкции машины характеризуется ее соответствием современному уровню техники, экономичностью и удобством в эксплуатации, а также тем, в какой мере учтены возможности использования наиболее экономичных и производительных технологических методов ее изготовления применительно к заданному выпуску и условиям производства. Конструкцию машины, в которой эти возможности полностью учтены, называют технологичной.

Таким образом, технологичность конструкции изделий (ТКИ) - это совокупность таких свойств конструкции изделия, которые определяют ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Отсюда следует, что ТКИ - понятие относительное. Технологичность
одного и того же изделия в зависимости от тина производства, где оно
изготавливается, и от конкретных производственных условий может быть,
различной.

ТКИ - понятие комплексное. Ее нельзя рассматривать изолированно, без взаимной связи и учета условий выполнения заготовительных процессов, процессов обработки, сборки и контроля, ремонта и эксплуатации.

Улучшением технологичности конструкции можно увеличить
выпуск продукции при тех же средствах производства. Трудоемкость
машин нередко удается сократить на 15-25% и более, а себестоимость их
изготовления на 5-10%.

Основная задача обеспечения ТКИ заключается в достижении оптимальных трудовых, материальных и топливно-энергетических затрат на проектирование, подготовку производства, изготовление, монтаж вне предприятия-изготовителя, технологическое и техническое обслуживание, ремонт при обеспечении прочих заданных показателей качества изделия в принятых условиях проведения работ.

Главными факторами, определяющими требования к ТКИ, являются:

· вид изделия, степень его надежности и сложности, условия изготовления, технического ремонта и обслуживания, показатели качества;

· тип производства;

· условия производства, в том числе наличие передового опыта и
прогрессивных методов изготовления аналогичных изделий,
оборудования, оснастки и т. д.

Цветные металлы и сплавы

Алюминий и его сплавы. Алюминий – легкий металл (плот­ность 2,7 г/см3), обладает высокими теплопроводностью ~ 200 Вт/(м°С) и электропроводностью (3,8•105 Ом–1см–1). Алюми­ний имеет большое сродство к кислороду, легко окисляется на воздухе. При этом его поверхность покрывается плотной пленкой окиси алюминия (~ 0,2 мкм), которая хорошо защищает от даль­нейшего окисления, поэтому алюминий стоек против коррозии. Температура плавления алюминия 660° С.

Алюминиевые сплавы разделяют на деформируе­мые и литейные. К деформируемым алюминиевым сплавам отно­сятся дуралюмины (Д1—Д16), содержащие 3,8—4,9% Сu, 0,4— 1,8% Mg, 0,4—0,9% Мn; авиали (АВ), содержащие 0,2—0,6% Сu, 0,4—0,9% Mg, 0,15—0,35% Мn, 0,5—1,2% Si; высокопрочные алюминиевые сплавы, содержащие медь, магний, марганец и уп­рочняющие добавки (до 8,5% Zn или 0,1—0,25% Сг); ковочные алюминиевые сплавы (АК), содержащие 1,8—4,8 Сu, 0,4—0,8% Mg, 0,4—1,0% Мn, 0,6 — 1,2% Si, а также жаропрочные алюминиевые сплавы, в которые в качестве упрочняющих добавок вводят желе­зо, никель, титан и цирконий. Эти сплавы хорошо обрабатыва­ются ковкой, штамповкой, прокаткой. Механические свойства их повышаются после термической обработки. Благодаря высоким механическим свойствам и малой плотности эти сплавы широко применяют в машиностроении, самолетостроении, химической промышленности, транспортном и пищевом машиностроении, при­боростроении и т. д. Кроме термически обрабатываемых дефор­мируемых сплавов, широко применяют алюминиевые деформиру­емые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц до 1,6 % Мn) или магнием и марганцем (АМг), содержащие 1,8—5,8% Mg и 0,2-0,8% Мn.

Эти сплавы хорошо обрабатываются давлением (штамповкой в холодном состоянии, гибкой и т. д.), свариваются и имеют вы­сокую коррозионную стойкость. Их широко применяют в стро­ительных конструкциях (рамах, перегородках, дверях, витра­жах и т. д.), при изготовлении баков для бензина, трубопро­водов и т. д.

Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления деталей машин и приборов литьем. Они имеют хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть в расплавленном состоянии, малую усадку при затвердевании, высокие механические свойства. Кроме того, они хорошо обрабатываются резанием. Из литейных алюминиевых сплавов наибольшее применение имеют силумины — сплавы алюминия с 10 – 13% Si; сплавы алюминия с медью и мар­ганцем, содержание 4,5 –5,3% Си и до 1% Мn; сплавы алюминия с 9,5-11,5% Mg.

Силумины наиболее широко используют для изготовления многих деталей в машиностроении и приборостроении: блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, картеров блоков, корпусов компрессоров, арматуры и т. д.

Сплавы алюминия с медью, обладающие повышенной проч­ностью, применяют для литья деталей, работающих при нагрузках (арматуры, кронштейнов и др.).

Сплавы алюминия с магнием обладают хорошей коррозионной стойкостью и применяются для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении. Многие отливки из алю­миниевых сплавов подвергают термической обработке для повы­шения их механических свойств, пластичности, а также снижения остаточных напряжений.

Алюминий применяют для приготовления спеченных алюми­ниевых сплавов (САС) и спекаемых алюминиевых пудр (САП), из которых методами порошковой металлургии (прессованием с пос­ледующим спеканием) изготовляют детали машин.

Магний и его сплавы. Магний относится к группе легких металлов, плотность его в твердом состоянии 1,738 г/см3, темпе­ратура плавления 651° С. Магний, являясь весьма химически активным металлом, широко применяется в виде сплавов с алю­минием, цинком, марганцем.

Магниевые сплавы подразделяют на деформируемые сплавы (МА), используемые в виде листов, полос, профилей, прут­ков и поковок, и литейные сплавы (Мл), из которых получают фа­сонные отливки.

Деформируемые магниевые сплавы обычно содержат 1—2% Мn, до 0,8% А1, десятые доли процента кальция и церия; высокопроч­ные сплавы — до 5% А1 и 1,5% Zn, а жаропрочные магниевые сплавы содержат добавки циркония, никеля и др. Деформируе­мые магниевые сплавы имеют прочность до 264—274 МН/м2 при удлинении 7—12%. Из этих сплавов изготовляют сварные бензо - и маслобаки, арматуру бензо - и маслопроводов самолетов, летательных аппаратов, детали прядильных и ткацких стан­ков.

Литейные магниевые сплавы содержат 2,5—9,0% А1 и 0,2—1,5% Zn, а также 0,15—0,5% Мп; предел прочности при растяжении 177—235 МН/м2, при удлинении 3—8%. Детали, отлитые из жаропрочных магниевых сплавов, способны работать продолжи­тельное время при температуре до 250° С, а кратковременно при температурах до 400—450° С.

Литейные магниевые сплавы имеют невысокий модуль упру­гости (Е 43 000 МН/м2) и вследствие этого высокие демпфиру­ющие свойства (гасят колебания и вибрации конструкции). Од­нако литейные магниевые сплавы имеют невысокую коррозион­ную стойкость, для ее повышения отливки из этих сплавов окси­дируют и покрывают защитными лаками. Отливки из магниевых сплавов широко применяют в самолето - и ракетостроении, в автомобильной промышленности (для картеров двигателей, коробок передач), в электротехнике, радиотехнике (для деталей и корпу­сов приборов), в текстильной и полиграфической промышленностях, транспортном машиностроении и т. д.

Медь и ее сплавы. Технически чистая медь обладает высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, электропроводностью и теплопроводностью. Плотность меди 8,97 г/см3, температура плавления 1083°С, теплопроводность 385 Вт/(м°С), удельное электросопротивление 0,018 Ом∙мм2/м. В литом состоянии медь имеет предел прочности на растяжение 170—200 МН/м2, предел текучести 70—90 МН/м2 и относительное удлинение 17—20%. Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и кор­розионной стойкости медь широко применяют для изготовления линий электропередач и проводной связи, в электромашинострое­нии — для деталей электрических машин и приборов. Около 50% всей меди используют в электропромышленности.

Высокая теплопроводность и коррозионная стойкость способ­ствуют широкому использованию меди в химическом машино­строении для изготовления вакуум-аппаратов, трубчатых змее­виков, теплообменников в холодильных агрегатах.

Медные сплавы подразделяют на бронзы и латуни. Бронзами называются сплавы меди с оловом (4—33% Sn), свинцом (~30%Рb), алюминием (5—11% А1), кремнием (4—5% Si), сурьмой и фосфо­ром. Бронзы имеют более высокую прочность и твердость, чем чистая медь. Бронзы применяют для изготовления фасонных от­ливок (литейные бронзы) и деталей машин штамповкой, ковкой, прокаткой (бронзы для обработки давлением).

Литейные бронзы применяют для изготовления червячных шестерен, подшипников скольжения, ходовых гаек, корпусов вентилей, клапанов, задвижек, золотников и т. д. Бронзы при обработке давлением применяют для изготовления прутков, по­лосы, ленты, толстостенных труб, из которых штамповкой, ков­кой, обработкой резанием изготовляют различные детали машин и приборов (втулки, коллекторы электрических машин, пружины, мембраны, детали часовых механизмов, решетки, сетки, электроды иликтросварочных машин и т. д.).

Латунямн называют сплавы меди с цинком (до 50% Zn) с небольшими добавками других элементов (алюминия, кремния, никеля, марганца). Латуни, так же как и бронзы, применяют для изготовления деталей машин обработкой давлением и резанием и фасонных отливок.

Из латуней, обрабатываемых давлением, получают прутки, трубы, листы, ленту, из которых затем штамповкой, обработкой резанием изготовляют различные детали машин — радиаторные и манометрические трубки, сильфоны (гофрированные трубы), корпуса сварочных горелок, детали приборов и т. д.

Из литейных латуней отливают корпуса паропроводной арматура с повышенной коррозионной стойкостью в морской воде, шестерни, втулки, подшипники, гребные винты, гайки нажимных винтов и т. д.

Титан и его сплавы. Титан относится к группе тугоплавких металлов. Температура плавления титана 1665 ± 5° С, плотность ~ 4,5 г/см3. Предел прочности при растяжении чистого титана σв = 250 МН/м2, удлинение δ = 70%; технического титана, со­держащего примеси, σв = 300 – 550 МН/м2, δ = 20 – 30%, т. е. чем больше примесей содержится в титане, тем выше его прочность и ниже пластичность. Однако отношение σв/γ (удельная прочность) титана значительно выше, чем у многих легированных конструк­ционных сталей. Вследствие этого при замене стали титановыми сплавами можно при равной прочности получить до 40% эконо­мии по массе детали. Несмотря на высокую температуру плавле­ния, титан имеет более низкую жаропрочность, чем сплавы на основе железа и никеля. Предельная температура использования титана и его сплавов не выше 550—600° С. При более высокой тем­пературе титан и его сплавы легко окисляются и поглощают во­дород.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением, свари­вается, из него можно изготовлять сложные фасонные отливки, но обработка резанием затруднительна.

Для получения сплавов с заданными механическими свойст­вами титан легируют алюминием, молибденом и др.

Наибольшее применение нашли сплавы, в которых основным легирующим элементов является алюминий, например сплав ВТ5, содержащий до 5% А1, с σв —700 – 900 МН/м2 при удлинении δ = 10 – 12%. Из этих сплавов получают отливки, поковки, листы и т. д. Кроме того, применяют и сложнолегированные спла­вы, например, ВТ3–1, ВТ–6, ВТ–8.

Титановые сплавы можно упрочнять термической обработкой в печах с защитной атмосферой. Титан и его сплавы широко ис­пользуют в различных областях техники (авиационной, ракетно-космической, судостроении, химической промышленности), когда требуются высокая удельная прочность и хорошая сопротивляе­мость коррозии.

Из титановых сплавов делают обшивку фюзеляжей, крыльев сверхзвуковых самолетов, лонжероны, шпангоуты и другие де­тали. Для стационарных паровых и газовых турбин из титановых сплавов изготовляют диски и лопатки. В судостроении титан и его сплавы применяют для обшивки корпусов и подводных крыльев, а также для различной аппаратуры. Титан и его сплавы применяют и в химическом машиностроении для изготовления ем­костей фильтров, трубопроводов, змеевиков и других аппаратов. Некоторые титановые сплавы обладают повышенной пластичностью при низких температурах, поэтому их используют и для изготовления деталей машин в криогенной технике.

Инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435—74). Эти стали содержат 0,6—1,3 %С. Для изготовления инструментов при­меняют качественные стали У10А, УНА, У12А, содержащие бо­лее 1 % С. После термической обработки стали имеют HRC 60—62, однако красностойкость их невысока (200—250° С). При этой температуре их твердость резко уменьшается и они не могут выполнять работу резания. Эти стали находят ограниченное при­менение, так как допустимые скорости резания обычно не превы­шают 15—18 м/мин. Из них изготовляют метчики, плашки, но­жовочные полотна и т. д.

Легированные инструментальные стали. Основой этих сталей является инструментальная углеродистая сталь марки У10А, ле­гированная хромом (X), вольфрамом (В), ванадием (Ф), кремнием (С) и другими элементами. После термической обработки твердость легированных сталей составляет HRC 62—64; их красностойкость 250-300° С.

Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям и трещи­нам при закалке. Режущие свойства легированных сталей немного выше инструментальных. Допустимые скорости резания состав­ляют 15—25 м/мин.

Для изготовления инструментов: протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток и т. д. наиболее широко используют стали 9ХВГ, ХВГ, 9ХС, 6ХС и др.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73). Эти стали содержат 8,5-19% W; 3,8-4,4% Сr; 2-10% Со и V. Для изготовления ре­жущего инструмента используют быстрорежущие стали Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2. Резжущий инструмент из быстрорежущих сталей после термичес­кой обработки имеет HRC 62–65. Красностойкость сталей 600–630° С; они имеют повышенную износостойкость. Инструмент из быстрорежущей стали может работать со скоростями резания до 100 м/мин.

Сталь Р9 рекомендуется для изготовления инструментов простой формы (резцов, фрез, зенкеров). Для фасонных и сложных инструментов (резьбонарезных, зуборезных), для которых ос­новным требованием является высокая износоустойчивость, це­лесообразнее использовать сталь Р18.

Кобальтовые быстрорежущие стали (Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10) применяют для обработки труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов в условиях тяжелого прерывистого резания, вибраций, при плохих условиях охлаж­дения.

Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомен­дуются для изготовления инструментов для чистовой обработки (протяжек, разверток, шеверов). Их также применяют для обра­ботки труднообрабатываемых материалов при срезании неболь­ших поперечных сечений стружки.

Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6МЗ) используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки, а также для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез, сверл и другого инструмента.

Для экономии быстрорежущих сталей режущий инструмент делают сборным или сварным. Рабочую часть инструмента сва­ривают с хвостовиком из конструкционной стали (45, 50, 40Х и др.). Часто используют пластинки из быстро режущей стали, которые приваривают к державкам или корпусам инструментов.

Литейные сплавы

1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.

Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз – чем из цветных металлов). Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.

2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 тонн, иногда несколько сотен тонн) – до 60 %.

Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.

Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.

Среди литейных материалов из сплавов цветных металлов широкое применение нашли медные и алюминиевые сплавы.

1. Медные сплавы – бронзы и латуни.

Латуни – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для морских судостроения, работающей при температуре 300 °С, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.

Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки.

Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической и пищевой промышленности.

2. Алюминиевые сплавы.

Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) – силумины АЛ2, АЛ9. Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности.

Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний.

3. Магниевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, но их литейный свойства невысоки. Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец применяют в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении.

Особенности изготовления отливок из чугуна и стали

Чугун. Преобладающее количество отливок из серого чугуна изготовляют в песчаных формах. Отливки получают, как правило, получают без применения прибылей.

При изготовлении отливок из серого чугуна в кокилях, в связи с повышенной скоростью охлаждения при затвердевании, начинает выделяться цементит – появление отбеливания. Для предупреждения отбела на рабочую поверхность кокиля наносят малотеплопроводные покрытия. Кокили перед работой их нагревают, а чугун подвергают модифицированию. Для устранения отбела отливки подвергают отжигу.

Отливки типа тел вращения (трубы, гильзы, втулки) получают центробежным литьем.

Отливки из высокопрочного чугуна преимущественно изготовляют в песчаных формах, в оболочковых формах, литьем в кокиль, центробежным литьем. Достаточно высокая усадка чугуна вызывает необходимость создания условий направленного затвердевания отливок для предупреждения образования усадочных дефектов в массивных частях отливки путем установки прибылей и использования холодильников.

Расплавленный чугун в полость формы подводят через сужающуюся литниковую систему и, как правило, через прибыль.

Особенностью получения отливок из ковкого чугуна является то, что исходный материал – белый чугун имеет пониженную жидкотекучесть, что требует повышенной температуры заливки при изготовлении тонкостенных отливок. Для сокращения продолжительности отжига чугун модифицируют алюминием, бором, висмутом. Отливки изготавливают в песчаных формах, а также в оболочковых формах и кокилях.

Стальные отливки

Углеродистые и легированные стали – 15Л, 12Х18Н9ТЛ, 30ХГСЛ, 10Х13Л, 110Г13Л – литейные стали.

Литейные стали имеют пониженную жидкотекучесть, высокую усадку до 2,5%, склонны к образованию трещин.

Стальные отливки изготовляют в песчаных и оболочковых формах, литьем по выплавляемым моделям, центробежным литьем.

Для предупреждения усадочных раковин и пористости в отливках на массивные части устанавливают прибыли, а в тепловых узлах – используют наружные или внутренние холодильники. Для предупреждения трещин формы изготавливают из податливых формовочных смесей, в отливках предусматривают технологические ребра.

Подачу расплавленного металла для мелких и средних отливок выполняют по разъему или сверху, а для массивных – сифоном. В связи с низкой жидкотекучестью площадь сечения питателей в 1,5…2 раза больше, чем при литье чугуна.

Для получения высоких механических свойств, стальные отливки подвергают отжигу, нормализации и другим видам термической обработки.

Способы изготовления отливок. Изготовление отливок

в песчаных формах

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

Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы, формы изготовляемые по выплавляемым моделям, оболочковые формы) для одноразового использования, так и из металлов (кокили, изложницы для центробежного литья) для многократного использования.

Изготовление отливок в песчаных формах

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких грамм до сотен тонн, с толщиной стенки от 3…5 до 1000 мм и длиной до 10000 мм.

Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах

Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Литейная форма для получения отливок в песчаных формах представлена на рис. 2.

Литейная форма обычно состоит из верхней 1 и нижней 2 полуформ, которые изготавливаются в опоках 7, 8 – приспособлениях для удержания формовочной смеси. Полуформы ориентируют с помощью штырей 10, которые вставляют в отверстия ручек опок 11.

Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 3, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки).

Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему.

Литниковая система – совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы.

Основными элементами являются: литниковая чаша 5, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 6 – вертикальный или наклонный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабочую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 12, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 13 – один или несколько, через которые расплавленный металл подводится в полость литейной формы.

Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным металлом и питания отливки при ее затвердевании служат прибыли или выпор 4. Для вывода газов предназначены и вентиляционные каналы 9.

Рис. 2. Литейная форма

Разновидности литниковых систем представлены на рис. 3.

Рис. 3. Разновидности литниковых систем

Различают литниковые системы с питателями, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые системы делят на: нижнюю, верхнюю, боковую.

Нижняя литниковая система (рис. 3.б) – широко используется для литья сплавов, легко окисляющихся и насыщающихся газами (алюминий), обеспечивает спокойный подвод расплава к рабочей полости формы и постепенное заполнение ее поступающим снизу, без открытой струи металлом. При этом усложняется конструкция литниковой системы, увеличивается расход металла на нее, создается неблагоприятное распределение температур в залитой форме ввиду сильного разогрева ее нижней части.

Возможно образование усадочных дефектов и внутренних напряжений. При такой системе ограничена возможность получения высоких тонкостенных отливок (при литье алюминиевых сплавов форма не заполняется металлом, если отношение высоты отливки к толщине ее стенки превышает , ).

Нижний подвод через большое количество питателей часто используется при изготовлении сложных по форме, крупных отливок из чугуна.

Верхняя литниковая система (рис. 3.в).

Достоинствами системы являются: малый расход металла; конструкция проста и легко выполнима при изготовлении форм; подача расплава сверху обеспечивает благоприятное распределение температуры в залитой форме (температура увеличивается от нижней части к верхней), а следовательно, и благоприятные условия для направленной кристаллизации и питании отливки.

Недостатки: падающая сверху струя может размыть песчаную форму, вызывая засоры; при разбрызгивании расплава возникает опасность его окисления и замешивания воздуха в поток с образованием оксидных включений; затрудняется улавливание шлака.

Верхнюю литниковую систему применяют для невысоких (в положении заливки) отливок, небольшой массы и несложной формы, изготовленных из сплавов не склонных к сильному окислению в расплавленном состоянии (чугуны, углеродистые конструкционные стали, латуни).

Боковая литниковая система (рис. 3.а).

Подвод металла осуществляется в среднюю часть отливки (по разъему формы).

Такую систему применяют при получении отливок из различных сплавов, малых и средних по массе деталей, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью разъема формы. Является промежуточной между верхней и нижней, и следовательно сочетает в себе некоторые их достоинства и недостатки.

Иногда при подводе металла снизу и сверху используют массивные коллекторы.

Стержневая смесь

Стержневые смеси соответствуют условиям технологического процесса изготовления литейных стержней, которые испытывают тепловые и механические воздействия. Они должны иметь боле высокие огнеупорность, газопроницаемость, податливость, легко выбиваться из отливки.

Огнеупорность – способность смеси и формы сопротивляться растяжению или расплавлению под действием температуры расплавленного металла.

Газопроницаемость – способность смеси пропускать через себя газы (песок способствует ее повышению).

В зависимости от способа изготовления стержней смеси разделяют: на смеси с отвердением стержней тепловой сушкой в нагреваемой оснастке; жидкие самотвердеющие; жидкие холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом.

Приготовление стержневых смесей осуществляется перемешиванием компонентов в течение 5…12 минут с последующим выстаиванием в бункерах.

В современном литейном производстве изготовление смесей осуществляется на автоматических участках.

Модельный комплект

Модельный комплект – приспособления, включающие литейную модель, модели литниковой системы, стержневые ящики, модельные плиты, контрольные и сборочные шаблоны.

Литейная модель – приспособление, с помощью которого в литейной форме получают отпечаток, соответствующий конфигурации и размерам отливки.

Применяют модели разъемные и неразъемные, деревянные, металлические и пластмассовые.

Размеры модели больше размеров отливки на величину линейной усадки сплава.

Модели деревянные (сосна, бук, ясень), лучше изготавливать не из целого куска, а склеивать из отдельных брусочков с разным направлением волокон, для предотвращения коробления.

Достоинства: дешевизна, простота изготовления, малый вес. Недостаток: недолговечность.

Для лучшего удаления модели из формы ее окрашивают: чугун – красный, сталь – синий.

Металлические модели характеризуются большей долговечностью, точностью и чистой рабочей поверхностью. Изготавливаются из алюминиевых сплавов – легкие, не окисляются, хорошо обрабатываются. Для уменьшения массы модели делают пустотелыми с ребрами жесткости.

Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги при эксплуатации и хранении, не подвергаются короблению, имеют малую массу.

Стержневой ящик – формообразующее изделие, имеющее рабочую полость для получения в ней литейного стержня нужных размеров и очертаний из стержневой смеси. Обеспечивают равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня. Изготавливают из тех же материалов, что и модели. Могут быть разъемными и неразъемными (вытряхными), а иногда с нагревателями.

Изготовление стержней может осуществляться в ручную и на специальных стержневых машинах.

Модельные плитыформируют разъем литейной формы, на них закрепляют части модели. Используют для изготовления опочных и безопочных полуформ.

Для машинной формовки применяют координатные модельные плиты и плиты со сменными вкладышами (металлическая рамка плюс металлические или деревянные вкладыши).

Изготовление литейных форм

Основными операциями изготовления литейных форм являются: уплотнение формовочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности; устройство вентиляционных каналов для вывода газов из полости формы; извлечение модели из формы; отделка и сборка формы.

Формы изготавливаются вручную, на формовочных машинах и на автоматических линиях.

Ручная формовка применяется для получения одной или нескольких отливок в условиях опытного производства, в ремонтном производстве, для крупных отливок массой 200…300 тонн.

Приемы ручной формовки: в парных опоках по разъемной модели; формовка шаблонами; формовка в кессонах.

Формовка шаблонами применяется для получения отливок, имеющих конфигурацию тел вращения в единичном производстве

Шаблон – профильная доска. Изготовление формы для шлаковой чаши (рис. 4.а.) показано на рис. 4.

Рис.4. Шаблонная формовка

В уплотненной формовочной смеси вращением шаблона 1, закрепленного на шпинделе 2 при помощи серьги 3,