Ориентировочные значения КИМ различных заготовок

Таблица 1

Ориентировочные значения КИМ различных заготовок

Вид заготовки	КИМ	Вид заготовки	КИМ
Литье: Под давлением По выплавляемым моделям В оболочковые формы В кокиль В песчаные формы	0,95 0,90 0,80 0,75 0,70	Профильный прокат Штамповка (горячая) Прутки катаные Ковка свободная	0,60 0,40 0,35 0,30

 

В настоящее время в мире объем фасонных отливок из всех сплавов составляет 82 – 88 млн.т.

Основная тенденция развития литейного производства заключается в росте качества отливок, увеличении точности их размеров, снижении металлоемкости.

 

Технологичность отливки

При проектировании изделий конструктор выбирает тип и марку сплава и разрабатывает конструкцию детали, исходя в первую очередь, из ее функционального назначения. Технолог-литейщик может изменить конструктивные особенности детали либо на стадии предварительного согласования с конструктором, либо непосредственно при разработке технологического процесса получения отливки. При разработке стремятся обеспечить оптимальную технологичность отливки как за счет технологичности детали, так и за счет рациональной конструкции непосредственно самой отливки.

Под технологичностью отливки следует понимать такие ее конструктивные особенности, которые при обеспечении выполнения требований к готовой детали одновременно обеспечивают технологическую возможность и экономическую целесообразность ее производства.

Основные требования к технологичности отливки включают:

- простота внешних очертаний детали;

- наличие внутренних полостей и отверстий в отливке и их количество;

- наличие местных выступов вокруг отверстий;

- толщина стенок отливки;

- максимальная равнотолщинность стенок отливки;

- благоприятный характер сопряжения стенок отливки.

В связи с тем, что большинство фасонных отливок изготавливается в разовых песчаных формах, процесс проектирования технологии изготовления отливки рассматривается применительно к этому способу.

 

Выбор разъемов модели и формы.

При выборе разъема формы необходимо:

1. Поверхности отливки, принимаемые за базу при механической обработке, располагать в одной полуформе.

2. Всю отливку, если позволяет ее конструкция, нужно располагать в одной (преимущественно в нижней) полуформе в целях исключения перекосов.

3. Форма и модель, по возможности, должны иметь одну поверхность разъема, желательно плоскую горизонтальную, удобную для изготовления и сборки формы.

4. Поверхность разъема должна обеспечивать по возможности отсутствие заливов, а также удобство сборки формы и контроль установки стержней.

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

6. При машинной формовке выбирают один плоский разъем формы (фор-мовка в парных опоках) и не более одного разъема модели. Уменьшение количества разъемов модели достигают за счет применения моделей с отъемными частями, внешних стержней.

 

Припуски на усадку

     Литейная (действительная) усадка характеризует изменение размеров отливки по сравнению с размерами модели, зависит от типа сплава, размеров отливки и степени затрудненности свободной линейной усадки сплава в отливке после ее затвердевания.

Модельщики обеспечивают увеличение размеров модели по сравнению с размерами отливки, учитывая величину литейной усадки за счет использования специальных усадочных метров. Средние значения литейной усадки для различных литейных сплавов следующие:

- чугуны 0,7 – 1,8;

- стали 1,6 – 2,0;

- бронзы 0,9 – 1,1;

- латуни 1,5 –1,9;

- алюминиевые сплавы 0,8 – 1,5.

 

Формовочные уклоны

Формовочные уклоны выполняются на вертикальных формообразующих поверхностях моделей с целью предотвращения разрушения формы и облегчения удаления модели из формы. Величина уклонов регламентируется ГОСТом 3212-80. В зависимости от требований, предъявляемых к поверхности отливки, формовочные уклоны назначают на обрабатываемых поверхностях сверх припусков на механическую обработку; на необрабатываемых поверхностях, сопрягаемых по контуру с другими деталями, за счет уменьшения или увеличения размеров отливки в зависимости от поверхности сопряжения; на необрабатываемых поверхностях, не сопрягаемых по контуру с другими деталями, за счет увеличения или уменьшения размеров. При наличии уклонов на наружных и внутренних поверхностях следует стремиться к равностенности 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.

Конструкция стержня должна обеспечить образование надлежащей полости отливки с заданной точностью, достаточную его прочность и устойчивость при заполнении формы металлом, вывод из стержня образующихся при заливке газов, а также способствовать применению машинных методов изготовления. Для многих внутренних полостей используется не один, а несколько стержней, которые получают в простых стержневых ящиках, а затем склеивают или собирают их после сушки. При сборке стержней друг с другом предпочтительно иметь фиксаторы, например, коническое углубление в одном и выступ в другом.

Стержни должны иметь прочность, чтобы противостоять воздействию металла, а также допускать их транспортировку. В процессе набивки смеси в стержневые ящики закладывают металлические каркасы (проволочные для тонкостенных стержней, литые для толстостенных и проволочно-литые для разностенных), повышающие прочность стержня.

В стержнях должны быть сделаны газоотводные каналы с учетом свободного выхода газов через знаки (обычно верхние или боковые). Газоотводные каналы выполняют с помощью удаляемых металлических стержней, металлических труб с просверленными отверстиями (которые служат одновременно и каркасами), фитилей, шнуров для сложных отливок. Хорошая вентиляция стержней снижает брак по газовым раковинам.

Число стержней, служащих для оформления полостей отливки, ее отдельных элементов и элементов литниковой системы, определяют с учетом серийности выпуска отливок. В единичном и мелкосерийном производстве целесообразно получать отливки с использованием минимального числа стержней или вовсе без них; имеющиеся выступающие части оформлять с помощью отъемных частей, внутренние полости - с помощью болванов, а мелкие отверстия, пазы и выемки получать при последующей механической обработке. При замене стержня сырыми болванами последние располагают в нижней полуформе, если В/Н < 3; и в верхней полуформе, если В/Н> 3 (В и Н- соответственно ширина и высота болвана).

При крупносерийном и особенно массовом производстве, когда окупаются затраты, связанные с изготовлением оснастки, целесообразно расчленение сложных стержней на части, так как это способствует повышению производительности машинной формовки и обеспечивает более высокое качество отливок.

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

1. Обеспечивать минимальные затраты на изготовление стержневых ящиков.

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

3. Учитывать конфигурацию и габаритные размеры отливки, определяющие расход смесей на изготовление стержней. 

Повышенная прочность смесей в сухом состоянии позволяет изготавливать пустотелые стержни вместо сплошных. При этом улучшается их газопроницаемость, сокращаются продолжительность сушки и расход смеси. Высокую чистоту поверхности обеспечивают пустотелые оболочковые стержни из смесей на основе кварцевых или цирконовых песков и пульвербакелита в качестве связующего.

4. Если отливка имеет две полости, соединенные каналом, эти полости надо оформлять двумя стержнями. При использовании одного сложного стержня обычно происходит его поломка в месте тонкой перемычки.

5. Газоотводные каналы стержней должны иметь выходы в верхних знаках или образовывать общую вентиляционную систему с другими стержнями, знаки которых соприкасаются с формой. Газоотводные каналы должны быть размещены так, чтобы исключалось попадание в них жидкого металла.

6. Поверхность стержня со стороны набивки должна быть достаточно большой для удобства работы.

7. Разъем ящика и опорная поверхность стержня при сушке должны быть, по возможности, плоскими (особенно при единичном производстве); в массовом производстве выполнение этого условия не обязательно, т. к. применяют специальные сушильные плиты. Создание сложных не плоскостных разъемов при отсутствии сушильных плит допускается в случае использования химически твердеющих смесей.

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

Если невозможно использовать нижние знаки в качестве опорных элементов, следует предусмотреть боковые знаки, которые обеспечили бы установку стержня в сушило на боковые опоры или же позволили использовать арматуру, выступающую из знаковых частей.

Необходимо избегать кантовки стержня; после извлечения из ящика он должен укладываться на сушильную плиту в таком положении, в каком его ставят в форму. В этом положений стержень удобно красить и транспортировать.

 

Рис. 3. Знаки стержней

Точность фиксации стержня в форме обеспечивается конфигурацией и размерами его знаковых частей, которые назначают по ГОСТ 3606—80 с учетом размеров стержней, способа формовки и его положения в форме (рис.3).

При вертикальном расположении стержня в форме (рис.3а) он фиксируется нижним и верхним знаками или только нижним (часто уширенным). В последнем случае для предупреждения всплывания стержня его фиксируют сверху жеребейками или прижимают верхней полуформой, т.е. зазор не предусматривается.

При горизонтальном расположении стержня, используют несколько вариантов фиксации его в форме.  Если требуется четкая фиксация в осевом направлении, знаки имеют торцевые фиксаторы (рис. 3б) с соответствующими зазорами. Для предотвращения углового сдвига знака предусматривают нижний клиновидный или прямоугольный фиксатор, оставляя в торце зумпф (рис. в), служащий для предупреждения разрушения кромки знака при сборке. Высоту нижних знаков, стержней круглого сечения назначают в зависимости от его длины и диаметра, а стержней прямоугольного сечения - от половины периметра. Высоту верхних вертикальных знаков принимают равной не более 0,5 высоты нижних знаков. Допускается нижние и верхние знаки одинаковой высоты при массовом и крупносерийном производстве стержней. Длину горизонтальных стержневых знаков назначают с учетом способа формовки, формовочные уклоны на знаковых частях назначают по ГОСТ 3606-80 в зависимости от высоты знака и его расположения в форме (низ или верх относительно разъема).

Зазоры между знаковыми поверхностями форм и стержней назначают в соответствии с ГОСТ 3606-80 в зависимости от высоты знака и типа модельного комплекта.

РАСЧЕТ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ

В расчетах используют законы гидравлики, эмпирические зависимости и номограммы. Расчет обычно сводится к определению площади поперечного сечения узкого места f_уз литниковой системы с последующим определением площадей поперечных сечений остальных элементов системы. Основным является уравнение

где М - масса всех отливок в форме, включая боковые прибыли; р - плотность жидкого металла; τ - продолжительность заполнения формы; μ -коэффициент расхода металла; 0 < μ < 1; g -ускорение свободного падения; Н _p - расчетный статический напор.

Время заполнения формы рассчитывают по формулам, которые можно представить в следующей обобщенной форме:

τ =А δ^mMⁿ

где δ - толщина стенки (преобладающая) отливки, мм; М - масса отливки, кг; А, m, n - коэффициенты, значения которых различны для различных сплавов.

Наиболее часто используют зависимость вида     τ = A , в которой m  и n = 0,334.

Коэффициент расхода μ, характеризующий суммарные гидравлические потери, определять расчетным методом затруднительно, так как литниковые каналы являются относительно короткими и, кроме того, заранее необходимо знать площади сечений и размеры всех элементов литниковой системы. Поэтому его обычно определяют экспериментально. В большинстве случаев μ = 0,4-0,7.

Наибольшее влияние на коэффициент расхода оказывает сама литниковая система: ее сложность, характер местных сопротивлений, число поворотов и др. Влияние полости формы незначительно, и только для самых сложных и тонкостенных отливок можно вносить поправку 5-7 % в сторону снижения коэффициента μ.

В первом приближении можно пользоваться некоторыми практическими рекомендациями. По мере перехода от нижних к верхним литниковым системам коэффициент расхода увеличивается. Так, например, боковая и нижняя литниковые системы по сравнению с верхней имеют меньшие значения μ соответственно на 0,1 и 0,2. При повышении температуры заливки на 50 °С к значению μ прибавляют 0,05. Если полость формы имеет слабую вентиляцию, то μ уменьшают на 0,05.

При заливке через литниковую чашу происходит полное гашение энергии струи металла, падающей из ковша. Расчетный статический напор в этом случае (рис. 9, а)

H_p = H_o - p ² /(2 c)

где Н o - начальный напор или расстояние от горизонтальной оси питателей до верхнего уровня металла в чаше; р - расстояние от горизонтальной оси питателей до верха отливки; с — высота отливки.

 

Рис. 9. К определению расчетного статического напора при заливке металла через литниковую чашу (а) и воронку (б)

 

Для литниковых систем на рис. 6, а, б р = 0 и H р = H ₀ и для систем на рис. 6, в, е р = с и H р = H ₀ - с/2. Если заливка ведется через литниковую воронку (рис. 9, б), то расчетный статический напор

Hp = H ₀ - p ² (2 c)+ H ₁

где H ₀ - расстояние от оси питателей до верхней кромки верхней опоки; H ₁ - расстояние от верхней кромки верхней опоки до уровня металла в поворотном ковше.

После определения площади сечения узкого места по указанной ранее формуле рассчитывают площади поперечных сечений остальных элементов системы. На практике наиболее часто используют следующие соотношения площадей поперечных сечений стояка, шлакоуловителя и питателей;

  для чугунов

fст: fшл: ∑fпит составляет 1: 1,2: 1,5;

 

1: 1,5: 1,2; 1: (1-2): 1; 1,2:1,1:1,

Для сталей

fст:fшл:∑fпит =1,5: 1,3: 1,1,

а если применяют шамотный сифонный припас  

fст: fшл: ∑fпит  = 1:1:(1- 2),

Для медных сплавов

fст: fшл: ∑fпит  = 1: 2: (2- 4),

Прибыли

Прибыль – это часть литниково-питающей системы, предназначенная для устранения в отливке усадочной раковины и пористости.

Прибыли подразделяются:

по месту расположения: верхние и боковые;

по конструкции: открытые и закрытые;

по способу заливки: проточные (проливные) и сливные;

 в зависимости от сил, перемещающих жидкий металл из прибыли в отливку – гравитационные, атмосферные и газовые;

в зависимости от тепловых условий в форме – обычные, утепленные и подогреваемые;

по способу отделения от отливки – отрезаемые и отбиваемые (ГОСТ 18169-86).

 

Рис.10. Прибыли: I – боковая закрытая, проточная, газовая, обычная, отбиваемая; II – верхняя открытая, сливная, атмосферная, подогреваемая, отрезная; III –верхняя, закрытая, проточная, гравитационная, утепленная, отбиваемая; 1 – стержень с газовым зарядом, 2 – втулка из экзотермической смеси, 3 – разделительная пластина, 4 – стержень из экзотермической смеси.

 

При выборе конструкции, места установки и расчете прибылей необходимо учитывать следующее:

1. Прибыль должна питать тепловой узел отливки и затвердевать после отливки или питаемого термического узла.

2.  Прибыль должна содержать минимальное, но достаточное для питания термического узла или отливки количество расплава, иметь минимально возможную поверхность охлаждения.

3.  Следует стремиться использовать одну прибыль для питания максимального количества отливок в форме.

4. Конструкция прибыли должна обеспечивать удобство формовки.

5. Для эффективности действия прибыли необходимо реализовать принцип направленного затвердевания, обеспечивая в прибыли самый горячий металл и увеличение скорости охлаждения металла по мере удаления от прибыли.

Для облегчения направленности затвердевания совместно с прибылями можно использовать наружные и внутренние холодильники.

Эффективность обеспечения размещения усадочной раковины в прибыли проверяют по чертежу отливки методом вписанных окружностей. Выкатывая окружности из нижних сечений отливки в верхние, необходимо обеспечивать, чтобы радиус вышележащей окружности был меньше радиуса нижележащей. В случае необходимости корректируется конфигурация стенок отливок и формируется профиль прибыли.

Для обеспечения выхода газов на закрытые прибыли устанавливают выпоры, а для предотвращения образования сплошной корки вначале кристаллизации металла в верхней части прибыли предусматривают острый выступ или устанавливают газопроницаемый тонкий стержень.

Для разогрева открытых прибылей в них можно доливать жидкий металл или засыпать на зеркало металла экзотермические смеси.

Отводные прибыли используют для питания термических узлов, расположенных сбоку или снизу отливки, при этом шейка должна затвердевать позже отливки, иметь минимальную длину и сечение. Для обеспечения отделения прибыли шейку выполняют с пережимом или вставляют в нее разделительную пластину.

Открытые прибыли применяют при изготовлении крупных отливок. В них можно доливать металл или засыпать экзотермические смеси для его разогрева.

При изготовлении крупных ответственных отливок иногда применяют прибыли, работающие под сверхатмосферным давлением. Сжатый воздух под давлением в несколько атмосфер подводится через специальную трубку в прибыль, обеспечивая питание отливки.

Использование теплоизолирующих материалов (асбест, вспученный вермикулит, перлит, древесные опилки и др.) и экзотермических смесей (алюминиевый порошок, оксиды железа, плавиковый шпат, шамот, глины) для облицовки прибылей, подвод сжатого воздуха в прибыль, установка газовых патронов повышают эффективность работы прибылей, позволяют повышать выход годного (отношение массы отливок к массе залитого в форму металла).

Все перечисленные прибыли в зависимости от конфигурации отливки или теплового узла могут иметь различную форму: шаровую, кольцевую, прямоугольную, овальную, цилиндрическую и др.

Объем и размеры прибылей рассчитывают на основании теоретических и эмпирических зависимостей и производственных данных.

Диаметр цилиндрической прибыли D определяют по формуле:

где К=f (H:D),

H – высота прибыли, X – отношение объема прибыли к объему усадочной раковины, e - коэффициент усадки металла в жидком и жидкотвердом состояниях, V₀ – объем питаемой отливки или термического узла.

Таблица

Коэффициенты К и Х для прибылей различного типа

Тип прибыли	H/D	K	Х
1. Закрытая,  работающая под давлением:
- ниже атмосферного (без стержня или выступа)	1	1.15	12
- атмосферным (со стержнем или выступом)	1.2	1.07	7.5-9
- сверхатмосферным	1.3	1.04	5.5-7.5
2. Открытая	1.1	1.11	9-12
3. Теплоизолированная	1.4	1.01	4-5.5
4. Экзотермическая	1.5	0.985	3-4

 

При разработке технологии получения простых отливок можно воспользоваться упрощенным методом расчета прибылей. Для отливок с отношением преобладающих толщин стенок (d_max/d_min) 1,5 ¸ 2,5:

D _пр = (0,4 ¸ 0,45) + d,

где Vy – объем питаемого узла м³; d - толщина стенки отливки, м.

Для отливок с массивным питаемым узлом:

D _пр = d _ок + (0,1 ¸ 0,2)  ,

где d _ок – диаметр окружности, вписанной в питаемый узел, мм; Gy – масса питаемого узла, г.

  Эллипсоидальные открытые и закрытые, а также прямоугольные открытые прибыли применяются при получении средних и крупных отливок. Их размеры определяются по табл. (b_пр – ширина основания прибыли, h_пр – высота прибыли).

Таблица

Оформление технологического процесса

На основании разработанной технологии, по которой окончательно определен процесс изготовления отливки, оформляют технологическую карту, в которой указано: наименование, номер чертежа отливки; масса отливки, которая определяется как расчетная масса детали плюс масса припусков на обработку; масса жидкого сплава на отливку с учетом массы литниковой системы и прибылей; марка сплава и номер шихты по заводским нормалям; температура заливки; режимы охлаждения и термической обработки; способы изготовления формы - вручную, по модельным плитам, машинная, формовка по-сырому, по-сухому, поверхностно подсушиваемые, СО₂-процесс и т.п.; литниковая система; краткая технология очистки и обрубки отливок. При изготовлении сложных отливок в карте должно быть указано правило «проверки первой отливки», т.е. необходимость разметки отливки для определения геометрических параметров, включая припуски на обработку, соответствие массы отливки расчетным данным. При обнаружении погрешностей их устраняют и вновь изготовляют отливку, которая подвергается вторичной проверке. Установленные нормы времени и расценки на выполнение отдельных операций можно проставлять в технологической карте либо составить на них самостоятельную карту. Каждую технологическую карту согласовывают с мастером, ее утверждает главный металлург и с ней необходимо ознакомить рабочих.

Также в технологическом литейном бюро разрабатывают карту типового технологического процесс для типовых отливок (например: типа плит, втулок, корпусов, труб и т.д.). Это ускоряет разработку литейной технологии уже для конкретной типичной отливки с учетом ее размеров и усложняющих элементов конфигурации.

 

Таблица 1

Ориентировочные значения КИМ различных заготовок

Вид заготовки	КИМ	Вид заготовки	КИМ
Литье: Под давлением По выплавляемым моделям В оболочковые формы В кокиль В песчаные формы	0,95 0,90 0,80 0,75 0,70	Профильный прокат Штамповка (горячая) Прутки катаные Ковка свободная	0,60 0,40 0,35 0,30

 

В настоящее время в мире объем фасонных отливок из всех сплавов составляет 82 – 88 млн.т.

Основная тенденция развития литейного производства заключается в росте качества отливок, увеличении точности их размеров, снижении металлоемкости.