Современные способы получения заготовок деталей машин

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» Кафедра «Машиностроительные технологические комплексы» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ « ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК» К.т.н.., доцент Швецов В.Д. г. Нижний Новгород 2020 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК 1. Цель изучения дисциплины Основная цель изучения данной дисциплины заключается в том, чтобы каждый специалист знал современные способы получения заготовок деталей машин и применяемое для производства заготовок оборудование. При этом специалист должен уметь выбирать наиболее рациональный и экономически выгодный в конкретных производственных условиях способ получения заготовки, уметь представлять чертеж заготовки с ее размерами и допусками, учитывающих схему базирования при выполнении первой операции механической обработки. Чертеж детали должен разрабатываться специалистом с учетом предполагаемой технологии изготовления заготовки. 2. Введение Одной из важнейших задач технологии машиностроения является сокращение удельного веса механической обработки резанием за счет повышения точности заготовок и экономичности их изготовления. Известно, что затраты труда при производстве машин и механизмов распределяются так: на производство заготовок – 34%; на механическую обработку – 34%; сборку – 25%; прочие работы – 7%. На современном этапе развития технологии до 8 млн.т. металла идет в стружку, при механической обработке, поэтому совершенствование технологии получения заготовки и повышение ее качества – одна из важнейших задач технологии машиностроения по сокращению объема обработки резанием и связанных с ней отходов металла. Основными технологическими процессами получения заготовок являются литейное производство, обработка металлов давлением, порошковая металлургия, сварочное производство. Выбор метода изготовления заготовок является важной задачей, ибо каждый из основных методов заключает в себе большое число возможных способов изготовления заготовок. Это многообразие способов и возможность их комбинирования, а также границы применимости каждого способа в зависимости от масштаба производства, точности изготовления и особенностей конструкционных форм и размеров заготовок обуславливает такое число сочетаний различных факторов, что выбор способа изготовления заготовок становиться все более и более сложной технико-экономической задачей. В ряде случаев разные методы и их способы и даже разные способы одного метода могут одинаково надежно обеспечить технические требования, предъявляемые к заготовке. Поэтому одновременно с расчетами на прочность необходимо путем сопоставления возможных методов и способов изготовления заготовок выбрать такие из них, которые в наибольшей степени отвечают конструктивным, технологическим и экономическим требованием. Определяющими факторами выбора способа производства заготовок являются: а) технологические свойства материала, такие как литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием; б) конструктивные формы и размеры детали (чем больше и сложнее деталь, тем дороже обходиться изготовление оснастки, инструмента, приспособлений и вызывает необходимость применения дорогостоящего оборудования); в) масса детали; г) точность изготовления заготовки и качество ее поверхности (шероховатость, наклеп и др.); д) величина программного задания (при больших партиях наиболее выгодны способы, обеспечивающие наибольшее приближение форм и размеров заготовки к детали); е) производственная возможность заготовительных цехов (наличие соответствующего оборудования быстрой его накладки и накладки оснастки); ж) время, затрачиваемое на подготовку производства (изготовление оснастки, инструмента, приспособлений); з) условия соблюдения охраны труда и окружающей среды. При выборе заготовки для заданной детали назначают метод ее получения, определяют конфигурацию, размеры, допуски, припуски на обработку и формируют технологические условия на изготовление. Главным при выборе заготовки является обеспечение заданного качества готовой детали при ее минимальной себестоимости. 3. Заготовки, получаемые литьем. Заготовки, получаемые методом литья, называются отливками. Отливки, не рассчитываемые на прочность с размерами, определяемыми конструктивными и технологическими соображениями, относят к неответственным; отливки, испытываемые на прочность, работающие при статических нагрузках, а так же в условиях трения скольжения относятся в ответственным. Особо ответственные – отливки, эксплуатируемые в условиях динамических знакопеременных нагрузок, а также испытываемые на прочность. Для классификации отливок по сложности изготовления предусмотрено шесть групп сложности. К первой группе относятся отливки простой геометрической формы: плоские, круглые или полусферические; наружные поверхности – гладкие или плоские с наличием невысоких ребер, бобышек, фланцев, отверстий, выступов и углублений. Наружные поверхности изготовляют без стержней или съемных частей. Внутренние полости неглубокие гладкие без выступов и углублений; выполняются преимущественно «болваном» или простым стержнем. Типовые детали этой группы: крышки, рукоятки, вилки простой конфигурации, колодки, рычаги, диски, фланцы простой конфигурации, противовесы, бабы копровые и свайные, якоря адмиралтейские, роликоопоры вращающихся печей, стаканы, муфты, втулки, маховики без спиц, простые ограды, колеса для вагонеток, барашки, гайки для шлангов, маховики для вентилей, пробки кранов. Ко второй группе относятся отливки открытой коробчатой или цилиндрической формы. Наружные поверхности прямолинейные и криволинейные с наличием усиливающих ребер, буртов, бобышек, фланцев с отверстиями без выступов и углублений. Внутренние полости простые, большой протяженности или высокие. Типовые детали второй группы: плиты разметочные, кронштейны простой конфигурации, цилиндры, колпаки, крышки с канавками по периметру, маховики со спицами, шкивы диаметром до 1 м, подшипники, корпуса патронов, револьверные головки, гильзы, фигурные фланцы, зубчатые колеса без литых зубьев диаметром до 1 м; железнодорожные колеса, сложные вилки, серьги простой конфигурации, барабаны для мельниц, буксы, корпуса редукторов до 500 кг, колена специальные, фитинги, мульды завалочных и заливочных машин, маховые колеса, бандажи вращающихся барабанов. К третьей группе относятся отливки открытой коробчатой, сферической, полусферической, цилиндрической и другой формы. Наружные поверхности – криволинейные и плоские с наличием нависающих частей ребер, кронштейнов, бобышек, фланцев с отверстиями и углублениями сравнительно сложной конфигурации. Часть отливки выполняют с использованием стержней. Внутренние полости отдельных соединений геометрических фигур – большой протяженности или высокие с незначительными выступами или углублениями, расположенными в одном и двух ярусах со свободными широкими выходами полостей. Типовые детали третьей группы: шкивы диаметром свыше 1 м, блоки, шпиндели, цилиндры ребристые, зубчатые колеса с литым или нарезным зубом диаметром до 3 м, чаши шлаковые и шлаковозов, тигли для плавки легких сплавов, задние бабки, люнеты, планшайбы, суппорты металлорежущих станков, кронштейны фигурные, колпаки, серьги фигурные, фитинги, патрубки, масленки, тройники с фланцами, корпуса редукторов массой свыше 500 кг, черпаки драг, корпуса одно- и двухплунжерных топливных насосов. К четвертой группе относятся отливки закрытой и частично открытой коробчатой и цилиндрической формы. Наружные поверхности – криволинейные и плоские с примыкающими кронштейнами, фланцами, патрубками и другими конструктивными элементами различной конфигурации. Многие части поверхности или вся поверхность могут выполняться стержнями. Внутренние части имеют сложную конфигурацию со значительными выступами и углублениями и расположены в один – два яруса и имеют один – два свободные выходы. Полости отливок служат резервуарами для жидкости, работают без избыточного давления. Поверхности механически обрабатывают с трех – пяти сторон растачивают до семи отверстий, связанных между собой или с установочной базой жесткими размерами и допусками. Отдельные поверхности являются трущимися. Типовые детали четвертой группы: станины металлорежущих станков и ковочных машин, столы и основания металлорежущих станков, силовые головки, вертикальные колонны, траверсы, барабаны со сложными необрабатываемыми канавками, корпуса (передней бабки, гидравлической головки, золотника), салазки, направляющие аппараты и лопасти гидротурбин, колонны сборных статоров, гидротурбин, статоры гидротурбин, конусы и чаши засыпанных аппаратов доменных печей, рамы разливочных тележек, вращающиеся платформы экскаваторов, станины прессов и молотов, каретки, фартуки, консоли, двухвенцовые зубчатые колеса, блоки одно и двухцилиндровых двигателей, корпуса насосов, корпуса топливных насосов с четырьмя и более плунжерами, рамы каркасы и окантовка люков, лонжероны. К пятой группе относятся отливки закрытой коробчатой формы. Наружные поверхности криволинейные, сложной конфигурации, с примыкающими и пересекающимися кронштейнами, фланцами, натрубками и другими конструктивными элементами. Для получения наружной поверхности могут применяться стержни. Внутренние полости имеют сложную конфигурацию с криволинейными поверхностями, пересекающимися под различными углами, с выемками и выступами. Поверхности механически обрабатываются со всех сторон. Большое количество растрачиваемых отверстий, расположенных в разных направлениях, связанных между собой или установочной базой, жесткими размерами и допусками. Высокие требования к качеству рабочих поверхностей. Многие полости служат резервуарами для жидкостей, работающими без избыточного давления. Типовые детали пятой группы: станины и передние бабки крупных и специальных металлорежущих станков, фасонные стальные цилиндры, блоки цилиндров и крышки цилиндров крупных дизелей, цилиндры и крышки цилиндров газовых и паровых турбин и турбокомпрессоров, литые коленчатые валы дизелей, детали воздуходувок, гидравлические коробки нефтебуровых установок, рабочие колеса гидротурбин и землесосов, основания и стойки уникальных станков, боки четырех и более цилиндровых двигателей, сложные корпуса центробежных насосов. К шестой группе относятся отливки закрытой коробчатой или цилиндрической формы. Наружные поверхности имеют сложное очертание, образуемое сопряжением прямоугольных и криволинейных поверхностей с трудными переходами. Наружные поверхности имеют тонкие ребра и выступы. Внутренние полости имеют особо сложную форму с наличием ленточных и кольцевых каналов, расположенных в два или несколько ярусов. Механически обрабатываемые поверхности имеют разностороннее расположение и большое количество растачиваемых точных отверстий. Детали работают в условиях повышенных температур и давлений жидкости или газов. Типовые детали: гидравлические коробки нефтебуровых установок, блоки автомобильных, транспортных и авиационных двигателей, спрямляющие аппараты, станины станков и другие. 3.1. Сплавы, применяемые для производства отливок. Литейные металлические сплавы состоят из двух или нескольких составляющих. Основной составляющей является металл, придающий всему сплаву металлический характер. Применяемые в литейном производстве сплавы можно разделить на пять групп: 1) Чугуны и стали – сплавы железа с углеродом и другими элементами; 2) бронзы и латуни – сплавы меди с различными элементами; 3) сплавы алюминия с различными элементами; 4) сплавы магния с различными элементами; 5) сплавы на основе цинка, олова, свинца, титана, никеля, ниобия и других металлов. К важнейшим сплавам для изготовления отливок относятся сплавы первой группы: около 75% всех отливок (по массе) изготовляются из чугуна и около 20% - из стали. На долю остальных четырех групп сплавов приходиться небольшая часть общей массы отливок. К литейным сплавам предъявляются следующие требования: 1) состав сплава должен обеспечивать требуемые физико – механические и физико – химические свойства отливки; 2) сплавы должны иметь хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, малую склонность к ликвации, небольшую объемную и линейную усадку и др.); 3) должны хорошо обрабатываться резанием; 4) не должны быть токсичны; 5) сплавы должны содержать дешевые и недефицитные материалы. Прежде всего, сплавы должны обладать высокой прочностью, малой хрупкостью, высокой ударной вязкостью, требуемой твердостью. В отдельных случаях к ним предъявляются особые физические и физико – механические свойства. В настоящее время в ГОСТы входят около 300 сплавов и около 450 в ведомственные справочники. Широкое применение для изготовления фасонных отливок нашел серый чугун. Чугунные отливки по массе составляют 80% от общего числа отливок. Такое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне по сравнению с другими литейными сплавами. Условно серые чугуны делят на две группы: конструктивные чугуны и чугуны со специальными свойствами. На механические свойства серых конструкционных чугунов оказывает влияние не только химический состав, но и скорость охлаждения отливки в форме. При высоких скоростях охлаждения (литье в кокиль) появляется возможность выделения цементита в структуре чугуна «отбел», что резко повышает твердость чугуна и ухудшает обрабатываемость резанием. Отбел устраняется отжигом отливок, а для его предупреждения производят модифицирование сплава ферросилицием, силикокальцием и графитом перед его заливкой в литейную форму. Некоторые показатели физических и литейных свойств сплавов. Литейный сплав Плотность, кг/ Линейная усадка, % Объемная усадка, % Жидкотекучесть Температура плавления, °С Сталь литейная С≈ 2% 7811-7820 2,00 6,00 Понижена 1420-1510 Серый чугун 6900-7400 1,04 3,12 Высокая 1200-1250 Ковкий чугун 7200-7450 1,50 4,50 Понижена 1270-1320 Высокопрочный чугун 7000-7350 1,30 3,90 Удовлетвор. 1230-1260 Алюминиевые сплавы 2600-2950 1,1-1,35 3,31-4,06 Хорошая 590-645 Магниевые сплавы 1800-1830 1,35-1,60 4,06-4,81 Удовлетвор. 596-650 Оловянные бронзы 8800-9200 1,28-1,54 3,85-4,62 Хорошая 920-1015 Безоловянные бронзы 7900-8200 1,96-2,49 5,88-7,49 Понижена 890-1140 Латуни 8400-8850 1,78-2,23 4,35-6,66 Хорошая 890-980 3.2 Основы конструирования литых заготовок. Возможность применения прогрессивных технологических методов литья определяется конструкцией детали. Технологической считается деталь, конструкция которой отвечает требованиям прогрессивной технологии изготовления отливки, последующей механической обработки, а также всем условиям эксплуатации ремонта. Конфигурация детали должна представлять собой сочетание простых геометрических фигур, обуславливающих возможность применения высокопроизводительных технологических методов и предусматривать удобную, надежную базу для установки заготовки в процессе ее обработки. В тех случаях, когда поверхности детали не обеспечивают такой базы, должны быть предусмотрены специальные элементы (приливы, бобышки, отверстия) для базирования и закрепления заготовки. При необходимости эти элементы могут быть удалены после обработки. Заданные точность и шероховатость поверхности деталей должны быть строго обоснованы ее служебным назначением. Конструкция отливки должна обеспечивать минимальное количество разъемов модели, отсутствие отъемных частей, минимальное количество стержней. При освещении отливки параллельными лучами в наплавлении, перпендикулярном плоскости разъема формы или стержневого ящика, появление теневых участков в отдельных местах контура свидетельствует о несовершенстве конструкции отливки рис.3.1. Теневые участки образуются при неправильном расположении выступающих плотиков, бобышек, ребер, выемок, уклонов стенок, поднутрений и требует применения отъемных частей модели или стержней. Большое количество стержней увеличивает трудоемкость изготовления и сборки форм, способствует появлению брака по перекосу и искажению размеров из-за неточностей установки их в форме рис.3.2. Для уменьшения количества стержней ребра жесткости, полки для упора и крепления других деталей желательно располагать при формовке перпендикулярно плоскости разъема модели и формы. Плоскость разъема модели и формы желательно выбирать по оси симметрии детали рис.3.3а или другой поверхности рис 3.3б так, чтобы эта плоскость обеспечивала наименьшую трудоемкость изготовления модели и формы, беспрепятственное удаление модели из формы, точность геометрических размеров отливки и снижение затрат на очистку и дальнейшую обработку отливки. При выборе плоскости разъема формы следует соблюдать правила: а) обрабатываемые поверхности отливки следует располагать в нижних частях формы, вертикально или наклонно; ! б) поверхности отливки, служащие базовой при механической обработке, должны находиться в одной полуформе; в) чугунные отливки, особенно из серого чугуна, предпочтительно располагать только в верхней полуформе, из стали в нижней полуформе или в верхней и нижней. Технологичная конструкция отливка должна иметь: - простые и прямолинейные общие контуры, облегчающие изготовление модельных комплектов, а также процессы формовки, сборки форм и отчистки отливок; - рациональную толщину стенок в различных сечениях, что обеспечивает необходимую прочность конструкции и возможность заполнения формы металлом; - плавные переходы в сопряжениях различных сечений, способствующие снижению внутренних напряжений в отливке; - достаточное число окон для удобной и надежной простановки стержней, вывода из них газов и отчистки внутренних полостей отливки; -конструктивные уклоны, обеспечивающие изготовление формы без усложняющих приемов и искажения контуров отливки формовочными уклонами; - возможность транспортировки различными средствами. Конструктивное оформление элементов литых заготовок. Качество отливки во многом зависит от правильного конструирования элементов отливки: переходов и сопряжений стенок, ребер, фланцев, приливов и бобышек, толщины стенок отливок, внутренних полостей, назначения литейных радиусов и уклонов. Плавность перехода от тонких сечений к толстым, правильные сопряжения и достаточной величины радиусы закруглений обеспечивают получение отливок без литейных дефектов (усадочных раковин, пористости, трещин и др.). Пример устранения усадочной раковины за счет конструирования элементов отливки показан на рис.3.4. Устранение образования усадочной раковины конструкцией отливки Рис.3.4. 1- усадочная раковина; 2- ребра жесткости При лобовом сопряжении двух стенок разной толщины, лежащих в одной плоскости, отношение толщин стенок не должно превышать 4:1. В деталях, имеющих отношение толщин стенок Н/Н≤ 2, радиус закругления R = 0,3-0,4h. Если на деталь действуют ударные нагрузки, то при H/>2 переходы выполняют в виде клинового или ступенчатого сопряжения, а участок перехода . Могут быть ии другие варианты сопряжений. При L – образном (угловом сопряжении стенок) радиусы закругления определяют по толщинам сопрягаемых стенок. В Т – образных (тавровых) сопряжениях стенок возможно образование усадочных раковин и трещин при наличии острых углов и большой разнице в толщинах сопрягаемых стенок, а так же при очень больших радиусах закруглений. Для устранения перечисленных дефектов необходимо назначать радиусы сопряжений. При V – образных и вилкообразных сопряжениях не допускается угол α острым, такое сопряжение следует выполнять с определенным радиусом. К – образные и Т – образные сопряжения нашли применение в ребристых конструкциях. В этих сопряжениях необходимо рассредоточить большие скопления металла. Нецелесообразно применять Х – образное и крестообразное сопряжение в четырех стенках отливок. Взамен Х – образного сопряжения рекомендуется применять Н – образное сопряжение. Крестообразное сопряжение можно применять только в исключительных случаях, при этом необходимо предусматривать отверстие 1, образуемое стержнем. Литейные радиусы Правильный выбор радиусов закруглений (галтелей) в местах переходов от одних сечений к другим в значительной степени определяет качество литой детали. Практика показывает, что слишком малая величина радиусов закруглений в узловых сопряжениях ведет к возникновению трещин, чрезмерная величина – к появлению усадочной рыхлоты. Неправильное назначение радиусов закруглений может привести также к аварии различных машин во время эксплуатации. Исследованиями и практикой работы доказано, что для литых деталей оптимальная величина радиусов закруглений, обеспечивающая получение наиболее плотного металла в узле, зависит в основном от толщины стенок. Закругления необходимо производить из одного центра как для внутреннего, так и для наружного радиусов, если сопрягаемые стенки одинаковой толщины, при этом При сопряжении стенок разной толщины R=a+b. Для отливок из серого чугуна рекомендуется следующие радиусы закруглений: 1, 2, 3, 5, 8, 10, 15, 20, 25, 30, 40 мм, при этом радиусы выбирают в пределах 1/3 – 1/5 среднего арифметического от толщины сопрягаемых стенок. Использование принципов направленного и одновременного затвердевания Направленное затвердевание обеспечивает получение отливок плотных без усадочных раковин и пористости. Целесообразно предусматривать направленное затвердевание в том случае, когда к отливке предъявляются повышенные требования в отношении плотности и герметичности (толстостенные чугунные и стальные отливки, отливки из алюминиевых сплавов, литые детали, работающие под давлением). Кристаллизация металла в этом случае происходит снизу вверх, начиная от тонких сечений отливки, расположенных в нижней части формы к более массивным сечениям, расположенных в нижней части формы к более массивным сечениям, располагающимся в верхней части формы. При таком расположении каждая вышерасположенная часть отливки будет питаться жидким сплавом нижней части, являясь для них как бы прибылью. Направленное затвердевание можно обеспечить за счет конструкции литейной формы и самой отливки. В первом случае применяют внутренние или наружные холодильники, экзотермические смеси и прибыли. Во втором случае в конструкции детали должны быть выполнены следующие условия. Толстые стенки или местные скопления металла в отливках следует подтягивать до верхних по заливке поверхностей, на которых устанавливают прибыли. Правильность конструкции в этом случае проверяют методом вписанных окружностей, при котором окружность, вписанная в любое сечение детали, должна свободно проходить по любым вышележащих сечениям в направлении кристаллизации. В зависимости от конфигураций детали, соотношения диаметров двух рядом лежащих окружностей рекомендуется принимать от 1:1,1 до 1:1,5. Принцип одновременного затвердевания при охлаждении рекомендуется применять для мелких и средних тонкостенных чугунных отливок из бронзы с небольшой усадкой. Этот принцип применяется в том случае, когда к литой детали не предъявляют высоких требований в отношении плотности и прочности. При изготовлении таких отливок обычно ограничиваются проверкой плотности гидравлическим испытанием при значительных запасах прочности; характер распределения напряжений должен допускать наличие центральной пористости. Ребра жесткости При конструировании литых деталей для увеличения их общей жесткости и прочности, усиления особо нагруженных мест или выступающих частей, а иногда по технологическим соображениям рекомендуется предусматривать ребра жесткости. Они позволяют уменьшить сечения отдельных элементов детали, снизить внутренние напряжения в местах сопряжения стенок различного сечения, а так же способствует предотвращению коробления и брака по трещинам. В зависимости от назначения в отливках ребра подразделяются на следующие виды: - усиливающие ребра (увеличивают прочность отливки в определенных сечениях, уменьшают напряжения); - разводящие ребра (воспринимают сосредоточенные нагрузки и переносят их рассредоточено на тонкие стенки отливки); - ребра жесткости (усиливают жесткость слабых элементов отливки); - ребра конструктивные (являются элементами конституции и имеют определенное назначение, например, охлаждающие или направляющие ребра); - ребра технологические (применяют в зависимости от технологического процесса изготовления литой детали; к ним относят усадочные ребра, ребра, предохраняющие отливку от деформации в период охлаждения, которые затем удаляются). При конструировании отливок с ребрами следует пользоваться следующими рекомендациями: 1. Толщина наружных ребер жесткости не должна превышать 0,8 толщины сопрягаемой стенки. Внутренние ребра ввиду более медленного охлаждения сплава берут 0,6 – 0,7 толщины сопрягаемой стенки. Высота ребер не должна превышать пятикратной толщины стенки отливки. 2. Ребрам жесткости следует предавать криволинейную форму во избежание образования трещин в месте стыка их с основными стенками отливки, а в основании ребра предусматривать отверстие для устранения усадочной раковины в узле сопряжения стенки отливки и ребра. 3. Ребра жесткости следует располагать на прямых участках элементов литой детали, не допуская сопряжения ребер в изгибах стенок. 4. Иногда вместо ребер применяют двойные стенки в отливке. Бобышки, платики, приливы Литую деталь желательно конструировать с минимальным количеством бобышек, платиков, приливов, буртов, так как, образуя узлы сосредоточения металла, они часто являются причиной возникновения усадочных раковин и рыхлот (особенно при отливке деталей из сплавов с большой объемной усадкой), иногда требуют применения отъемных частей модели или стержней. При конструировании наружных приливов необходимо учитывать следующие рекомендации. 1.Приливы целесообразно располагать, так чтобы поверхность разъемов формы проходило по приливам или поверхностям, которым они подлиты. При этом условии модель свободно извлекается из формы без применения отъемных частей или стержней. При большом количестве разрозненных платиков, бобышек одинаковых или разных по конфигурации их следует объединить в один платик или одну бобышку, чтобы избежать глухие впадины. 2. Механически обрабатываемые поверхности бобышек и приливов рекомендуется располагать на одном уровне, что обеспечивает возможность обработки детали на проход. 3. Бобышки, подлежащие сверлению, следует выполнять по возможности односторонними, а не двухсторонними, во избежание возможного их смещения во время отливки. 4. Высоту h односторонних бобышек и двухсторонних бобышек и приливов следует принимать не более 0,7H; другие размеры берут: =0,4Д но не меньше 8 мм, α= 30-45°, =0,25Н. Втулки и фланцы При проектировании втулок с фланцами следует выравнивать сечение за счет введения ребра жесткости или выполнение кольцевой канавки. Не соблюдение указанных условий приводит к образованию усадочной раковины в местах сочленения втулки с фланцами. Втулки с фланцами могут быть с необрабатываемым отверстием и с нижним расположением фланца, с необрабатываемым отверстием и симметрично расположенными фланцами, с обрабатываемым отверстием и не симметрично расположенными фланцами или ребрами. Во всех случаях ; , а диаметр вписанной окружности в узел отливки составляет в первом случае Д≤ 1,4Н, во втором Д=1,25Н, третьем Д=0,25Н. Размеры Н, , и выбирают конструктивно. Фланцевым соединениям рекомендуется придавать геометрическую форму окружности; недопустима форма прямоугольника. При конструировании фланцев с толщиной стенки резко отличающейся от толщины основного тела отливки следует предусматривать плавный переход конусностью 1:5. Выбор толщины стенок отливок Толщина стенок литых деталей выбирается в зависимости от механических и технологических свойств сплавов, конфигурации и габаритных размеров отливки и назначения стенки. Правильно выбранная толщина стенок обеспечивает не только необходимую жесткость, герметичность и другие требуемые служебные свойства изделий, но и является одним из важнейших условий получения годных отливок с высоким коэффициентом использования металла. Наименьшую толщину стенок при литье в песчаные формы определяют по графикам в зависимости от приведенного габарита детали , который вычисляют по формуле: где , b, h – соответственно длина, ширина и высота отливки в м. Наименьшие толщины стенок литых деталей из различных сплавов, получаемых в песчаных формах, в зависимости от величины жидкотекучести, приведены в таблице. Наименьшие толщины стенок отливок при литье в песчаные формы Материал Величина отливки Наименьшая толщина стенок в мм Сталь Мелкие Средние Крупные От 8 до 20 Чугун серый и с шаровидным графитом От 3 до 20 Чугун ковкий От 2,5 до 7 Бронза оловянная От 3 до 8 Специальные бронзы и латуни От ≥6 до ≤8 Алюминиевые сплавы От 3 до 8 Магниевые сплавы От 4 до 6 Цинковые сплавы 3 Для металлоемких неответственных деталей (грузов, балансиров, опорных плит и др.) толщины стенок не лимитируют. Толщина внутренних стенок должна быть меньше толщины наружных на 10 – 20 %. Если по конструктивным соображениям отдельные стенки детали должны быть на 20 – 30% тоньше технологически допустимых, то в этом случая рекомендуется вести механическую обработку утоненных стенок или прилить к ним частую стенку низких, но широких ребер, создающих местные утолщения и способствующих лучшему заполнению стенок жидким металлом. Следует отметить, что прочность отливки следует повышать не за счет увеличения толщины стенок, а приданием стенкам коробчатого U-образного или ребристого профиля, что упрощает литейную технологию и снижает себестоимость отливки. Внутренние полости отливки Внутренние полости литых деталей следует конструировать так, чтобы избежать применения стержней, которые усложняют и удорожают процесс изготовления формы. По возможности стержни желательно заменять выступающими частями формы - болванами. Такая замена при машинной формовке возможна для полостей, образуемых в нижней полуформе при Н ≤ Д, а для полостей, расположенных в верхней полуформе при h= 0,3. Необходимо соблюдать отношение Н и h < n. При ручной формовке принимают Н ≤ 0,5Д и h ≤0,15. Такое соотношение не позволяет выступать болванам за полость размера формы и они не разрушаются во время сборки и заливки формы. Для устранения трудоемкости изготовления (устранения стержней) внутренние полости необходимо выполнять открытыми, без поднутрений. Если без применения стержней обойтись не возможно, то при конструировании литой детали следует руководствоваться следующими правилами: 1. Внутренние полости должны иметь окна для стержневых знаков с размерами достаточными для свободного вывода газов из стержня и надежного крепления стержней на знаках, без применения жеребеек, так как последние часто не расплавляются, что снижает прочность и герметичность отливки. Наличие стержневых знаков облегчает сборку и обеспечивает более точное соблюдение геометрических размеров литой детали. 2. Очертание внутренних полостей проектирует так, чтобы хотя бы одна сторона стержня была плоской для удобства машинного изготовления, сушки и транспортировки. 3. При значительном числе полостей, образуемых в отливке стержнями, следует стремиться к их унификации. 4. При длине, превышающей удвоенный его диаметр, форма полости должна предусматривать возможность крепления стержня в обоих концах. Размеры полостей и диаметры отверстий, образуемых стержнями, должны позволять применять литые или проволочные каркасы для упрочнения стержней. Конструкция отливки должна позволять свободно удалять из внутренних полостей стержневую смесь и каркасы. В закрытых внутренних полостях для этого предусматривают специальные окна; после отчистки эти окна заделывают заглушками. В стенках литых деталей для снижения усадочных напряжений следует предусматривать конструктивные отверстия – окна овальной или круглой формы. Такие окна особенно необходимы в литых деталях со стенками значительной протяженности. Наибольший размер окна овальной формы должен совпадать с направлением действия внутренних сил. Размеры окон должны быть максимальными, допускаемыми расчету стенки детали на прочность. Кромки литых окон упрочняют отбортовкой, которая предотвращает возникновение горячих и холодных трещин. Кроме конструктивных отверстий, в литых деталях часто выполняют технологические отверстия, предназначенные для того, чтобы обеспечить свободный выход газов из стержней, которые оформляют внутреннюю полость. Эти отверстия должны быть расположены так, чтобы стержни удерживались в форме на своих знаках и не изменяли своего положения от действия собственного веса или жидкого металла. Минимальный диаметр литых отверстий – окон в стальных деталях определяют по формуле: Минимальный размер стороны квадратного отверстия где Н – толщина стенки в мм; – расстояние от края отливки до отверстия в мм. Минимальный диаметр сквозных литых отверстий составляет для серого чугуна 8 мм, для стали 25 мм. Конструктивные и формовочные уклоны Конструирование литой детали требует предусматривать беспрепятственное удаление модели из формы и стержня из стержневого ящика. Для этого стенки деталей, перпендикулярные к полости разъема модели или формы, выполняют с уклоном, называемым конструктивным. Правильный выбор величины и направление конструктивных уклонов позволяет установить наиболее рациональную толщину стенок отливки, обеспечивающую минимальный расход материала. Если конструктивные уклоны на чертеже детали не указаны, то уклоны назначают на чертеже отливки. Подобные уклоны называются формовочными и выполняются в соответствии с ГОСТом 3212-80. Величина уклонов зависит от высоты стенки модели и достигает максимального значения у деревянных моделей 3°, металлических 1,5°. Формовочные уклоны назначаются сверхприпусков на механическую обработку и увеличивают толщину стенки отливки, на необработанных поверхностях могут уменьшать толщину стенки отливки. Поэтому отдельные поверхности могут искажаться как показано на рис.3.5. Деталь (рис.3.5а) имеет обрабатываемые поверхности (полукруг с радиусом R) и необрабатываемые. Чертеж был выполнен без конструктивного уклона. При разработке чертежа отливки технологом – литейщиком был дан формовочный уклон. Так как размер «К» оказался небольшим, при выполнении формовочного уклона необрабатываемая поверхность «ав» перекрыло обрабатываемую «cd» . В результате вместо выступающего по чертежу полукольца после обработки получилось углубленная поверхность (рис.3.5 б), которая привела к искажению формы детали. Поэтому целесообразно на чертеже литой детали указывать конструктивные уклоны. Формовочный уклон на вертикальной стенке отливки Возможные варианты расположения полей допусков для размеров отливки. номинальный размер детали; номинальный размер отливки; номинальный размер отливки; номинальный размер отливки; ; Z – припуск на механическую обработку (средний) Допуски размеров, предельные отклонения смещения и коробления, допуски массы отливки Рекомендуется следующее расположение полей допусков для размеров элементов разливки. 1. Одностороннее – « в тело» для элементом отливки, расположенных в одной части формы и не подвергаемых механической обработке (рис.3.6 а,б); при этом для охватывающих элементов типа «отверстие» - «в плюс», а для охватываемых типа « вал» - « в минус». 2. Симметричное – для всех остальных размеров отливок, не подвергаемых и подвергаемых механической обработке (рис.3.6 в). Предъявляемые к отливке требования по точности размеров зависят от ее функционального назначения, т.е., от условий, в которых литая деталь и ее отдельные элементы будут эксплуатироваться, а так же от наибольшего габаритного размера и технологии ее изготовления. В одной и той же отливке точность отдельных ее элементов не одинакова, так как зависит от условий формирования этих элементов в форме, причем установлена три вида размеров: ВР-1 размеры элементов отливки, образованы одной частью формы или одним стержнем (рис.3.7. а – размеры рис.3.7. б – размер на 1-2 класса точнее); ВР-2 размеры элементов отливки, образованные двумя полуформами, а так же перпендикулярные плоскости разъема (рис.3.7 а – размеры рис 3.7 б – размер Н, соответствуют классу точности размеров отливки). ВР-3 – размеры элементов отливки, образованы тремя и более частями форм, несколькими стержнями или подвижными элементами формы а так же толщины стенок, ребер, фланцев (рис.3.7. а – размеры рис 3.7 б – размеры на 1-2 класса грубее). Рис.3.7. а- со стержнем; б- с болваном Назначение дополнительных приливов для баз Рис.3.8. - технологический прилив Точность размеров конкретной отливки зависит от ее сложности, наибольшего габаритного размера, вида размера, и условий производства. Точность размеров отливки указывает непосредственно у каждого размера или общей надписью. В первом случае точность размеров обозначают условно классом точности или цифровыми значениями предельных отклонений, соответствующих данному классу; при этом правило нанесения условных обозначений или предельных отклонений должны соответствовать ЕСКД. Во втором случае точность размеров отливки указывают общей надписью на чертеже, например точность отливки 8-7-5-4 ГОСТ Р53464-2009, что означает точность отливки 8-го класса точности размеров, 7-го класса точности массы, 5-й степени коробления и 4-го ряда припуска на механическую обработку. Допускается в технических требованиях чертежа детали не указывать: степень коробления и ряд припусков на механическую обработку. Величина допуска массы зависит от номинальной массы отливки и класса точности массы отливки. Классы точности масс следует принимать соответствующими классам точности отливок. Базовые поверхности отливки Для определения расположения поверхностей деталей пользуются базовыми поверхностями (базами). В качестве базовых плоскостей принимают не обрабатываемые (черновые базы) или обрабатываемые (чистовые базы) поверхности. Базы могут быть конструкционными и технологическими. Литейные базы и базы механической обработки относят к технологическим. Литейными базами служат необрабатываемые поверхности или их оси. От этих поверхностей проставляют размеры до всех необрабатываемых и до базовых обрабатываемых (чистовых баз поверхностей). В деталях простой конфигурации базами могут быть различные опорные поверхности и плоскости разъема (исключая плоскость разъема форм) в более сложных, корпусных деталях, литейными базами могут служить оси цилиндрических поверхностей. При выборе литейных баз исходят из следующих рекомендаций: - размеры литейной базовой поверхности должны быть меньшими, тогда коробление ее будет минимальным, следовательно, допуск на базовый размер будет меньше; - точность сборки литейной формы не должна влиять на точность положения литейной базы; - литейные базовые поверхности должны образовываться одной половиной литейной формы, чтобы исключить влияние перекоса половин; Для выполнения всех операций изготовление детали (до сборки изделия) стремятся пользоваться одной и той же базой; этим достигают небольшую точность изготовления изделия. При невозможности назначение общей базы для литья и механической обработки для последней назначают свою базу. При этом литую базу связывают по каждой оси координате базой механической обработки; расстояние между этими базами должно быть минимальным. При выборе баз механической обработки следует руководствоваться следующими соображениями: - базовая поверхность должна обеспечивать удобную установку на станок и съем со станка; - протяженность базовой поверхности должна быть достаточной для обеспечения устойчивого положения детали в процессе обработки; -деформация детали под действием усилия резания, зажимы и собственного веса должна быть минимальной; - время на установку и обработку детали должно быть возможно меньшим; - черновые (необрабатываемые) поверхности следует использовать только на первых операциях с целью получения чистовых (обрабатываемых) баз; - черновыми базами назначают необрабатываемые поверхности, которые должны правильно располагаться относительно обрабатываемых поверхностей; - если все поверхности детали подвергают механической обработке, то в качестве черновой базы следует выбирать поверхность с наименьшим припуском; - соблюдать принцип постоянства баз на различных операциях, если это возможно по условию обработки делали; - наибольшую точность обработки детали достигают в том случае, когда весь процесс обработки ведут от одной базы с одной установкой, так как каждая новая установка вносит ошибку во взаимное расположение осей поверхностей. После определения литейных баз с ними связывают размерами все необрабатываемые поверхности, не допуская при этом простановки размеров цепочкой. По каждой оси координат литейные базы связываются с базами механической обработки так, чтобы на чертеже литейные детали их было не более 3. Проставлять два и более размера между необрабатываемой и обрабатываемой поверхностями в направлении одной и той же координатой оси не рекомендуется, так как все они, кроме одного, проставленного от литейной базы, являются замыкающими размерной цепи и их допуски будут суммироваться. Если в конфигурации детали отсутствуют плоскости, удовлетворяющие условиям выбора баз, следует делать специальные технологические приливы (рис.3.8) поверхность которого принимают за базу. По окончании механической обработки технологический прилив срезают. Литниковая система и принципы ее конструирования Существенное влияние на качество отливок оказывает литниковая система (служебные каналы для заливки жидкого сплава в полость литейной формы). Наиболее распространенная литниковая система для отливок из серого чугуна, стали и цветных сплавов включает литниковую чашу 1, стояк 2, шлакоулавитель 3, питатели 4 (рис 3.9.). Эта система обеспечивает спокойное заполнение формы сплавом, устраняет опасность размыва стенок и образование засоров, но затрудняет направленную кристаллизацию. Литниковая система для отливок из ковкого и высокопрочного чугуна имеет боковые прибыли для компенсации усадки и дроссели для регулирования скорости заливки. Типы литниковых систем Рис.3.9. К расчету напора Нр при подводе металла по разъему формы Рис 3.10. Ярусная литниковая система (рис.3.9 б) применяется для крупных массивных отливок с протяженными стенками в вертикальном направлении и обеспечивает лучшее заполнение формы. Вертикально-щелевая литниковая система (рис.3.9. в) применяется для отливок из цветных металлов. Расчет литниковой системы начинают с определения площади наименьшего поперечного сечения (питатели) по формуле: где m – масса металла прошедшего через наименьшее сечение; τ – продолжительность заливки; ρ – плотность жидкость сплава; μ – коэффициент расхода литниковой системы, учитывающий потери на трение, повороты; g – ускорение силы тяжести; – средний гидростатический напор. Продолжительность заливки равна где 𝒻 – коэффициент, зависящий от толщины стенки и конфигурации отливки: для чугуна 1,7-2,0; стали 0,91-1,7; медных 2,0-2,1; алюминиевых 1,7-3,0; магниевых сплавов 2,3-4,5; δ – толщина стенки отливки. Средний гидростатический напор зависит от способа заливки, положения отливки в форме и др. факторов, определяется по формуле: где – первоначальный напор; Р – расстояние от самой верхней точки отливки до уровня подвода сплава в форму; С – высота отливки (по положению при заливку). Величины Р; С определяются по чертежу формы в сборе (рис.3.10) с учетом масштаба. Для определения площади поперечного сечения остальных элементов литниковой системы пользуются соотношением площадей питателя, шлакоуловителя и стояка: 1,0; 1; 2:1,4 (для стали); 1,0: 1,1: 1,5 ( для чугуна); 1,0:1,2:4,0 (для алюминиевых); 1,0:3,0:6,0 (для магниевых); 1,0:2,0:2,0 (для медных сплавов). Для компенсации усадочных раковин в местах скопления металла применяют прибыли, а для удаления газов из формулы устанавливают выпор на самой высокой части отливки. 3.3. Способы производства литых заготовок и их технологические характеристики. Отливка в зависимости от способа литья может быть либо вполне законченной деталью, либо заготовкой, которая превращается в окончательную деталь с помощью последующей механической обработки. Различают два вида литья: а) в разовые формы [ручная формовка с верхом, по шаблону, в крупных опоках, в съемных опоках со стержнями из быстротвердеющей смеси, в почве с верхней опокой с облицовочным слоем из быстротвердеющей смеси, в стержнях, в почве открытая, в мелких средних опоках; машинная формовка: в крупных опоках, мелких и средних опоках, безопочная; литье в оболочковые формы: песчано-смоляные, химические твердеющие тонкостенные (10-20 мм), химически твердеющие толстостенные (толщиной 50-150) , жидкостекольные оболочковые; литье по выплавляемым моделям; литье по растворяемым моделям, литье в замораживаемые формы, литье по газофицируемым моделям]. Этим видом получают отливки практически из всех сплавов массой от нескольких грамм до 200 т и выше. Область применения самая широкая для отливок простой и сложной конфигурации. б) в постоянные формы [песчано- цементные, кирпичные, шамотно-кварцевые, глинистые, графитовые, металлокерамические и керамические, литье в кокиль, литье под давлением, центробежное литье, с кристаллизацией под поршневым давлением, литье выжиманием, вакуумным всасыванием, направленной кристаллизацией, литье под низким давлением, непрерывное литье]. Применяется этот вид литья для получения отливок с толстыми и тонкими стенками из разных сплавов. 3.3.1. Заготовки, получаемые литьем в песчаные формы Литьем в песчаные формы получают до 80% отливок по массе. Это объясняется универсальностью метода применительно к литейным материалам, а также к массе и габаритам отливок. Для изготовления формы необходима модельно-опочная оснастка и формовочные материалы. Модельно-опочная оснастка состоит из модели, стержневых ящиков, сушильных плит, кондукторов, шаблонов и опок. Для единичного и мелкосерийного производства отливок наибольшее распространение получили деревянные модели и стержневые ящики; в отдельных случаях применяются гипсовые, цементные и пластмассовые модели. Для серийного, крупносерийного и массового производства применяются чугунные, стальные, алюминиевые, бронзовые или латунные модели и стержневые ящики. Опоки по ГОСТ 2133-75 подразделяются на цельнолитые, сварные и свертные; по конфигурации- прямоугольные, фасонные и круглые; по массе – ручные, комбинированные с ручным и крановым подъемом, крановые. Формовочные и стержневые материалы подразделяются на основные пески и глины, вспомогательные – связующие, противопригарные (каменный уголь, припылы, краски, натирки), клей замазки и др. Свойства этих материалов оказывают решающее влияние на качество отливок. Формовочные пески по ГОСТ 2138-84 делятся на кварцевые и глинистые 1K025A и П063Б, глины должны соответствовать ГОСТу 3226-77. Например, глина КШ/2Т расшифровывается – каолинитовая формовочная глина Ш сорта, средне связующая, в высушенном состоянии со средней термохимической устойчивостью. Связующие материалы подразделяются на три класса: Класс А – органические неводные материалы не растворяются в воде, не смешиваются с ней и не смачиваются (масла, олифы, пеки, битумы, канифоль). Класс Б – органические водные объединяет растворяющиеся в воде связующие, после чего они приобретают способность связывать песок (декстрин, сульфитно-спиртовые барда и бражка). Класс В – неорганические водные – (формовочная глина, цемент, жидкое стекло), которые также, как и связующие материалы класса Б, оказывают свое действие только после добавления к ним воды. К противопригарным другим вспомогательным материалам относятся: Каменный уголь молотый (содержащий не менее 30% летучих, золы – не более 11%, и серы не более 4%), вводят в формовочную смесь при производстве чугунных отливок; пылевидный кварц (КП1: КП2: КП3); хромистый железняк (продукт помола хромитовой руды ; хромомагнезит (продукт обжига хромистого железняка 30-70% и металлургического магнезита; циркон (минерал, полученный в результате обогащения титаноцирконовых руд ); графит (горная порода с высоким содержанием углерода, 3500°С); припылы, краски, натирочные пасты, замазки, клей. Способы формовки В зависимости от вида производства применяют разные способы формовки. В условиях единичного производства изготовляют формы вручную, причем ее классифицируют в зависимости от материала формы и состояния перед заливкой (формовка в песчано-глинистой смеси, формовка в сырую или сухую), применяемой модельной оснастки (формовка по цельной или разъемной модели, по шаблону, скелетной модели и т.п.), применяемых опок (формовка в почве в открытую и под опокой, формовка в двух и нескольких опоках). Основные операции при ручной формовки: 1. Подготовка модели. Проверяют состояние модели, очищают ее от пыли и протирают ветошью, слегка смоченной в керосине. 2. Установка модели отливки и модели элементов литниковой системы на подмодельную плиту. 3. Засеивание модели слоем облицовочной формовочной смеси; при высоких моделях производиться обкладка формовочной смесью модели и установка опоки. 4. Крепление отдельных выступающих частей формы железными проволочными крючками, смоченными в жидкой глине. Крючки устанавливаются после засевания модели облицовочной смесью. 5. Уплотнение формовочной смеси отдельными слоями толщиной на 100-120 мм ручной или пневматической клиновидной трамбовкой равномерно до необходимой плотности, без местных слабин или переуплотнений. Верхний слой уплотняется трамбовкой. Степень уплотнения форм проверяется твердомером и зависит от размеров отливки и особенно от ее высоты. 6. Вентилирование формы с целью повышения ее газопроницаемости. Вентиляционные каналы должны быть на расстоянии 10-25 мм от поверхности модели во избежание заполнения их жидким металлом и порчи модели. Все каналы должны выходить наружу формы или на поверхность ее разъема. При формовке в почве наколы делаются до слоя гари, заложенной в постель, которая соединяется с атмосферой газоотводными трубами. 7. Разъем формы, излечения модели и отделка формы. После набивки и накола вентиляционных каналов форма разнимается. При расположении модели в верхней полуформе ее необходимо прикрепить к опоке при помощи крючка или подъема; крупные тяжелые модели прикрепляются к опоке болтами. Перед извлечением модели формовочная смесь вокруг модели смачивается водой, а для увеличения прочности углы формы прошпиливаются. Наиболее тщательно следует прошпиливать участки у питателей, углы и выступы. Головки шпилек необходимо углубить, а затем прогладить поверхность формы. После этого ударами молотка по врезанной в модель металлической планки модель расталкивается и удаляется из полуформы. Поврежденные участки формы смачивают жидким раствором глины, восстанавливают формовочной смесью и прошпиливают формовочными шпильками. 8. Припыливание или окрашивание поверхности формы для увеличения ее противопригарности. Формы в сырую припыливают из мешочка древесным углем, графитом или цементом. После припыливания графитом поверхность формы следует прогладить, а затем слегка сдуть избыток припыла. Жидкие противопригарные составы распыляются по поверхности форм пульверизатором. Формы в сухую окрашивают формовочной краской один или два раза. 9. Спаривание полуформ, установка литниковых чаш и надставок для выпоров и прибылей, скрепление формы хомутами и нагрузка балластом. Повышение точности отливок, получаемых методом литья в разовые песчано-глинистые формы, может быть достигнуто за счет применения мелкозернистых песков, автоматизации процесса изготовления литейных форм и стержней, новых методов изготовления форм и перевод отливок на получение специальными методами литья. Чертеж отливки и технические требования на ее изготовление Чертеж отливки с технологическими требованиями, оформляемый после окончательного выбора и уточнения технологического процесса изготовления отливки и детали, должен содержать все данные, необходимые для изготовления, контроля и приемки отливки. В массовом производстве на чертеже отливки в соответствии с ГОСТ 2.423-73 указываются размеры отливки с соответствующими допусками, припуски на механическую обработку, черновая (установочная) базовая поверхность, поверхность разъема формы, место маркировки и технические требования. Тонкими линиями наносятся контур изготовляемой детали (рис. 3.11). В технических требованиях, расположенных над штампом чертежа или на отдельном листе в виде приложения к чертежу указываются: 1. Допускаемые отклонения по размеру и массе отливки. 2. Величины не указанных на чертеже радиусов закруглений. 3. Допуски на смещение опок по линии разъема формы. 4. Неуказанные формовочные уклоны. 5. При термической обработки указываются требуемые пределы твердости и места замера ее. 6. Данные (или ссылки на общие технические условия) о виде, количестве, размерах и местах расположения литейных дефектов (раковин, трещин, спаев и др.), допускаемых на отливках без устранения, а так же о дефектах, допускаемых к устранению и способы их устранения. 7. Место маркировки детали, характер ее (углубленная или выпуклая), а так же шрифт и текст. 3.3.2. Литье в металлические формы (кокили). Сущность процесса литья в кокиль заключается в том, что жидкий сплав заливают в металлическую прогретую форму под действием силы тяжести. Производство отливок указанным методом требует учета особенностей технологии литья, заключающихся в следующем: высокая скорость кристаллизации и охлаждение отливки (в 3-10 раз выше, чем при литье в песчано-глинистые формы) позволяет получать мелкозернистую структуру сплава с повышенными физико-механическими свойствами. Однако в разностенных отливках может получаться разная структура с неравномерными по сечению стенки механическими свойствами, а в отливках из сырого чугуна выделяться структура цементита; Рис 3.11. Эскиз отливки Технические требования: 1. Точность отливки 7-7-3-4 ГОСТ Р53464-2009. 2. Неуказанные литейные радиусы 2÷4 мм. 3. Неуказанные формовочные уклоны: наружные - 1°, внутренние - 2° ГОСТ 3212-80. 4. На обрабатываемых поверхностях допускаются без исправления литейные дефекты, глубиной не более 2/3 припуска на механическую обработку. 5. на необрабатываемых поверхностях допускаются следы от зачистки мест подвода питателей и заливов по линии разъема формы. Зачищенные места не должны выступать над поверхностью отливки более 1 мм. 6. Материал СЧ20. 7. Масса 3,2 кг. интенсивный отвод тепла понижает жидкотекучесть сплава, поэтому толщина стенки отливки должна быть больше, чем при литье в песчано-глинистой форме. Минимальная толщина стенок отливки при литье в кокиль составляет: алюминиевые и магниевые сплавы 3-4 мм, чугуны – 6 мм, стали – 8-10 мм. Этим методом нецелесообразно получать отливки из сплавов с пониженной жидкотекучестью; данный метод литья дает широкие возможности для управления тепловым режимом кристаллизации и охлаждения отливки за счет охлаждения кокиля водой или нанесение облицовочного слоя, огнеупорного покрытия; В кокилях трудно изготовлять фасонные стальные отливки, так как с повышением интенсивности теплообмена между отливкой и кокилем увеличивается вероятность образования трещин в стали, а так же вследствие низкой стойкости кокилей (200-300 заливок). Центральным вопросом конструирования кокилей является выбор толщины и материала из рабочих стенок. А.И.Вейник рекомендует для расчетов толщин стенок плоских кокилей формулу ; где k- коэффициент = 0,9-1; А = . = ; = [. - половина толщины стенки плоской отливки; С – удельная теплоемкость (индекс «1» относиться к отливке, «2» - к кокилю; штрих сверху – к жидкому состоянию); ρ- плотность; r – теплота затвердевания; ; – температура заливки и кристаллизации; λ – коэффициент теплопроводности; – толщина слоя краски (покрытия). Материалы для рабочих стенок кокиля Материал: Основное назначение Cr 18, Cr 21 Кокили для мелких и средних отливок с воздушным либо водовоздушным охлаждением, а так же в двухслойном исполнении. Br 40, Br 45 Кокили для средних и крупных отливок: с воздушным либо водовоздушным охлаждением, а так же в двухслойном исполнении. Сталь 15Л, 20Л Кокили с жидкостным охлаждением, вкладыши двухслойных кокилей. АЛ 9, АЛ11 Водоохлождаемые кокили с анодированной поверхностью, кокили с естественным охлаждением и анодированной поверхностью (в основном для мелких отливок). Медь и ее сплавы легированные стали сплавы с особыми свойствами Вставки в места интенсивного термогидродинамического износа, металлические стержни. По степени механизации различают ручные кокили, механизированные кокильные станки, однопозиционные кокильные машины; многопозиционные карусельные машины и конвейеры. Жидкий сплав в кокиль подводиться различными способами: 1) сверху через прибыль, колектор или выпор; 2) снизу через стояк (сифонный подвод); 3) сбоку через щелевой питатель; 4) комбинированно. Кокиль перед заливкой чугуна нагревают до 200-400℃, стали до 150-300℃, алюминиевых сплавов до 200-400℃ и магниевых до 250-350℃. Нижний температурный предел указан для толстостенных отливок, а верхний для тонкостенных. При сильном разогреве кокиля увеличивается продолжительность затвердевания отливок, что способствует образованию усадочных раковин в массивных узлах, уменьшается срок их службы, на рабочих поверхностях кокиля образуются мелкие трещины – разгар. Для регулирования процесса затвердевание отливки и повышение стойкости кокиля применяют воздушное, водяное и комбинированное охлаждение. На режим охлаждения влияет толщина стенки кокиля, которая в 1,5-2 раза больше толщины стенки отливки. Для ускорения отвода теплоты от отдельных массивных узлов иногда используют ставки из меди. Для обеспечения требуемого качества деталей, уменьшение износа и повреждение кокилей, создание лучших условий для заполнения формы и извлечения из нее отливок конструкции деталей, отливаемых в металлические формы, должна удовлетворять ряду специфических для этого вида литься требований. 1. Отливки должны иметь простую форму, без выступов, острых углов, поднутрений, чтобы легко было извлекать их из формы. Разъем формы должен быть плоским, конусность стенок кокиля выбирают в пределах 0,5-1°, металлических стержней – 1,5-3°, внутренние полости отливки следует выполнять минимальным количеством стержней. Отливка не должна иметь резких переходов от стенок одной толщины к стенкам другой толщины. 2. В случае наличия ребер, бобышек и иных выступов на отливке следует располагать их перпендикулярно плоскости разъема формы, что устраняет применение дополнительных стержней или отъемных частей. Отливкам, изготовляемым из сплавов с большой усадкой, следует придавать изогнутую форму или применять ребра жесткости. 3. В отливках следует избегать глубоких отверстий малого диаметра. Для упрощения работ по проектированию кокилей Н.П.Дубинин все машиностроительные отливки делит на 7 групп по очертанию внешних контуров и на две подгруппы по массе. Минимальная физико-химическое взаимодействие материала отливки и формы способствует повышению качества поверхности отливки и полностью устраняет пригар. Глубина дефектного поверхностного слоя отливки достигает из чугуна 30 мкм, из стали 200 мкм, из цветных сплавов 100 мкм, шероховатость поверхности 80-160 мкм, точность изготовления отливки 4-12 классы по ГОСТ 26645-85, припуски на механическую обработку по 1-4 ряду. Литье в кокиль имеет более высокие технико-экономические показатели по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы при одинаковом уровне механизации. При средней стоимости кокилей с учетом механической обработки 200 руб/т и удельном расходе кокилей на тонну годных отливок 15 кг/т средние затраты на кокили составляют 3 руб/т или около 3% стоимости литья. Основная статья экономии при кокильном литье заключается в снижении расходов на формовочные материалы и изготовление формы. Как показывает практика, серийность при литье в кокиль должна составлять более 20 крупногабаритных отливов или более 400 мелких чугунных отливов в год, а при литье деталей из алюминиевых сплавов – 400-700 отливок в год. Поэтому литье в кокиль экономически целесообразно применять в условиях крупносерийного или массового производства относительно простых отливок из цветных и черных сплавов. Наибольшее распространение для литья в кокиль получили цветные сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, а следовательно более высокую стойкость форм. 3.3.3. Центробежное литье. Центробежное литье имеет специфические особенности, нехарактерные для других способов литья. 1. Охлаждение металла в форме происходит с двух сторон: с наружной – тепло отдается металлической форме и со свободной поверхности – тепло излучается в воздух. Поэтому охлажденные на свободной поверхности частицы металла имеют большую плотность и под действием центробежных сил устремляются в радикальном направлении к стенкам формы, а горячий металл вытесняется на свободную поверхность. Таким образом, при затвердевании металла во вращающейся форме в радикальном направлении непрерывно происходит конвекция. Свободная поверхность может быть до последнего момента оставаться жидкой и питать отливку, что приводит к направленному затвердеванию. 2. На любую частицу вращающегося металла действуют две силы гравитационная и центробежная где m – масса частицы; ω – угловая скорость вращения; r – расстояние частицы от оси вращения. Отношение =K называют гравитационным коэффициентом. К=30-50 и даже более 100. Если условно применить термин «тяжесть» к частице, находящейся под действием центробежной силы, то окажется, что эта частица металла становиться в десятки и сотни раз тяжелее в поле центробежных сил, чем в поле земного притяжения. Утяжеление частиц сплава является второй, самой характерной особенностью центробежного литься, способствующего получению плотных отливок. 3. При центробежном литье свободная поверхность затвердевает последней, благодаря чему включения беспрепятственно выносятся на внутреннюю свободную поверхность. Отливки получаются с меньшим количеством неметаллических включений. В настоящее время разработано несколько способов литья: а) заливка в металлическую форму; б) заливка в футерованную форму (сырую или сухую); в) заливка в разовую форму (центрифугирование). Два первых способа осуществляют на машинах с вертикальной или горизонтальной осью вращения, третий – только на машинах с вертикальной осью вращения. Указанные схемы имеют преимущества и недостатки, поэтому выбор технологических схем определяется с одной стороны, конструкцией отливки, а с другой – экономической целесообразностью. Наибольший технико-экономический эффект дает применение центробежного литься при крупносерийном и массовом производствах отливок типа тел вращения. Числу таких изделий относятся втулки, кольца подшипников, скольжения цилиндрических гильз, тракторные, автомобильные детали, железнодорожные и трамвайные бандажи, трубы различного назначения из чугуна, стали цветных сплавов. При центробежном литье массу и габаритные размеры отливок определяют в зависимости от конструкции машин. Качество поверхности отливок и точность их изготовления определяют видом применяемой формы: постоянной металлической или разовой. Материал металлических форм – чугун или сталь. Технологичность литых деталей зависит от типа формы. Если это постоянная металлическая форма, то необходимо соблюдать все требования, предъявляемые к отливкам, получаемых литьем в кокиль. Если это разовая форма, то требование конструкций детали определяются возможностями литья в песчано-глинистые или керамические формы. 3.3.4. Литье под давлением. Литьем под давлением можно получать отливки широкой номенклатуры: детали приборов, корпуса, платы, панели, шестерни, детали автомобилей, тракторов, самолетов, двигателей внутреннего сгорания, электрических машин, буравых установок массой от нескольких грамм до 40 кг (из алюминиевого сплава) с габаритными размерами до 1000 х 600 х 400 мм. Для производства отливок методом ЛПД применяют сплавы на основе олова и свинца, цинковые, алюминиевые, магниевые, медные сплавы (латуни типа ЛЦ16К4, ЛЦ40С, бронзы марки БрАЖ4Н4Л, БрА10ЖЗМЦ2), стали коррозионностойкие стали 10Х18Н9Т, 10Х18Н10Т, 10Х18Н12МЗТЛ, 12Х18Н9ТЛ, 12Х18Н12МЗТЛ, титановые сплавы ВТ9Л, ВТ5Л. Производство отливок из серого чугуна освоено в США фирмой General Electric и одной из японских фирм. Сплавы для литья под давлением должны обладать следующими свойствами: - узким интервалом кристаллизации, необходимым для получения отливок с равномерной плотностью; - достаточными прочностью и пластичностью при высоких температурах во избежание разрушения отливки при ее извлечении из формы; - высокой жидкотекучестью; - малой степенью привариваемости к материалу формы; - стабильностью химического состава при длительной выдержке в раздаточных печах. 3.3.4.1. Особенности конструирования отливок при ЛПД. При конструировании литой детали, получаемой методом ЛПД, необходимо в первую очередь установить, какие требования удовлетворяют условиям ее эксплуатации: прочность, качество поверхности, герметичность или эстетичность конфигурации. Технологичность конструкции должна учитывать серийность производства и возможность автоматизации процесса – в массовом производстве возможно получение отливок более сложной конфигурации, чем в серийном или мелкосерийном. Необходимо учитывать, что область применения литься под давлением ограничивается массой и размерами отливок. Общая конфигурация отливки должна обеспечивать беспрепятственное выталкивание ее из формы. Поскольку точность отливки зависит прежде всего от расположения ее в форме и количества разъемов, следует при конструировании стремиться к одной плоскости разъема. Отливка должна быть по возможности тонкостенной и равностенной, без массивных скоплений металла. Толщина стенки отливки определяется совокупностью конструктивных и технологических факторов. К конструктивным факторам относятся масса отливки, жесткость конструкции, требования по прочности и герметичности. Основные технологические факторы – возможность заполнения и передачи давления, тепловые и прочностные условия выталкивания горячей отливки из формы, необходимость использования высокопроизводительного, автоматического оборудования. Стенки отливок должны иметь толщину, минимально возможную по тепловым условиям заполнения и подпрессовки. В случае недостаточной жесткости или прочности отливку укрепляют технологическими ребрами, толщина которых не должна превышать 0,8-0,9 толщины стенки отливки. Соблюдение принципа равностенности и уменьшение общей толщины стенок позволяет получать мелкозернистую структуру по всему сечению отливки и уменьшить воздушно-газовую и усадочною пористость. Для этой же цели рекомендуется все отверстия в отливке выполнять в процессе литья. Минимальная толщина стенок в литых деталях, получаемых литьем под давлением, мм. Площадь поверхности отливки, см Сплавы цинковые магниевые алюминиевые медные стали До 25 0,8 1,3 1,0 1,5 3,0 От 25 до 100 1,0 1,8 1,5 2,0 100 225 1,5 2,5 2,0 3,0 225 400 2,0 3,0 2,5 3,5 400 1000 - 4,0 4,0 - Параметры литых отверстий и резьбы Сплав Минимальный диаметр, мм Максимальная глубина отверстия, выраженная в диаметрах, мм Конусность; не менее Минимальный шаг резьбы, мм Минимальный диаметр резьбы, мм глухого сквозного наружный внутренний наружный внутренний Цинковый 1,0 6,0 12,0 0°30 0,7 1,0 4,0 10,0 Магниевый 1,5 5,0 10,0 1°00 1,0 2,0 6,0 25,0 Алюминиевый 1,5 3,0 6,0 1°00 1,0 2,0 6,0 25,0 Медный 2,5 3,0 4,0 1°30 - - 8,0 - Получение литьем наружной резьбы в большинстве случаев не вызывает особых сложностей, а получение внутренней резьбы сопряжено с большими трудностями из-за обжатия резьбового стержня сплава. Поэтому целесообразно изготовление деталей с внутренней резьбовой только из сплавов с небольшой усадкой. При сочетании толстых и тонких стенок необходимо обеспечивать плавные переходы, причем соотношении толщин стенок на этих участках не должно превышать 1:2,5. Радиусы сопряжений для магниевых сплавов не менее половины толщины стенки, для остальных – 1/3-1/4 суммы толщин сопрягаемых элементов. Радиусы на кромках отливок делаются для алюминиевых сплавов не менее 0,5 мм, магниевых – 1,5 мм. Конструкция отливки должна предусматривать литейные уклоны или конусность на плоскостях, перпендикулярных к плоскости разъема. Уклоны и конусность выбирают в зависимости от марки материала, высоты и толщины стенки. Радиусы закруглений и уклоны для литья под давлением Сплав Радиусы закруглений, мм Уклоны, % от высоты стенки для поверхностей наружных внутренних Цинковый 1,0 0,3-0,5 0,5-1.0 Магниевый 1,0 0,5-.0 1,0-2,0 Алюминиевый 1,0 0,5-1.0 1,0-1.5 медный 1,6 0,5-1.0 1,0-2.0 Одним из основных преимуществ способа литья под давлением является возможность получения армированных отливок. Использование арматуры позволяет решить множество конструкторских задач: - получение отливок с местным увеличением прочности детали; - придание отдельным элементам отливки особых физико-технических свойств (износоустойчивости, электро, теплопроводности, электромагнитных свойств и др.); - экономия дефицитных материалов; - конструирование узлов, состоящих из различным материалов; - формообразование сложных внутренних полостей, системы разветвленных, изогнутых каналов и др. Арматура и отливка могут соединяться за счет сжимающих напряжений, возникающих в отливке при ее охлаждении и усадки, а так же за счет диффузионных процессов (на стыке арматура-отливка). Литьем под давлением можно получать наибольшие цилиндрические зубчатые колеса. Литейный уклон на колесах может отсутствовать. Мелкозернистых поверхностный слой и окисная пленка способствуют повышению износостойкости зубьев. Допуски на размеры отливки ЛПД соответствует 3т-5 классам точности, припуски на механическую обработку по первому ряду ГОСТ Р53464-2009, шероховатость поверхности отливок 40-20 мкм. Эффективность применения способа литья под давлением можно оценить путем сравнения оптовых цен на отливки, которые зависят от группы сложности и массы отливки, а так же от характера производства. 3.3.5. Штамповка жидкого металла. Особенность штамповки жидкого сплава заключается в том, что под действием высокого давления и быстрого охлаждения отливки в металлической форме газы, растворенные в сплаве, остаются в твердом растворе, все усадочные пары принудительно заполняются жидким сплавом, в результате чего отливка получается плотной, с мелкокристаллическим строением и высокими механическими свойствами. Давление выбирают в зависимости от свойств сплава, размера и назначения фасонной отливки, от продолжительности пребывания сплава в форме до приложения давления. Для сплава с большим интервалом кристаллизации давление должно быть увеличено примерно вдвое. Штамповку из жидкого металла применяют при серийном и крупносерийном производствах; в некоторых случаях процесс рентабелен при сериях в 50-100 деталей. Этот способ позволяет получать весьма сложные тонкостенные детали, имеющие фасонную образующую снаружи и внутри, детали с центральной полостью глубиной 0,4-1,0 диаметра детали, сплошные и толстостенные заготовки типа фланцев, тройников и корпусов. При конструировании отливок плавность перехода между стенками обеспечивается с помощью галтелей. На необрабатываемых поверхностях сопряжения выполняют радиусы скруглений, которые по наружному контуру должны быть не менее 1,5 мм, по внутреннему контуру – не менее 2,5 мм; на обрабатываемых поверхностях сопряжений указанные радиусы – не менее 2,0 и 3,5 мм соответственно. При изготовлении отливок типа колец, фланцев и втулок, имеющих Н/Д 1, на наружных поверхностях уклоны не предусматривают. При Н/Д 1 назначают уклон на наружной поверхности до 0,5°, а на внутренней – 1,5°. Величину уклона принимают исходя из усилия, развиваемого системой выталкивателя пресса. При изготовлении отливок с боковыми выступами предусматривают следующие уклоны: при длине, большей или равной двум диаметрам выступа, уклон принимают в пределах 1-1,5° (без выталкивателя) и до 0,5° (с выталкивателем). При длине выступа меньше двух его диаметров, уклоны не предусматривают. Толщина стенки отливки из алюминиевых сплавов должна быть не менее 2 мм, из медных – не менее 3 мм. Толщину стенок отливок типа втулки назначают не менее 7 мм для алюминиевых сплавов и не менее 5 мм для медных сплавов. Толщина стенок отливки в большинстве случаев не должна превышать 100-120 мм. Заготовки из цветных сплавов могут быть получены массой до 300 кг, из черных металлов до 250 кг. Высокая плотность металла отливок дает основание изготавливать из них детали, работающие под гидравлическим давлением до 30 Мпа. Точность заготовок по 3-6 классу, параметр шероховатости поверхности 2,5-1,25 мкм. По высоте отливок предусматривают допуск от +2,0 до −0,5 мм для компенсации не точности дозировки расплава. = 0,9-0,93. 3.3.6. Литье по выплавляемым моделям. Технологический процесс получения отливок по выплавляемым моделям имеет некоторые особенности. 1. Модель отливки не имеет плоскости разъема и знаковых частей и служит для изготовления только одной литейной формы, а в дальнейшем она выплавляется горячей водой или паром из полости формы. 2. Керамическая форма толщиной 2-8 мм не имеет плоскости разъема. 3.Форма после прокаливания не содержит газотворных составляющих, что исключает образование газовых раковин в отливках по вине формы. 4.Сплав заливается в горячие формы, в результате чего создаются благоприятные условия для заполнения формы и питания отливки. Это позволяет получать тонкостенные отливки массой в несколько граммов. Наиболее целесообразно этот вид литья применять для изготовления детали из сталей и сплавов, не поддающихся или трудно поддающихся механической обработке, детали сложной конфигурации и цельные неразъемные литые узлы. Масса отливки достигает от нескольких грамм до 100 кг; а оптимальная масса отливок составляет 0,2-12 кг. Точность размеров отливки 4-7 классы, припуск на механическую обработку по первому ряду ГОСТ Р53464-2009, параметр шероховатости поверхности 10-80 мкм. В массовом производстве при изготовлении моделей из легкоплавкого состава (70% парафина, 8% буроугольного воска и 22% пушечной смазки) широкое применение нашли автоматические пресс формы с пневматическим или гидравлическим механизмами закрывания и открывания с механизмом выталкивания модулей. Пресс формы могут иметь горизонтальную или вертикальную плоскости разъема. Материалом для пресс формы служит среднеуглеродистая сталь, допускается изготовление неответственных частей пресс формы из силумина. В качестве формовочных материалов для изготовления керамической оболочки используют суспензию (гидролизованный раствор этилсиликата и искусственный пылевидный кварц) и мелкозернистый кварцевый песок 1КО16 для обсыпки суспензии, нанесенной на блоки модели. При конструировании деталей, получаемых литьем по выплавляемым моделям, необходимо соблюдать требования. 1. Минимально возможная толщина стенки отливки для большинства сплавов составляет 1,5-2,0 мм при протяженности стенки до 50 мм. Отдельные кромки отливок могут иметь толщину 0,7-0,8 мм и протяженность не более 10 мм. Оптимальная толщина стенок отливки составляет 5 мм. Отношение толщин сопряженных стенок деталей не должны превышать 4:1. Необходимо избегать отдельных, разобщенных скоплений металла, которые приводят к образованию усадочных раковин. 2. Ребра жесткости располагают на наружных поверхностях детали, толщину их принимают 0,7-0,8 от толщины стенки. 3. Минимальный радиус закруглений при одинаковой или малой толщине стенок принимают 1-2 мм. При значительной разнице в толщине стенок радиусы закруглений увеличивают до 5-10 мм и более. 4. Следует избегать в детали применение глубоких пазов и узких полостей. Минимальное расстояние между ребрами образующими паз, принимают: для цветных сплавов b≥1 мм, для стали b≥2,3 мм, при условии Н≤2b. Сквозные литые отверстия d= 5 мм и длинной l=(4-6)d получают без затруднений, отверстия диаметром менее 3 мм, а так же сквозные отверстия d/l≤ 0,5 получают трудно из-за сложности изготовления керамической оболочки. Сквозное отверстия рекомендуется выполнять при отношении их глубины к диаметру не более 2:1, а глухие – при отношении 1:1. 5. Внутренние полости в отливках должны иметь выходные отверстия, необходимые для получения качественной оболочки. Технико-экономическая эффективность процесса литья по выплавляемым моделям зависит от масштаба производства, степени механизации процесса, сложности отливок, стоимости металла, используемого для их изготовления. 3.3.7. Литье в оболочковые формы. Особенность литья в оболочковой форме заключается в том, что формирование точной оболочки происходит в контакте с нагретой моделью (песчано-смоляные формы). Твердение непосредственно на модели или в стержневом нагретом ящике позволяет получать точные по размерам формы и стержни. Оболочки обладают достаточной прочностью и жесткостью в период заливки и затвердевания сплава. Однако, по мере прогрева теплом отливки оболочка разрушается: прочность ее падает, она превращается в песок, что способствует свободной усадке отливки. Для изготовления форм применяют песчано-смоляные, жидко-стекольные и химически-твердеющие смеси. Одним из основных преимуществ литья в оболочковые формы являются возможность механизации и автоматизации процесса. Для этой цели применяют машины челночного и карусельного типов. Этим методом литья изготавливают ответственные детали типа ребристых цилиндров для мотоциклов, коленчатых валов для автомобилей, гильз, звездочек, зубчатых колес, деталей компрессоров, тепловозов, судовых двигателей и др. Масса отливок может быть от нескольких грамм до 100 кг, максимально возможные габариты отливки 500-700 мм. Конструирование деталей ведут с учетом факторов. 1. Этим методом литья можно выполнять тонкие ребра и острые углы. Минимальная толщина стенки отливки 2-2,5 мм для мелкого литья и 3-4 мм для среднего литья. Оптимальная толщина стенок в пределах 2-8 мм. 2.В отдельных местах сопряжение стенок, где возможно образование трещин, усадочных раковин или рыхлости предусматривают литейные радиусы или галтели. В зависимости от толщины стенок и заливаемого сплава радиусы назначают равными 1, 2, 3, 5, 8, или 10 мм. Для стальных отливок радиус должен быть не менее 3 мм. Острые углы при оформлении сопряжений стенок следует брать 30-45°. 3. Конструктивные уклоны на детали должны быть в пределах 0,5-5°. 4. При толщине стенок 10-12 мм можно выполнять отверстия диаметром до 6 мм, при большей толщине стенок отверстия малого диаметра выполнять не целесообразно. 5. Деталь должна иметь равномерную толщину стенок без сочетания массивных и тонких частей. 6. Не следуют проектировать глубокие коробчатые конструкции во избежание получения разностенной отливки. 7. Следует стремиться к такой конструкции детали, чтобы отливка могла располагаться в одной полуформе. Точность размера отливки по 6-11 классу, припуски на механическую обработку по ½ ряду, параметр шероховатости 160-20 мкм. Литье в оболочковые формы наиболее целесообразно применять в массовом и крупносерийном производстве. Минимальная серийность детали принимается не менее 200 отливок в год. Себестоимость отливок полученных литьем в оболочковой форме, несколько выше, чем при изготовлении их в обычных, песчано-глинистых формах по причине высокой стоимости оснастки, оборудования и материалов. Однако снижение объема механической обработки операции очистки и выбивки приводит к снижению себестоимости готовых деталей. 3.4. Технико-экономическая эффективность производства литых заготовок, получаемых разными способами литья. Эффективность производства отливки выбранным способом литья можно оценить показателями: а) коэффициентом выхода годного , где масса заготовки; масса исходного материала; б) коэффициентом весовой точности где масса готовой детали; в) коэффициентом использования металла = ∙; г) себестоимость одной тонны литья. Значения коэффициентов. № пп Способ литья Коэффициенты и их значения 1. В песчано-глинистые формы 0,3-0,5 0,71 0,21-0,36 2. В оболочковые формы 0,5-0,6 0,90 0,45-0,54 3. По выплавляемым моделям 0,6 0,91 0,55 4. В металлические формы 0,4-0,5 0,74 0,3-0,37 5. Под давлением 0,6 0,95 0,57 Коэффициент выхода годного характеризует расход материала изготовительном цеху, размер брака, технологических расходов и т.п. Коэффициент весовой точности отражает степень приближения формы и размеров заготовки к форме и размерам детали, т.е., характеризует объем механической обработки. Коэффициент использования металла отражает общий расход металла на изготовление данной детали. При выборе способа получения отливки необходимо оценить все положительные и отрицательные стороны возможных технологических процессов с учетом основных факторов. 1. Технологические свойства сплава (жидкотекучесть, объемную и линейную усадку, ликвацию, склонность сплавов к образованию газовой пористости, трещин и т.д.). 2. Возможность получения отливки без литейных дефектов, с мелкозернистой структурой и высокими механическими и физическими свойствами. 3. Необходимо учитывать технологичность конструкции детали применительно к каждому из рассматриваемых способов литья. 4. Специальные способы литья целесообразно применять при крупносерийном и массовом производствах, т.к., эти процессы экономически оправдывают себя только в том случае, если стоимость оснастки полностью окупается снижением расходов на механическую обработку. Наиболее точным показателем, определяющим эффективность применения того или иного способа литья является себестоимость. Для определения себестоимости нужно иметь технически обоснованные нормативные данные по расходу материалов, по трудовым затратам и расценкам на выполнение различных процессов и операций в заготовительных и механических цехах. На предприятиях, где имеется постоянная номенклатура изделий, а меняется лишь их число, себестоимость готовой детали определяется графическим методом. Для этого строят зависимость себестоимости изготовления детали от числа деталей на программу для различных вариантов технологических процессов. По оси ординат откладывают себестоимость готовой детали, по оси абсцисс – число деталей на программу в логарифмическом масштабе. Еще раз следует отметить, что при выборе отливки необходимо провести сравнительный технико-экономический анализ для конкретной детали, изготовляемой из определенного сплава, в определенных условиях производства. Только в этом случае выбранный вариант получения заготовки может быть ценен как оптимальный. 4. Способы производства заготовок пластическим деформированием и их технологические характеристики. В современном машиностроении обработкой давлением изготавливают заготовки и детали массой от нескольких грамм до сотен тон и с размерами до десятков метров. Примерно 90% стали и более 55% цветных сплавов, выплавляемых в России, подвергаются обработке давлением. Этим методом получают разные заготовки типа крючков, рычагов, валов, осей, втулок и вкладышей, крепежных деталей, зубчатых шестерен, коленчатых валов, шатунов, клапанов и др. Все виды обработки давлением можно объединить в две группы – металлургического и машиностроительного производства. К первой группе относятся: прокатка, прессование и волочение в основе которых лежат принцип непрерывности технологического процесса. Продукция металлургического производства (сортовой, листовой, трубный, периодический, специальный прокат, разные профили и проволоки) используют как заготовку в кузнечно-штамповочных и механических цехах и как готовую продукцию для создания конструкций. Ко второй группе относятся: ковка, объемная штамповка (холодная и горячая), листовая штамповка, специальные виды ОД ( калибровка, раскатка кольцевых деталей, редуцирование, обкатка, раздача и др.). В этом случае получают заготовку изделия или готовую деталь, которая не требует последующей механической обработки. Выбор способа обработки металлов давлением зависит от пластичности материала, конструкции детали и ее массы, объема выпуска и других факторов. Например, для получения крупногабаритной поковки массой 180 т в количестве трех штук целесообразно использовать ковку, а для получения поковки блока шестерен массой 30-40 кг (массовое производство) – объемную горячую штамповку. Чем ниже пластичность материала, тем сложнее получить качественную заготовку, тем сложнее технологический процесс и выше себестоимость детали. Жесткие требования по технологической пластичности предъявляются к сплавам, которые используются для деформирования в холодном состоянии. Численные значения критериев ковкости находят по формулам: ; Где ψ – относительное сужение в зоне разрыва образца; δ – относительно удлинение после разрыва образца; – временное сопротивление разрыва. По значению и пятибалльной шкале определяют способность металлов и сплавов к ковке (таблица 4.1). Область применения ОМД распространяется на сплавы, которые имеет ковкость не ниже удовлетворительной. Таблица 4.1. Пятибалльная шкала ковкости. Балл % МПа Ковкость 1 Не менее 0,01 Не куется 2 0,01-0,3 Низкая 3 0,31-0,8 Удовлетворительная 4 0,81-2 Хорошая 5 2,1 и выше Отличная Для получения поковок используют деформируемые материалы: углеродистые, легированные и высоколегированные стали, жаропрочные сплавы, сплавы на основе алюминия, меди, магния, титана, никеля и др. Марки деформируемых сплавов указаны в ГОСТах: ГОСТ 380-71 Сталь углеродистая общего назначения. Марки и технические требования. ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 14959-79 Сталь углеродистая качественная конструкционная. Технические условия. ГОСТ 4543-71 Сталь легированная конструкционная. Технические условия. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие жаростойкие, жаропрочные. Марки и технические требования. ГОСТ 1435-74 Сталь инструментальная углеродистая. Марки. ГОСТ 19265-73 Сталь инструментальная быстрорежущая. Марки. ГОСТ 5950-73 Сталь инструментальная легированная. Марки. ГОСТ 4784-74 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. ГОСТ 14957-76 Сплавы магниевые деформируемые. Марки. ГОСТ 15527-70 Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки. ГОСТ 18175-78 Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением. Марки. ГОСТ 5017-74 Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки. ГОСТ 19807-74 Титан и титановые сплавы, обрабатываемые давлением. ГОСТ 492-73 Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки. 4.1. Заготовки из сортового и специального проката. В машиностроении широко применяют сортовые и фасонные профили общего, отраслевого и специального назначения и периодические профили. Просты сортовые профили общего назначения – круглые и квадратные, шестигранные и полосовые используют для изготовления гладких и ступенчатых валов с небольшим перепадом диаметров ступеней, стаканов диаметром до 50 мм, втулок диаметром до 25 мм, рычагов, клиньев, фланцев. Фасонные профили проката общего назначения – сталь угловая равнополочная и не равнополочная, балки двутавровые и швеллеры – применяют при изготовлении металла конструкции (рам, плит, подставок, кронштейнов). Фасонные профили проката отраслевого и специального назначения предназначены для вагоностроения, автопромышленности, тракторостроения, сельхозстроения, энергетического машиностроения, электротехнической промышленности. Периодические профили проката соответствуют изготовляемым из них деталям. Профили продольной прокатки служат для изготовления балок передних осей автомобиля, лопаток, осей; поперечно-винтовой прокатки – для изготовления валов электродвигателей, шпинделей машин, осей рычагов; поперечно-клиновой прокатки – для изготовления валов коробки передач автомобиля, валиков и других деталей типа тел вращения крупносерийного и массового производства; поперечной прокатки – для изготовления шариков подшипников качения, профилированных трубчатых деталей (втулки). Отклонение размеров проката от номинального составляет по диаметру профиля ± 0,1% и по длине – не менее ± 0,5%. При поперечной прокатки оси прокатных валков и обрабатываемой заготовки параллельны. В процессе поперечной прокатки обрабатываемая заготовка удерживается в волках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается соответствующей профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Поперечно-винтовая или косая прокатка выполняется во вращающихся волках, установленных в прокатной клети под некоторым углом друг к другу. Инструментом для производства профилей являются матрицы, фильеры, волоки, прокатные волки. Оборудованием служат прессы, волочильные станы, прокатные станы. 4.2. Производство заготовок ковкой и штамповкой. В зависимости от явлений, происходящих в металле при обработке давлением, различают следующие виды деформаций: Холодная деформация характеризуется интенсивным, упрочнением, строчечной микроструктурой и отсутствием каких-либо следов возврата и рекристаллизации. Прочность при этом увеличивается, а пластичность существенно уменьшается. При неполной горячей деформации рекристаллизация отсутствует, но протекает процесс возврата. Чем больше скорость деформирования и ниже температура металла, тем в меньшей степени происходит разупрочнение. Такую деформацию нельзя применять для малопластичных металлов и сплавов. При горячей деформации упрочнение, полученное металлом, полностью снимается рекристаллизацией, волокнистое строение металла сохраняется. Горячую штамповку зависимости от применяемых оборудований, типа штампа заготовки, способа ее установки в штампе и от других факторов подразделяют на следующие виды: на молотах, ГКМ, КГШП, на фрикционных прессах, гидравлических и специальных машинах (горизонтально-гибочных, вертикально-ковочных, ротационно-ковочных, электровысадочных и раскаточных, ковочных вальцах). В зависимости от типа штампа штамповка бывает в открытых штампах, закрытых штампах и в штампах для выдавливания. Ковку подразделяют на ручную и машинную. Последовательность технологического процесса получения поковки: резко исходного материала на заготовки, нагрев заготовок, горячая штамповка, обрезка заусенца, термообработка паковки и отчистка их от окалины, правка и контроль поковок. В зависимости от типа производства выбирают метод получения поковок. При индивидуальном или мелкосерийном производстве крупных заготовок массой до 250 т целесообразно применять ковку. Применяя подкладные штампы (закрытые или открытые) получают поковки массой до 150 кг (главным образом мелкие до 5 кг) с относительно сложной конфигурацией, без напусков. В качестве оборудования используют ковочные паровоздушные молоты, пневматические молоты и ковочные гидропрессы. В зависимости от массы поковки, выбирают массу падающих частей молота, а затем и молот. Усилие ковочных гидропрессов выбирают по массе применяемого слитка. При массовом производстве поковок применяют горячую штамповку в открытых или закрытых штампах, а также в штампах для выдавливания. В качестве оборудования используют штамповочные молоты, винтовые фрикционные прессы, гидравлические штамповочные прессы, КГШТ, ГКМ, горизонтально-гибочные машины и др. В качестве исходного материала для производства поковок используют слитки, обжатые болванки (блюмы), а также прокат различных видов. Масса стальных слитков для ковки составляет от 200 кг до 350 т. Слитки могут быть обычной формы и с отклонениями от нее. Слиток обычной формы (рис.4.1) имеет: 1 – верхнюю (прибыльную), 2 – среднюю (в виде расширяющей кверху пирамиды с углом наклона боковой грани 0°30’, - 1°) и 3 – нижнюю (донную) части. Донная и прибыльная части удаляются в отход на переплавку. Поперечное сечение средней части имеет форму правильного многоугольника с числом сторон 4-12. Небольшие слитки массой до 2 т делают иногда с круглым поперечным сечением. Форма, масса и размеры слитков указываются в заводских сортаментах и нормалях на изложницы. Например, по одному из сортаментов слиток массой 350 т при наибольшем диаметре сечения 3255 имеет общую длину 7190 мм. Для нагрева заготовок используют камерные и методические печи, электронагревательные устройства, нагрев в растворах солей электроплитах. В процессе нагрева заготовки исходит образование окалины на ее поверхности – угар. Окалина образования является результатом химического соединения металла с кислородом воздуха при высокой температуре. В стальной заготовке основной частью окалины являются оксиды железа . Скорость образования окалины зависит от состава и температуры печных газов, температуры заготовки, времени нагрева, химического состава металла заготовки. Интенсивное окалинообразование начинается с 700-750℃. При дальнейшем повышении температуры образования окалины увеличивается. Легированные стали менее склонны к окислению, так как тонкий и прочный слой образующейся окалины препятствует окислению металла. Окалина на низкоуглеродистых сталях рыхлая, легко разрушается и быстро образуется вновь. Величина угара в пламенных печах составляет 2,5-3% от массы заготовки, в электронагревательных устройствах – 1%. Методы борьбы с угаром: 1. Строгое соблюдение режимов нагрева заготовок. 2. Применение скоростного метода нагрева. 3. Применение малоокислительного и безокислительного методов нагрева (в печах с защитной атмосферой). 4. Предварительное покрытие заготовок специальными обмазками, защищающими металл от окисления. Для контроля температуры нагрева применяются термоэлектрические, оптические, радиационные и фотоэлектрические пирометры. Температурный интервал ковки и штамповки некоторых сплавов приведен в таблице 4.2. Наименование сплава Температура начала деформирования, не выше ℃ Температура окончания деформирования ℃ Рекомендуемый температурный интервал ℃ Не выше Не ниже 1 2 3 4 5 Углеродистые конструкционные стали 1220-1300 800-850 700-760 1230-800 Углеродистые инструментальные стали 1150-1220 850 760-800 1180-800 Легирующие конструкционные стали 1180-1250 870 760-800 1200-830 Легирующие инструментальные стали 1150-1200 850 850-900 1200-850 Нержавеющие стали 12Х18Н9Т 1180 950 870 1150-900 Подшипниковые сплавы ШХ15 1180 870 830 1120-850 Латуни и бронзы 800-900 600-750 1120-850 Алюминиевые сплавы 450-470 390-400 - Магниевые сплавы 370-430 300-350 - Титановые сплавы 950-1000 800-850 - Никелевые стали 1180-1200 1050 4.3. Производство заготовок методом ковки. Производство поковок методом ковки экономически выгодно в условиях единичного и мелкосерийного производства. Ковка единственно возможный способ изготовления заготовок большой массы для деталей крупных машин методом пластической деформации. Этим способом получают поковки простой формы в отдельных случаях с большим напуском. В процессе конструирования поковок следует избегать конических и клиновых форм, пересечение цилиндрических поверхностей и призматических поверхностей с цилиндрическими. Односторонние выступы предпочтительнее двухсторонних. Нельзя выполнять ковкой ребра жесткости, платики и выступы. Из-за невозможности выполнения отдельных элементов детали в участках этих элементов назначают напуск, который удаляют при механической обработке. Припуски и допуски на поковки из углеродистой и легированной сталей при ковке на молотах устанавливают по ГОСТ 7829-70, при ковке на прессах по ГОСТ 7062-79. Припуски и допуски для поковок из высоколегированных сталей и сталей с особыми физическими свойствами устанавливают по стандартам предприятий. Припуски и допуски на поковке изготовляемые на молотах составляют от мм до 34±10 мм, а на поковке, изготовляемой на прессах, от 10±3 мм до 80±30 мм. С применением подкладных штампов припуски составляют от 3 мм и выше, мм и более. Шероховатость поверхности поковок = 320-80 мкм. = 0,285-0,51, = 0,45-0,74. Пример оформления разработанного чертежа представлен на рисунке 4.2. а) – ковкой; б) в подкладном кольце. Все поковки делятся на 7 групп. К 1-й группе поковок относят штоки, оси, валы, колонны, цанфы, роторы и др. Ко 2-й группе – плиты, пластины, штамповые кубики, вкладыши, шпиндели и др. К 3-й группе – коленчатые валы и др. К 4-й группе – диски, фланцы, колеса, покрышки, муфты, шестерни и др. К 5-й группе – бандажи, кольца и др. К 6-й группе – барабаны полые валы, цилиндры и др. К 7-й группе – крюки, бугели, скобы, днища и др. Основная часть массы заготовки приходится на массу поковки, которую определяют умножением объема поковки на плотность сплава поковки. Массу заготовки (слитка) определяют по формуле: Где - масса поковки; - масса прибыли (25-30% от массы слитка); - масса донной части слитка (3-7% от массы слитка); - масса обсечек (3-5% от массы поковки); - угар металла (3% от массы нагреваемого металла в пламенных печах и 1%- в электрических устройствах). Заготовка для ковки служит сортовой прокат при массе поковки до 40 кг; крупный прокат и обжатые болванки – при массе 40-300 кг; слитки при массе более 300 кг. Выбор кузнечного оборудования производится по наиболее тяжелой операции технологического процесса, т.е., осадки. Сначала определяют удельные усилия при осадке, затем усилие деформирования и работу деформирования с учетом размеров заготовки и скорости деформирования, энергии угара молота. Следует заметить, что пресс выбирают по условию деформирования, а молот – по потребной работе деформирования за последний удар. Рис. 4.2 Поковка, полученная ковкой (а) и в подкладном кольце (б); цифры без скобок обозначают номинальный размер, цифры в скобках – размер детали. 4.4. Производство паковок объемной горячей штамповкой. Объемная горячая штамповка заключается в формоизменении заготовки в штампах под действием внешних сил. Штамп представляет собой специальный инструмент с полостью, которая называется ручьем. Течение металла заготовки в ручье штампа встречает сопротивление стенок и сил трения, в результате чего металл заполняет объем ручья. В зависимости от типа штампа штамповка бывает в открытых штампах, в закрытых и штампах для выдавливания. Штамповку, в зависимости от сложности паковки и организации производства, выполняют за одну или несколько операций, причем каждая операция может состоять из одного или нескольких переходов. При конструировании горячештамповочных поковок следует стремиться к тому, чтобы конструктивные формы и размеры ее приближались к форме и размерам готовой детали. Конфигурация поковок черезвычайно разнообразна, в зависимости от нее поковки делят на 2 группы: удлиненной формы, характеризующиеся большим отношением длины к ширине (рычаги, коленчатые валы, шатуны, вилки, гладкие и ступенчатые валы и др) и короткие кгруглого или квадратного сечения (шкивы, маховики, крышки, ступицы, кольца и др). Оформление чертежа паковки. Чертеж поковки разрабатывают в следующей последовательности: 1. Выбирают поверхность разъема. 2. Назначают припуски, допуски и напуски. 3. Определяют штамповочные уклоны и радиусы закруглений. 4. В поковках с отверстиями конструируют наметки под прошивку и определяют размеры пленки под прошивку. 5. Решают вопросы конструирования, связанные с расположением баз для последующей обработки резанием, мест клейнения и т.д. При выборе плоскости разъема штампа прежде всего нужно учитывать возможность выемы поковки из верхней и нижней половинок штампа. Желательно, чтобы плоскость разъема совпадала с плоскостями детали, имеющими наиболее габаритные размеры, тогда третий габаритный размер (высота детали) будет наименьшим. Следует назначать поверхность разъема так, чтобы была возможность контролировать сдвиг верхнего штампа относительно нижнего по внешнему виду поковки после обрезки заусенца и получать линию разъема наиболее простой формы, что упрощает и удешевляет обрезной штамп. При выборе плоскости разъема надо учитывать удобства и качество последующей обрезки заусенца, необходимость уравновешивания сдвигающих усилий, возникающих при штамповке изогнутых поковок и т.д. Штамповкой нельзя получить абсолютно точные поковки, поэтому назначают допуски. Они учитывают недоштамповку поковки по высоте износ ручьев штампов, сдвиг штампов и т.д. Если шероховатость поверхности и точность поковки, обусловленные допусками, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к готовой детали, то больше никаких припусков не назначают. Если допуски или шероховатость поверхности не удовлетворяют указанным требованиям, то рассматривают возможность получения более точных поковок калибровкой, чеканкой, улучшением процесса штамповки, нагрева и т.д. В противном случае назначают припуски на последующую обработку резанием. В припуски входят дефектный слой металла, вмятины от окалины, искривление поковки, обезуглероженный слой и т.д. Припуски и допуски при горячей штамповке стальных поковок назначают по ГОСТ 7505-89, который распространяется на стальные поковки массой до 400 кг. Допуски на размеры поковки зависят от ее массы, категории материала, группы сложности поковки ее точности и изменяются . Припуски на механическую обработку, кроме того, зависят от шероховатости поверхности (для большинства горячештампованных поковок она состовляет = 80-20 мкм) и изменяются от 0,6 до 13 мм на сторону. Различают две категории материалла: М1- углеродистая или легированная сталь с содержанием углерода до 0,45% и легирующих элементов до 2%; М2 – легированная сталь, за исключением указанной в группе М1. Группу сложности поковки определяют в зависимости от отношения объема поковки К объему фигуры в виде цилиндра или прямоугольного параллелепипеда , описанного вокруг поковки. ГОСТ 7505-89 предусматривает 4 группы сложности поковок в зависимости от величины С: 1-я группа – при 0,63 ≤ С≤ 1; 2-я группа – при 0,32≤С≤ 0,63; 3-я группа – при 0,16≤С<0,32; 4-я группа – при С<0,16. Чем выше группа сложности поковки, тем менее технологична деталь, больше потери металла при механической обработке, ниже точность поковки. В поковках, имеющих углубления, допуски на размеры принимают с обратным знаком. Допуски на свободные размеры поковки равны ±0,7 поля допуска наибольшего рамера поковки. На все вертикальные поверхности поковки назначают штамповочные уклоны, необхнодимые для легкого и быстрого удаления штампованной поковки и штампа. Различают наружные и внутренние штамповочные уклоны. Они зависят от отношения глубины к ширине соответствующей полости. Кроме того, наружный штамповочный уклон зависит от формы полости в плане, от отношения ее длины к ширине: чем больше отношение, тем меньше уклон. Величина штамповочных уклонов Штамповочное оборудование Штамповочные уклоны, град. Внешние Внутренние Молоты 7 10 Прессы с выталкивателем 5 7 ГКМ 5 7 При изготовлении штампов применяют стандартный набор фрез для выполнения уклонов, поэтому уклоны стандартизированны 3,5,7,10,12° Все пересекающиеся поверхности поковки сопрягаются по радиусам, которые регламентированны ГОСТом 7505-89 в пределах 1-8 мм и должны быть на 0,5-1 мм больше припуска на механическую обработку. Внутренние радиусы должны быть в 3-4 раза больше наружных. При штамповке в закрытых штампах наружные радиусы в полости штампа принимают ( глубины прилегающей полости); внутренние радиусы в полости штампа R = (2,5-3)r. Допуски на радиусы закруглений согласовывают с заказчиком. При штамповке на молотах нельзя получать в поковке сквозного отверстия, поэтому в теле ее получают наметку под отверстие с перемычкой – пленкой небольшой толщины. В зависимости от формы и размеров отверстий и поковок применяют 5 типов наметок: с плоской пленкой, с раскосом, с магазином, с карманом и глухую. Толщина плоской пленки определяется S=0,1Д, но неменее 4 мм. Практика показала, что конструктивные элементы поковок из цветных сплавов отличаются от таких же элементов стальных поковок. Поэтому припуски и допускаемые отклонения размеров на поковки из цветных сплавов рекомендуется назначать по отраслевым стандартам и ведомственным нормалям. В качестве технологической базы, используемой на первой операции механической обработке, принимают обычно участки поковки с наибольшим диаметром или другоие участки, удобные для захвата и фиксации. Иногда для этой цели делают специальные выступы на поковке. Простановку размеров поковки ведут от технологической базы так, чтобы на цепочку размеров была минимальная сумма допускаемых отклонений. На чертеже поковки указывают основные технические требования на приемку поковок, а именно: термообработка и твердость поковок, допустимая величина отстатков заусенца после обрезки, способ отчистки поверхности, глубина дефектов, дефекты формы (сдвиг, вызванный смещением штампов, эксцентричность сечений и отверстий, кривизна или стрела прогиба, относящиеся к оговоренному участку поковки или ко всей ее длине, если неоговорен участок). При предъявлении к паковке особых условий в технические требования могут быть включены также указание места отпечатка при испытании твердости, место клеймения и образцов, вырезаемых для механических испытаний. При этом рекомендуется: 1) место отпечатка твердости указать на плоской поверхности, лучше на необрабатываемой, учитывая также удобства укладки поковки на стол пресса для испытания твердости; 2) место клеймения предпочтительнее указать на необрабатываемой поверхности; в противном случае надо учесть последовательность дальшейшей мехнической обработке с тем, чтобы снятие клейменной поверхности производилось после перенесения клейма на ранее обработанную поверхность. Чертеж поковки, полученный на молоте в открытом штампе показан на рисунке 4.3. Определение рамеров исходной заготовки. Масса исходной заготовки складывается из массы поковки и отходов. где – масса поковки определяется умножением объема поковки на ее плотность (для стали ρ=7850 кг/). Объем поковки находится по ее чертежу. – масса облоя определяется по формуле: ; где – площадь поперечного сечения заусенечной канавки; L – периметр поковки плоскости разъема; – масса угара, которую выбирают в зависимости от способа нагрева: 2-3% от массы заготовки для пламенной печи; 0,5-1% при электронагреве; – масса клещевины. Ее определяют в зависимости от диаметра заготовки или оттянутой под клещевину части заготовки. Площадь поперечного сечения заготовки или оттянутого конца умножают на 0,6-1 от диаметра заготовки или оттянутого конца, что соответствует длине клещевины. Полученный объем клещевины умножают на плотность материала. Форма и размеры наружного облоя определяется формой облойной канавки. Толщина облоя для круглых поковок диаметром определяется как Рис.4.3. Чертеж поковки (шестерня), полученной на молоте в открытом штампе. Размеры заготовки рассчитывают по разному, в зависимости от способа штамповки, наличия тех или иных ручьев. Приналичии только штамповочных ручьев заготовка должна поместиться в ручей по длине, и ее длина должна быть почти равна длине поковки, длину заготовки определяют по формуле (штамповка, поререк оси заготовки). где – длина паковки. При выборе размеров заготовки, штампуемой вдоль оси, учитывают удобство резки заготовок и возможность продольного изгиба заготовки. Поэтому размеры заготовки должны удовлетворять неравенству. Отношение озбозначают через К. Обычно принимают К=2. Диаметр заготовки определяется: Профиль поперечного сечения заготовки круг или квадрат. После определния или выбирают ближайший общий размер по ГОСТу и вычисляют скорректированную высоту заготовки. При расчете размеров исходной заготовки для безоблойной штамповки сначала определяют диаметр заготовки. где - площадь поперечного сечения поковки в произвольном месте с учетом угара где δ – угар металла при нагреве, % Площадь поковки подсчитывают по минимальным горизонтальным размерам (номинальный размер минус нижнее отклонение допуска) и максимальным вертикальным размером (номинальный размер плюс верхнее отклонение допуска). Объем заготовки определяется по формуле: где – объем поковки, расчитанный по минимальным горизонтальным размерам и максимальным вертикальным размером. При производстве поковок второй группы в закрытых штампах сначала определяют объем исходной заготовки по той же формуле, а затем диамерт заготовки по условию. . При определении мощности кузнечно-прессового оборудования определяют: для молота, массу падающих частей по упрощенной формуле: Где – площадь проекции поковки на плоскость разъема штампа; для прессов – усилие прессования; для ГКМ – усилие штамповки, которое равно ; Где Д – диаметр поковки; при высадке в конусной полости пуансона Д – больший диаметр полости; σ – предел прочности материала поковки при температуре окончания штамповки; К – коэффициент, определяемый в зависимости от вида штамповки на ГКМ по таблицам; для наборных переходов К=1. По расчетным данным выбирается ближайшее по ГОСТу оборудовани. 4.4.1. Производство поковок штамповкой на молотах. Особенностью процесса штамповки на молотах является высокая скорость бабы в момент удара (6-7,5 м/сек.), поэтому деформируемый металл течет вверх более интенсивно, чем вниз, и легче заполняет полость верхней части штампа, чем нижней. В связи с этим труднозаполняемые части ручья (тонкие и глубокие полости) располагают обычно вверхней части штампа. При ударах окалина легко сбивается с поверхности заготовки и сдувается с поверхности штампа струей воздуха; в результате поверхность поковки получается чистой. Поэтому ударный характер работы молота предопределяет способ очистки заготовок от окалины, характер заполняемости штамповочных ручьев и устройства молотовых штампов. Поковки, изготовляемые штамповкой на молотах, по конфигурации (при всем их разнообразии) могут быть отнесены к 2-м основным группам: 1) поковки, штампуемые перпендикулярно оси заготовки (штамповка плашмя) и 2) поковки, штампуемые вдоль оси заготовки и (штамповка осадкой вторец). К первой группе относятся валы, рычаги, шатуны, кривошипы, вилки и др. Ко второй группе – поковки зубчатых колес, дисков, фланцев, ступиц, чашек, шкивов и др. Объемную штамповку на молотах производят из катанной и кованной заготовок, существует и расчисленная штамповка. В основном на молотах приминяют открытые штампы, в отдельных случаях и закрытые. Все ручьи штампа можно разделить на 3 группы. К первой группе относятся штамповочные ручьи предварительный и окончательный. В предварительном ручье отсутствует заусеночная канавка и металл вытекает на плоскость разъема штампа, а ручей повторяет форму поковки. Полость окончательного ручья в точности соответствует форме горячей поковке. Для заусенца предусматривают заусеничную канавку. Ко второй группе относятся заготовительные ручьи. Их назначение – предварительное грубое деформирование исходной заготовки. К третьей группе относятся отрубные ручьи – передний и задний ножи. Эти ручьи служат для отделения отштампованной поковки от прутка, при штамповке от прутка или от кратной заготовки. Отрубные ручьи служа также для отделения клещевины от поковки. Обработку заготовок в одном ручье называют переходом, поэтому количество переходов соответствует количеству применяемых ручьев. Все переходы горячей объемной штамповке делят как и ручьи на 3 группы: заготовительные, штамповочные и отрубные переходы. Чертеж поковки, полученной на молоте,в открытом штампе, показан на рисунке 4.3. 4.4.2. Получение поковок на кривошипных горячештамповочных прессах КГШП. Особенностью работы КГШП, в которых обеспечивается жесткая связь между приводом и ползуном, является то, что при подхоже шатуна к нижнему положению (нижней мертвой точке кривошипного механизма) при одном и том же моменте на кривошипном валу усилие на ползуне теоретически может расти до безконечности. Рост усилия ведет к увеличению деформации детали пресса. При значительной перегрузке, например, при резком охлаждении тонкого заусенца в открытом штампе, ползун КГШП, не доходя до нижнего положения, останавливается и пресс может заклиниться. Учитывая необходимость предупреждения заклинивания пресса, которая может вохникнуть при холодной беззазорной настройке штампов, вследствие расширения его деталей от разогрева при соприкосновении с горячим металлом, предусматривать работу штампа «враспор» нельзя, соударение частей штампа считается опасным и не допускается. Для изменения расстояния между частями штампа (вставками) при наладке в штампе применяют канавки с открытым магазином, а при наладке штампа без нагрузки между выступами канавки помещают прокладки. Поэтому при штамповке на КГШП предусматривают облой, толщина которого больше чем толщина облоя при многоударной штамповке на молоте. Наличие более толстого, а следовательно, и более горячего облоя приводит к уменьшению подпора в полости штампа, большому вытеканию металла из полости и к худшему заполнению ее глубоких выемок. В результате при одинаковой суммарной деформации и слодной форме паковок штамповка на КГШП выполняется с использованием большого числа ручьев, чем при штамповке на молоте. При штамповке на КГШП значительной разницы в заполнении верхней и нижней полостей штампа не наблюдается. Эти особенности учитываются при разработке технологических процессов на КГШП. Для получения минимальных отклонений размеров поковок по высоте необходимо, чтобы минимальными были колебания объемов заготовок и температуры штамповки. Наличие выталкивателей вверхнем и нижнем штампах КГШП позволяют уменьшить штамповочные уклоны, штамповать поковки без клещевины и осуществлять штамповку выдавливанием. Как правило, на прессе для получения поковки необходимо 1-3 ручья, а для сложных поковок – до 5-ти ручьев, включая осадку. Для получения поковок с чистыми поверхностями, во избежание заштамповки в тело паковки окалины, необходимо применять наиболее совершенные виды нагрева заготовок, или очистку заготовки от окалины перед штамповкой. При штамповке на КГШП получают поковки, более близкие по форме готовой детали, более точные по размерам, чем при штамповке на молотах. Припуски и допуски на поковке уменьшаются на 20-30% по сравнению с поковками, полученными на молотах. Поковки, штампуемые на КГШП подразделяют в зависимости от характера формоизменения и течения металла при формоизменении - на 2 класса: класс поковок, получаемых с преобладанием пресса осадки, и класс поковок, получаемых с преобладанием пресса выдавливания. В зависимости от конфигурации и сложности изготовления поковки деляться на 5 основных групп: 1 группа – осесимметричные поковки, изготовляемые осадкой в торец или осадкой с одновременным выдавливанием, т.е., поковки круглые в плане или близкие к этой форме, а так же поковки с отростками. 2 группа – поковки удлиненной формы с небольшой разницей в площадях поперечных сечений. 3 группа – поковки удлиненной формы со значительной разницей в площадях поперечных сечений. 4 группа – поковки с изогнутой осью. 5 группа – поковки, изготовляемые выдавливанием. В качестве исходной заготовки при штамповке на КГШП применяют сортовой прокат для поковок всех групп, профилированные заготовки – для поковок 3 группы (иногда и 4 группы), колиброванные заготовки – в отдельных случаях для штамповки в закрытых штампах, трубы – для поковок 5 группы. Заготовки, нарезаемые из сортового проката для штамповки в торец, дожны иметь качественные торцы. Торцовые заусенцы на такой заготовке не допускаются. Если при отрезке получают вырывы или большие заусенцы, то поверхность торцов должна быть зачищена. Объем заготовки определяют по формуле: Где – объем поковци; потери на угар 2% от объема поковки; – объем облоя. Где – объем мостика облоя; – объем металла в магазине облоя; Р – периметр поковки, нм; b – ширина мостика, мм; – толщина мостика, мм; – средняя толщина мостика по магазину, мм В – ширина облоя в магазине. Диаметр заготовки для поковок первой группы выбирают с учетом ее удобной укладки в штамповочном ручье, обеспечения наилучших условий течения металла и отрезки. Чем меньше диаметр заготовки, тем легче выполнить отрезку заготовки от прутка, но наилучшее заполнение ручья штампа будет при диаметре заготовки, близком к наружному диаметру поковки. Для удобства укладки заготовки в ручей ее длина должна быть несколько меньше или равной длине поковок 2-4 групп. Если поковка на концах имеет утолщение (бобышки, головки), то для обеспечения заполнения головок целесообразно использовать заготовку, длина которой несколько больше длины поковки. Отношение высоты к диаметру заготовки не должно превышать 2,0-2,5; наиболее целесообразно отношение 1,5-1,8 при производстве поковок 5 группы выдавливанием в закрытых штампах. Заготовка должна удобно, без перекосов укладываться в матрицу; с этой целью выбирают диаметр заготовки не более чем на 2-10 мм меньше диаметра матрицы; если по состоянию поверхности нагретой заготовки и условиям фиксации в штамповочном ручье необходима осадка, то выбирают заготовку того же объема, но меньшего диаметра и большей высоты. Существует несколько способов получения поковок на КГШП, штамповка в открытых штампах, закрытых штампах и выдавливанием, при этом применяют следующие переходы: осадочные, пережимные, гибочные, штамповочные заготовительно-предварительные, предварительные и окончательные, колибровочные, правочные; в отдельных случаях – обрезные и прошивные, иногда – подкатные. При выборе переходов и расположения поковки в ручье необходимо учитывать, что: а) заполнение верхнего и нижнего ручьев практически не зависит от их расположения и не меняется при перемене мест ручьев; б) в процессе деформирования металл, заполняя полости ручьев штампов, интенсивно течет в направлении разъема открытого штампа, где течению нет сопротивления; в) основное перемещение металла при дефорировании происходит по вертикали, поэтому для хорошего заполнения высоких выступов поковки рекомендуется в предварительном ручье осоуществлять набор металла одновременно с противоположной стороны требуемых выступов; г) при наличии в поковке плавных переходов металл настолько хорошо заполняет все полости ручья, что фигуру поковки можно получить при первой штамповке; д) перемещении металла во внутренних полостях проходит без особых затруднений при наличии свободной полости для размещения избыточного металла. Чертеж поковки штампуемой на КГШП, оформляют по тем же правилам, что поковки, штампуемой на молоте с учетом особенностей, указанных выше. 4.4.3. Особенности штамповки поковок на фрикционных винтовых прессах. На фрикционных винтовых прессах штампуют в открытых и закрытых штампах поковки и стали, сплавов меди, цинка и алюминия (мелко- среднегабаритные простых и сложных форм). Технологической особенностью фрикционных прессов является не жесткий рабочий ход ползуна, что исключает возможность заклинивания пресса при избытке металла заготовки и наличия системы выталкивателей для удаления поковки и штампа. При открытой штамповке на фрикционных прессах надо учитывать, что перераспределение металла вдоль оси заготовки нерационально (малое число ходов, охлаждение заготовки). Обычно на фрикционных прессах штампуют в одноручьевых штампах. Все поковки делят на три группы. К I группе относят мелкие поковки с прямой и изогнутой осью и отростками. В отличие от молотовых поковок, указанные поковки не должны иметь тонких ребер, так как, из-за охлаждающего действия интсрумента и относительно продолжительного времени его контакта с заготовкой, заполнения полостей штампов винтовых прессов затруднительнее, чем полостей молотовых штампов. Поковки I группы штампуют в открытых одноручьевых штампах. Поковки II группы – это мелко- и среднегабаритные поковки с осевой симметрией, которые получают высадкой (болто-заклепочные изделия, клапаны), прямым, обратным и боковым выдавливанием (стаканы, колпаки, чашки со стержнями, крестовины, шестерни с зубом). К паковкам III группы относят мелкие поковки промежуточной формы между I и II группами, поковки с буртами, отростками и глухими полостями, требующие разъемы в штампе по двум или трем плоскостям. Чертеж поковки при штамповке на винтовых прессах в открытом штампе проектируют также, как при штамповке на молоте. Штамповочные уклоны выбирают в зависимости от отношения (h – глубина полости; b – ширина полости), наличия выталкивателя и расположения уклона (внешний или внутренний). Внутренние радиусы составляют 1,5-3 мм, наружные 1,5-5 мм. При штамповке в закрытых штампах рекомендуется вычерчивать поковку в том положении, которые она занимает в штампе. Линию разъема выбирают по верхнему торцу элемента с наибольшим периметром. На поковках, штампуемых в штампах с разъемными матрицами, имеются две линии разъема. Одну из них выбирают, как указано выше, а другую – по линии разъема матриц. 4.4.4. Штамповка на гидравлических прессах. На гидравлических прессах штампуют поковки из черных и цветных сплавов, причем стальные поковки могут быть простой формы типа дисков и колес и сложной формы, например, коленчатый вал дилиной 1600 мм и массой 360 кг. Распространена штамповка на гидравлических прессах крупногабаритных поковок из алюминиевых и магниевых сплавов. Площадь проекции таких заготовок 2,5 ; типа панелей с продольным и продольно-поперечным оребрением, подмоторных рам для авиационных двигателей, узких и длинных поковок типа балок и лонжеронов длиной до 8 м, поковок типа стаканов, втулок и крыльчаток двигателей. Штампуют также поковки больших размеров для химической промышленности: сферические и эллептические днища, элементы обшивки емкостей и др. В качестве исходных заготовок используют прокат, предварительно откованные или литые заготовки, а также слитки. Гидравлический пресс имеет неударный характер работы. Рабочий ход его ползуна осуществляется при сравнительно небольшой, но постоянной скорости, обычно до 0,15-0,2 м/сек. Усилие прессов 50-750 мн для штамповки крупных поковок; 4-5 мн выше для штамповки малопластичных сплавов; прошивные и протяжные усилиями 1,5-30 мн. Гидравлические прессы применяют: а) при штамповке крупных поковок, для которых масса падающих частей самых тяжелых молотов оказывается недостаточной; б) при штамповке малопластичных сплавов, не допускающих больших скоростей дефформирования; в) при различных видах штамповки выдавливанием ; г) там, где необходим очень большой рабочий ход, например, при глубокой прошивке или протяжки прошитых заготовок. Все поковки, штампуемые на гидравлических прессах подразделяют на группы: I – поковки типа стаканов с гладкими стенками или сложной формы с глухими или сквозными отверстиями (корпуса снарядов, гильзы, фтулки, муфты, цилиндры и др.); II – поковки типа дисков (невысокие чашки и втулки с фланцами, роторы турбин, деафрагмы и др.); III – поковки с вытянутой осью (коленчатые валы и др.); IV – поковки типа крестовин (втулка авиационного винта и др.); V – поковки типа панелей. Существует штамповка на гидравлических прессах в открытых и закрытых штампах, штамповка прошивкой и протяжка поковок. При этом целесообразно выполнять следующие операции: выдавливание – обратное (прошивка в закрытой матрице), прямое (пресование) и боковое; вытяжку с утонением стенки (протяжку); осадку в закрытой матрице и высадку; гибку. Чертеж поковки составляют по тем же правилам, что и при изготовлении поковок на штамповочных молотах. Допуски на паковке, напуски, наметки и пленки под прошивку определяют по той же методике, что и для молотовых поковок, изходя из величины среднего припуска. Заполнение углов штампа облегчается увеличением радиусов закруглений в паковках. Для этого на кромках деталей следует выполнять фаски. Точность размеров поковок может достигать 11-12 квалитетов. . 4.4.5. Штамповка на горизонтально-ковочных машинах. Горизонтально-ковочная машина (ГКМ) представляет собой горизонтальный мехнический пресс, в котором кроме главного деформирующего ползуна есть зажимной ползун, который зажимает недеформируемую часть прутка, обеспечивая высадку деформируемой части прутка. Поковки, штампуемые на ГКМ, обычно имеют форму тел вращения с осью, совпадающей с осью исходного прутка. В большинстве случаев на ГКМ изготавливают сплошные и полные поковки из круглых прутков, а также полые поковки из труб. Наличие двух разъемов в штампе создает условие для разнообразных высадочных работ и позволяет получать поковки с небольшими штамповочными уклонами или без них. Упоры в штампах ГКМ выполняют регулируемыми, что дает возможность при наладке уточнить деформируемый объем и получить повковку без облоя или с минимальным облоем. Основными операциями при штамповке на ГКМ являются высадка, прошивка и сквозная прошивка. Поковки, штампуемые на ГКМ делятся на 6 групп и в каждой группе есть несколько подгрупп. К 1 подгруппе относятся поковки типа стержня с утолщением, ко второй – типа колец и втулок, к третьей – поковки с полостями (глухими отверстиями), к 4 – полые поковки, штампуемые из труб, к 5 –й – поковки смешанной формы и 6-й – поковки, требующие дополнительной штамповки на ГКМ. При изготовлении поковок высадкой и расчете наборных переходов различают начальную и последующую высадку. Начальную высадку можно производить в матрице или пуансоне. Различают высадку свободную и на ограниченный диаметр, бизкий к диаметру высаживаемого прутка. За один ход ползуна машины при свободной высадке можно высадить круглую заготовку (пруток) на любой диаметр, если длина высаживаемой части заготовки ,5 d. В противном случае заготовка изгибается и на ней образуется зажим. При несвободной высадке высаживают в наборном переходе, перед окончательной высадкой – в формовочном переходе. Для определения рабочих размеров конической полости пуансона необходимо учитывать также очевидное равенство ее объема и насаживаемой части прутка. Объем высаживаемой части прутка Объем конической полости пуансона На практике часто задают размер принимают и, зная, что получают длину . Последующая высадка. При высадке на огрониченный диаметр в матрице или пуансоне длина высаженной части может оказаться слишком большой по сравнению со средним ее диаметром. В этом случае последующая свободная высадка не возможна и необходим дополнительный наборный переход. Переходы выбирают однотипными, обычно в конических пуансонах. Если после первого набота длина конуса больше 2,5 то необходимо вторичная высадка в коническом наборном пуансоне. При оформлении чертежа поковки, штампуемой на ГКМ, разъем между матрицами устанавливают в плоскости ее осевого сечения, а разъем между пуансоном и матрицей – в плоскости наибольшего поперечного сечения. Если наиболее утолщенная часть поковки представляет собой цилиндр, фланец или другую фигуру постоянного поперечного сечения, то при установлении разъема учитывают следующее. Желательно, чтобы разъем был установлен у той кромки ручья, которая заполняется металлом в самую последнюю очередь с целью избежания или уменьшения заусенца. Расположение наиболее утолщенной части ручья целиком в матрице освобождает поковку в этой части от штамповочных уклонов, но не исключает возможности сдвига ее фигуры в плоскости разъема матриц при относительном их смещении. Штамповка в пуансоне исключает возможность сдвига фигуры, но при этом нужны штамповочные уклоны в пуансоне. Если одну часть утолщения на поковке разместить в пуансоне, а другую – в матрице, то ручей получиться открытым, с неизбежным образованием заусенца при штамповке. Припуски, допуски поковок определяют по ГОСТ 7505-89. Штамповочные уклоны на участках поковки, формуемых в полости пуансона, назначают: наружные 15’-1°; внутренние 30’-2°. Для участков, формуемых матрицы, наружные уклоны не предусматривают, а внутренние уклоны составляют 1-5°. Наружные радиусы закруглений принимают примерно равными величине припуска на механическую обработку, внутренние – в 1,5 – 2 раза большими. Поковке желательно придавать такую форму, которую можно получить, применяя наиболее широкораспространенные переходы штамповки при наименьшем их числе и при минимальных отходов металла. Масса поковок сравнительно небольшая 30-50 кг. Размерная точность стальных поковок может достигать 12-14-го квалитетов, пораметр шероховатости поверхности . 4.4.6. Отделочные операции горячей объемной штамповки. Обрезку облоя и удаление (пробивку) перемычек производят в холодном и горячем состоянии поковок. При холодной обрезке сопротивление срезу в 3-6 раз больше, чем при горячей и для крупных поковок с большой площадью среза требуются прессы большой мощности. Если поковку изготовляют из легированной стали, приобрезки облоя могут возникнуть трещины. В холодном состоянии обрезку облоя производят у мелких и средних поковок из углеродистой стали с содержанием углерода до 0,4% и поковок из низколегированной стали, штампуемых на молотах с массой падающих частей 1-2 т и на КГШП с усилием до 10-20 мн, причем только в тех случаях, когда после обрезки поковки не требуют дальнейших операций в горячем состоянии. Холодную обрезку облоя и удаление перемычек у мелких поковок следует производить в двух отдельных штампах, установленных на одном обрезном или же параллельно на двух прессах. Горячую обрезку производят у средних и крупных по массе поковок из высоколегированных и высокоуглеродистых сталей, имеющих недостаточную пластичность в холодном состоянии и относительно большую толщину облоя, штампуемых на молотах с массой падающих частей более 1-2 т и КГШП с усилием свыше 10-20 мн, а также в тех случаях, когда после обрезки требуется правка, гибка или калибровка в горячем состоянии. Для обрезки заусенцев и прошивки отверстий в поковках приминяют кривошипные обрезные прессы, а для особо крупных поковок – гидравлические прессы усилием более 16 мн. Необходимые усилия пресса для обрезки заусенца или прошивки пленки определяют по формуле где – предел прочности материала поковки при растяжении; , – соответственно толщина и периметр среза. Под толщиной среза следует понимать толщину заусенца или пленки с учетом части закругления и прибавления величины положительного отклонения допуска на размер поковки по высоте (на недоштамповку). Кривошипные обрезные прессы выпускают с номинальным усилием 1-25 МН. Такие прессы одновременно с основным ползуном имеют боковой ползун. Основной ползун обрезает заусенец, боковой прошивает отверстие. Новые прессы бокового ползуна не имеют, поэтому обрезка заусенца и пробивка отверстия осуществляется в совмещенном штампе. Различают простые, последовательные и комбинированные штампы для обрезки облоя и пробивки отверстия. Простые штампы предназначены для выполнения только одной операции (обрезки облоя или пробивки отверстия). В последовательном штампе имеется два комплекта инструмента: один – обрезки, другой – для пробивки. Обрезку облоя и пробивку отверстия осуществляют последовательно, т.е., сначала в одном комплекте инструмента поковку обрезают, затем поковку направляют на пробивку. В комбинированных штампах обрезка облоя и пробивка отверстия происходит за один ход пресса без перекладывания поковки. Направление движения верхнего башмака относительно нижнего осуществляется при помощи колонок и втулок. Поковки в процессе их изготовления подвергаются искривлению (короблению). Искривление поковок может произойти при принудительном удалении их из чистового ручья штампа, а также при обрезке облоя и пробивке перемычек. В связи с этим поковки подвергают правке. Существуют четыре основные способа правки: холодная в правочных штампах на штамповочном оборудовании; холодная на правильных прессах; горячая в правочных штампах на штамповочном оборудовании и горячая в окончательном ручье основного штампа. Правочные штампы могут быть одноручьевыми. В двухручьевых правочных штампах для последовательной или параллельной правки двух поковок ручьи располагают так, чтобы их можно было использовать одновременно. Для повышения точности формы и размеров поковки, снижение шероховатости поверхности, исключение обработки поковок резанием применяют калибровку. Различают калибровку плоскостную и объемную, по температурным условиям – холодную и горячую. Пласкостную калибровку применяют для получения точных вертикальных размеров поковки на одном или нескольких ее участках, лежащих в различных по высоте параллельных плоскостях. При объемной калибровке деформации подвергается весь металл поковки. Свободное течение металла в горизонтальном направлениии ограниченно боковыми стенками ручья штампа. Избыток металла, полученный в результате недоштамповки, при калибровке вытесняется в облой, который затем обрезают в обрезном штампе. Существует и комбинированная калибровка, сочетающая в себе операции плоскостной и объемной калибровке. По точности получаемых размеров поковок различают калибровку обычной точности, при которой можно получить допуски от ± 0,1 до ± 0,25 мм и калибровку повышенной точности с допусками от ± 0,05 до ± 0,15 мм. При многократной калибровке можно получить особо точные размеры с допуском ± 0,025 мм. Шероховатость поверхности при калибровке колеблется от до т.е., по шероховатости поверхности калибровка в большинстве случаев может заменить шлифование. Перед калибровкой поковки необходимо тщательно отчистить от окалины и грязи, проверить их наружные дефекты. Раковины и вмятины от окалины при калибровке обычной точности допускаются глубиной до 0,2 мм; при точной калибровке – до 0,1 мм. Поковки из легированных и углеродистых сталей с содержанием углерода более 0,2% подвергают предварительной термической обработке (нормализации, отжигу). Поковки из низколегированных сталей с содержанием углерода менее 0,2%, а также из алюминиевых сплавов типа АК6 калибруют без предварительной термической обработки. Для калибровки штампованных поковок служат чеканочные калибровочные кривошипно-коленные прессы с номинальным усилием 1-40 МН (100-4000 тс). 4.4.7.Штамповка на специализированных машинах. Штамповку на горизонтально-гибочных машинах применяют для получения заготовок из сортавого или полосового материала больших габаритов. Толстолистовые и профельные заготовки в основном сгибают в горячем состоянии, тонколистовые – в холодном. Горизонтально – гибочные машины позволяют осуществлять гибку V и П – образных, дугообразных и круглых деталей. По форме, определяющей выбор переходов гибки, изделия разбирают на три группы. К I и II группам относятся изделия, изогнутые в одной плоскости. В I группу входят изделия, изогнутые по дуге не более 180°, а также изогнутые под углом в одном или двух местах, причем каждый из углов изгиба не должен превышать 90°. В I группу не входят изделия типа скоб с параллельными концами, которые относятся ко II группе, включающей также изделия, изогнутые по дуге 180° и более, а также изогнутые в трех и более местах, включая изделия полузамкнутого и замкнутого контуров. К III группе относятся изделия, требующие гибки в двух и более плоскостях. На ротационно-ковочных машинах обрабатывают осесимметричные изделия с вытянутой осью в горячем и холодном состояниях. Типовыми поковками для таких изделий является ступенчатые валики с круглым, квадратным и другим сечением, конусные валики и трубы с оттянутыми на конус концами. Исходной заготовкой служит прокат круглого и квадратного профилей или трубы. На этих машинах получают изделия самых разнообразных размеров диаметром от 0,15 мм (для прутка) до 600 мм (для трубной заготовки). В процессе ротационного обжатия улучшается структура металла, повышаются его механические свойства. Процесс обработки заключается в радиальном обжатии концевых или средних участков заготовок бойками, движущимися на встречу друг другу, при чем движение бойков у разных конструкций машин осуществляется по разному; число бойков так же может быть различным: два, три, четыре. Число обжатий у различных машин колеблется от нескольких сот до нескольких тысяч в минуту. Основным преимуществом данного вида обработки является получение поковок высокой точности с высокой частотой поверхности. При использовании качественного инструмента и соблюдения режимов обработки параметры шероховатости поверхности составляют при холодной и при горячей обработке. Точность обработки при холодном обжатии соответствует 6-8 при горячем – 11-13 квалитетам. Обычно горячую обработку выполняют для изделий больших диаметров (> 50 мм). Прочность поковок увеличивается примерно на 30% и достигается значительная экономия металла. Так, при переводе изделий типа ступенчатых валов со штамповки или механической обработки на горячее обжатие, экономия металла достигает 40-60%. Производительность (по сравнению с токарной обработкой) возрастает в 4-5 раз. Широкое распространение нашло производство поковок и фасоных заготовок на ковачных вальцах. Существенным преимуществом подобного процесса является то, что поверхность контакта заготовки с рабочими ручьями в каждый данный момент составляет малую часть полной поверхности заготовки. В результате, для осуществления процесса требуется значительно меньшее номинальное усилие, чем приштамповке деталей на прессах или молотах, когда штампы полностью контактируют со всей поверхностью штампуемой заготовки. Рабочие органы вальцов – два волка, вращающихся в противоположных направлениях. На волках закрепляют секторные штампы с ручьями. Обычно заготовка подается до упора в момент расхождения секторных штампов. Затем заготовка обжимается в момент схождения штампов и движется в сторону вальцовщика. Такой вальцовкой получают заготовки для последующей штамповки и называется она формовочной. При расположении ручьев по всей окружности волков, движение заготовки осуществляется от вальцовщика. Этот вид вальцовки применяется для изготовления штамповынных поковок простой формы и называется штамповочной. За один оборот волков можно получить цепочку из 4-5 и более поковок (например, гаечных ключей, пласкогубцев, звеньев транспортеров и др.). Параметр шероховатости поверхности таких поковок . Отделочную вальцовку применяют для получения профельных заготовок, типа турбинных лопаток с припуском на рабочую поверхность до 0,2-0,15 мм, параметров шероховатости поверхности до . Обычно такую вальцовку приводят в холодном состоянии,причем получаемые заготовки имеют окончательные размеры, по толщине и профилю. Отделочная вальцовка дает значительный эффект: снижает расход металла в среднем на 35%, трудоемкость на 20%, себестоимость на 35%. При производстве поковок для колец подшипников качения применяются раскаточные машины. В этом случае заготовка представляет кольцо с меньшим диаметром и большей толщиной стенки, чем у паковки. После подведения к заготовке быстро вращающегося волка, заготовка и валок начинают вращаться. По мере увеличения наружного диаметра заготовки происходит ее контакт с направляющим роликов, обеспечивающим получение правильной кольцевой формы поковки. После касания поковкой контрольного ролика раскатка прекращается. Раскаткой получаю поковки колец диаметром от 4 до 2000 мм при высоте обрабатываемого обода до 180 мм. Допуск на наружный диаметр кольца принимают +0,01Д, на внутренний диаметр −0,022d, но не более 6 мм. Параметр шероховатости , коэффициент весовой точности 0,7 – 0,75. 4.4.8. Завершающие операции производства поковок. После ковки и штамповки поковки подвергают термической обработке. Если штампуют с образованием заусенца, то поковки поступают на ТО, как правило, после обрезки заусенца. Цели ТО: 1) устранение отрицательных последствий нагрева и обработки давлением (снятие остаточных напряжений, исправление перегрева и др.); 2) улучшение обрабатываемости материала поковок на металлорежущих станках (снижение интенсивности затупления режущих инструментов, уменьшение усилий резания и повышение чистоты обработанных поверхностей); 3) подготовка структуры металла к окончательной ТО, если такую выполняют после обработки резанием или в промежутке между отдельными ее операциями. Если же ТО поковок является окончательной, то она должна обеспечить также структуру и соответствующие механические свойства металла, какими должен обладать материал готовой детали. Основными способами ТО стальных поковок являются: обжиг, нормализация, нормализация с отпуском, улучшение (т.е., закалка с высоким отпуском). Поковки из алюминиевых сплавов подвергают закалке с последующим естественным (до 5 суток) или искусственным старением. Поковки из магниевых сплавов подвергают обжигу, закалке или искусственному старению; поковки из титановых сплавов – обжигу и гомогенизации. Особый интерес для технологии кузнечного производства представляют операции ТО, связанные с использованием ковочной теплоты. После ТО поковки поступают на очистку поверхности. При неполном удалении окалины, образующейся при нагреве стальных заготовок под штамповку, часть ее оказывается вмятой в поверхность поковок во время штамповки и остается на ней в виде малозаметных пятен. Кроме того, поверхность поковок во время остывания после штамповки покрывается тонким слоем вновь образуемой окалины, который значительно увеличивается при последующей ТО. Окалину необходимо тщательно удалить, чтобы выявить брак по вмятинам от нее и по другим поверхностным дефектам, скрывающимся под окалиной, предать поверхностям поковок чистый и гладкий вид и подготовить их под покрытие или механическую обработку. Без этого режущий инструмент будет быстро изнашиваться, краска или любое другое покрытие на необработанных поверхностях будут непрочны и в последствии отлетят вместе с окалиной. Если поковки подвергают холодной правке и калибровке, то очищать от окалины их необходимо перед этими операциями. Существуют следующие способы отчистки: механическая, гидровлическая, пневматическая стуйно-абразивная, гидроабразивная, виброабразивная, в галтовочных барабанах, дробью, травлением и огневая очистка. 4.5. Технико-экономические показатели производства поковок и выбор способа получения заготовок методом обработки давлением. При выборе способа получения заготовок обработкой давлением необходимо учитывать: 1) высокую металлоемкость – затраты на металл достигают 60-80% от себестоимости поковки; 2) значительные энергоемкость и стоимость основного технологического оборудования; 3) высокую стоимость штамповой оснастки – затраты на оснастку состовляют 10-15% от себестоимости поковок. Критерием оптимальности технологического процесса получения поковок является его целесообразность при заданных объемах и условиях производства. При оценке того или иного варианта получения поковок следует ориентироваться на один или группу критериев: 1) себестоимость производства поковок или готовых изделий; 2) расход материала поковки или штампа; 3) трудоемкость в заготовительном и механическом производствах; 4) качество продукции. При анализе технико-экономических показателей основными из них являются стоимостные и натуральные (трудоемкость, коэффициенты использования металла, весовой точности и др.). Для упрощения расчетов в превыборе наиболее рационального способа получения заготовок можно пользоваться себестоимостью на горячие штамповки и поковки и коэффициентами изпользования металла и весовой точности. Значение коэффициентов при разных способах производства поковок. Способ производства Значения коэффициентов Ковка 0,26 0,28 0,92 Штамповка на молоте в открытом штампе 0,39 0,42 0,93 Штамповка на КГШП в закрытом штампе 0,48 0,51 0,94 Штамповка на ГКМ в закрытом штампе 0,53 0,55 0,96 Из анализа следует, что наиболее рентабельной является штамповка на горизонтально-ковочной машине, так как, отсутствует резка прутка на мерные заготовки; можно штамповать несколько заготовок с одного нагрева; отсутствует заусенец, нет необходимости в специальных обрезных штампах и специальном обрезном прессе; более высокая производительность. Штамповка на молоте наименее целесообразна, так как больше расход металла на напуски и припуски; значителен отход металла в заусенец; имеются обрезные штампы и прессы, дорого стоящие массивные штампы. 4.6. Сварные заготовки. В современном машиностроении широкое применение находят комбинированные детали, которые состоят из отдельных заготовок, полученных разными методами и в отдельных случаях из разных материалов. Соединения таких заготовок в единую конструкцию осуществляется методом сварки. Сложную конструкцию расчленять на составные части целесообразно в следующих случаях: - изготовление цельной конструкции связано с производственными трудностями, отсутствием оборудования и сложной механической обработкой; - цельная конструкция не технологична и ее изготовление связано с большим браком; - изготовление цельной конструкции требует применения разных конструкционных материалов по их свойствам; - изготовление цельной конструкции не возможно из-за ее сложности даже при наличии имеющегося оборудования. При расчленении конструкции необходимо учитывать и возможности имеющихся сварочных процессов, т.е., обеспечить технологичность сварной конструкции. Для этого необходимо выбрать материал для заготовок, тип соединения под сварку и форму свариваемых элементов, способ сварки, предусматреть мероприятия по уменьшению сварочных деформаций и напряжений. Для получения сварных соединений, равноценных по работоспособности основному металлу, следует выбирать хорошо свариваемые материалы такие как низкоуглеродистые стали (спокойные) и многие низголегированные стали, а также ряд сплавов цветных металлов. При использовании таких материалов в зоне основного металла, расположенной в близи шва в меньшей степени изменяются структура, химсостав и механические свойства по сравнению с металлом шва, что способствует обеспечению равномерности свойств шва и основного металла. Выбраный тип сварного соединения заготовок определяет взаимное расположение свариваемых элементов и форму подготовки (разделку) их кромок под сварку. В основном применяют 4 основных типа сварных соединений: стыковое, тавровое, нахлесточное и угловое. При конструировании размеры и форму свариваемых элементов выбирают с учетом: применение автоматических способов сварки; выполнения сварки в нижнем положении; свободного доступа к лицевой и корневой частям шва; проведения при необходимости подогрева и последующей термической и механической обработке; сведения к минимуму суммарной длины сварных швов и массы основного и направленного металлов и т.д. Способ сварки следует выбирать изходя из степени теплового воздействия на металл; качество получаемых соединений; технологических возможностей; производительности; степени автоматизации и механизации производства. По степени уменьшения зоны разогрева основные способы сварки можно расположить в следующем порядке: эллектрошлаковая, газовая, автоматическая под флюсом, ручная дуговая, дуговая в защитных газах, контактная, плазменной струей, электронно-лучевая и др. Мероприятия по уменьшению сварочных деформаций и напряжений делятся на 3 группы: конструктивные, технологические, проводимые в процессе сварки и технологические, проводимые после сварки. Первая и вторая группы мероприятий имеют целью предотвращение возникновения деформаций, третья группа направлена на устранение возникших деформаций в готовых изделиях. Конструктивные мероприятия заключаются в следующем: - сечение сварных швов назначают минимальными (по условиям прочности). Увеличение сечения швов ведет к увеличению объемов, в которых протекают пластические деформации; - швы необходимо располагать возможно ближе к оси, проходящей через центр тяжести сечения. Каждую пару параллельных швов располагают симметрично относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения; - в отдельных конструкциях целесообразно применять вспомогательные элементы в виде ребер жесткости, диафрагм, косынок, распоров; - необходимо предусматривать возможность использования зажимных сборочно-сварочных приспособлений; - число швов в конструкции должно быть по возможности минимальным. Технологические меры (вторая группа): - назначение оптимального режима сварки, с тем, чтобы зона разогрева детали была минимальной; - правильный порядок наложения швов; - при выполнении швов большой протяженности использовать обратно-ступенчатый способ сварки; - проковка швов в процессе сварки; - применение способа обратных деформаций. Технлогические меры (третья группа): - общий высокий отпуск в термических печах; - местный высокий отпуск, механический отпуск; - термопластический отпуск, отжиг, метод обкатки и медот проковки. Точность размеров сваркой конструкции определяется точностью полученных заготовок. Поэтому при расчленении конструкции следует использовать точные методы литься и обработки металлов давлением. Для получения максимального эффекта от внедрения сварных комбинированных деталей необходимо выбрать рациональный технологический процесс получения исходных заготовок. Условно сварные комбинированные заготовки делят на 4 группы: - листосварные детали, для которых исходными элементами являются заготовки из листового или профильного материала; - сварно-литые детали; штампо-ковано-сварные детали; сварно-комбинированные детали, где одновременно могут быть изпользованы заготовки, полученные литьем, ковкой или штамповкой и вырезкой из листового или профильного проката. При использовании хорошо свариваемых конструкционных материалов для получения комбинированных конструкций первой группы необходимо учитывать и снижение трудоемкости изготовления изделия. Примером этому служат тормозные воздушные баллоны грузовых автомобилей, изготовляемые в условиях крупносерийного и массового производства. Воздушный балон (рис.4.4) имеет обечайку 1 из горячекатанной стали 20 кп толщиной 2 мм и два штампованных днища 2 из стали 0,8 кп толщиной 2,5 мм. Соединение обейчайки с днищем производят дуговой сваркой в атмосфере углекислого газа. При изготовлении кранового барабана весом 24 т (рис.4.5) (вторая группа комбинированных заготовок) производили деление на 6 частей Полученные отливки из стали 20 л подвергали предварительной механической обработке, а затем соединяли электрошлаковой сваркой, после чего проводили окончательную механическую обработку. Рис. 4.4 Вздушный тормозной баллон грузового автомобиля. Рис 4.5. Крановый барабан. Примером получения штампо-ковано-сварной конструкции может служить сосуд среднего давления из стали Ст3сп (рис.4.6) с плоским днищем. Для устранения опасности перерезания волокон металла днище 2 штампуют, а корпус 1 получают методом ковки. Для соединения с корпусом применяют автоматическую сварку под флюсом. Рис.4.6 Сварной сосуд среднего давления Рис.4.7. Вал звездочки. Вал звездочки ( рис 4.7.) может служить примером получения конструкции четвертой группы. Он состоит из двух кованных деталей 1 из стали Ст3 и звездочки 2, отлитой из стали 30Л. Прежде чем применить сварную комбинированную заготовку, необходимо убедиться в целесообразности ее применения. Поэтому ни один из методов получения заготовки не нуждается в столь тщательно техники-экоономическом анализе, как данный метод, ибо он дает возможность получать заготовки очень сложных конструктивных форм. При сравнительно технико-экономическом анализе цельных и сварных конструкций обязательным является определение числа «критической» серийности, которое показывает, при каком колличестве деталей наиболее экономичен сварной вариант. Число критической серийности можно подсчитать по формуле Где М – стоимость одного модельного комплекта или штампа; S – стоимость одной комбинированной конструкции; О – стоимость одной цельной детали. Изготовление крупных цельнокованных деталей, как правило, сопряжено с большими отходами материалла, со значительной неоднородностью свойств металла по сечению поковки, с потребностью в уникальном оборудовании. Применение вместо поковок сварной детали из отдельных кованных или штампованных заготовок приводит к значительному эффекту, повышению качества изделия. 4.7. Взаимосвязь заготовки и структуры технологического процесса изготовления детали. Важнейшей задачей машиностроения является снижение доли механической обработки в общей трудоемкости изготовления машин на основе повышения точности заготовки, приближение из форм и размеров к готовым деталям. Как было показано ранее, удельный вес механической обработки по трудоемкости составляет 12-15%, в связи с чем отходы производства в виде стружки составили 19,3% от общего потребления черных металлов в 1970 году. Такое положение вызвало необходимость разработки и внедрения новых, материало-сберегающих процессов получения заготовок с достаточно точными размерами и малой шероховатостью поверхности, требующих незначительной механической обработки или не нуждающихся в ней. В связи с этим выбор прогрессивных заготовок будет существенно влиять на структуру технологического процесса изготовления деталей на маталлорежущих станках. Так, отливки, получаемые литьем под давлением, имеют точность размеров по 11 и даже 10 квалитету, параметр шероховатости поверхности , а при штамповке изделий методом выдавливания допуски на размеры составляют 0,02-0,05 мм, с чистотой поверхности В отдельных случаях таким заготовкам требуется только отделочные операции или же детали идут на сборку без дополнительных операций. При производстве заготовок методом литья в разовые песчано-глинистые формы или методом ковки имеются большие припуски на механическую обработку и напуски. Для этих заготовок требуется другая группа станков, чтобы обеспечить черновую и чистовую обработку. Становится целесообразным применять малоотходные технологии, как литье под давлением, по выплавляемым моделям, штамповку выдавливанием в разъемных матрицах, изотермическую штамповку, порошковую металлургию и др. Следует стремиться к нормализации и унификации не только оснастки, но и оборудования для увеличения серийности производства. При разработке оснастки необходимо предусматривать изготовление универсальных блоков, которые могу быть использованы для производства большой номенклатуры деталей путем замены или переточки вставок. Изготовление полостей прессформ и гравюр штампа можно осуществлять разными способами: механическим, эллектрохимическим, электрофизическим, а так же вдавливанием мастер-пуансона и литьем. Технологический процесс изготовления детали представляет собой сложную систему, определяемую большим числом параметров, каждый из которых зависит от физических, экономических, технических и других факторов. Поэтому выбор наиболее эффективного технологического процесса изготовления детали является неразрешимой задачей в условиях «ручного» проектирования технологических процессов. По этой причине в производстве имеет место завышенный разход материалов и энергоресурсов, не эффективная использование оборудования и т.п. При выборе оптимального способа получения заготовки желательно использовать ЭВМ, что позволит не только повысить эффективность работы инженерно-технических работников, но и значительно сократить время подготовки производства при более качественной ее проработки. Показателями, по которым осуществляется выбор оптимального способа получения заготовки могут быть: - коэффициенты использования металла, весовой точности выхода годного; - трудоемкость изготовления заготовки, механической обработки этой заготовки, трудоемкость общая изготовление детали; - себестоимость изготовления заготовки, механической обработки заготовки, общая себестоимость изготовления детали; - производительность используемого оборудования; - длительность производственного цикла; - уровень автоматизации; - квалификация используемых рабочих и т.п. Выбор оптимального способа получения заготовки должен решаться путем системного анализа, т.е., анализа возможно большего числа факторов, характеризующих весь производственный цикл получения детали и влияющих на эффективность конечного результата. ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Цель изучения дисциплины ……………………………………………. 1 2. Введение ………………………………………………………………… 1 3. Заготовки, получаемые литьем ……………………………………….....3 3.1. Сплавы, применяемые для производства отливок …………………. 6 3.2 Основы конструирования литых заготовок …………………………. 9 3.3. Способы производства литых заготовок и их технологические характеристики …………………………………………………………………… 35 3.3.1. Заготовки, получаемые литьем в песчаные формы ……………... 36 3.3.2. Литье в металлические формы (кокили) …………………………. 41 3.3.3. Центробежное литье ……………………………………………….. 47 3.3.4. Литье под давлением ………………………………………………. 49 3.3.5. Штамповка жидкого металла ……………………………………... 54 3.3.6. Литье по выплавляемым моделям ………………………………... 56 3.3.7. Литье в оболочковые формы …………………………………….... 58 3.4. Технико-экономическая эффективность производства литых заготовок, получаемых разными способами литья …………………………….. 60 4. Способы производства заготовок пластическим деформированием и их технологические характеристики ……………………………………………. 62 4.1. Заготовки из сортового и специального проката ………………….. 65 4.2. Производство заготовок ковкой и штамповкой ………………….... 67 4.3. Производство заготовок методом ковки ………………………….... 71 4.4. Производство паковок объемной горячей штамповкой …………... 75 4.4.1. Производство поковок штамповкой на молотах …………........... 84 4.4.2. Получение поковок на кривошипных горячештамповочных прессах КГШП ……………………………………………………………………. 86 4.4.3. Особенности штамповки поковок на фрикционных винтовых прессах …………………………………………………………………………….. 90 4.4.4. Штамповка на гидравлических прессах ………………………….. 92 4.4.5. Штамповка на горизонтально-ковочных машинах ……………… 94 4.4.6. Отделочные операции горячей объемной штамповки ……………97 4.4.7.Штамповка на специализированных машинах ………………….. 101 4.4.8. Завершающие операции производства поковок ………………... 104 4.5. Технико-экономические показатели производства поковок и выбор способа получения заготовок методом обработки давлением ……………….. 105 4.6. Сварные заготовки …………………………………………………. 107 4.7. Взаимосвязь заготовки и структуры технологического процесса изготовления детали …………………………………………………………….. 113