Міністерство освіти і науки україни

Міністерство освіти і науки україни

національний технічний університет
«Харківський політехнічний інститут»

Методичні вказівки
до лабораторних занять з курсу
«Технологія конструкційних матеріалів»
для студентів всіх спеціальностей за напрямами підготовки
6.050502 «Інженерна механіка», 6.050503 «Машинобудування»

Затверджено
редакційно-видавничою радою університету,
протокол № від

Харків НТУ «ХПІ» 2011

Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу «Технологія конструкційних матеріалів» для студентів всіх спеціальностей за напрямами підготовки «Інженерна механіка» та «Машинобудування» денної та заочної форми навчання. /Упорядн. В.В. Дмитрик, Б.В. Сітніков, О.В. Тітаренко – Харкiв: НТУ «ХПІ», 2011. – 15с.

Відповідальний випусковий: проф., канд. техн. наук Христофоров А.І.

Рецензент: проф., докт. техн. наук Акімов О.В.

© НТУ «ХПІ»

Лабораторная работа №1

«ИЗГОТОВЛЕНИЕ РАЗОВОЙ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ»

Цель работы: ознакомиться с технологией получения литых заготовок, методами выплавки сплавов, способами заливки металла в формы, типами литниковых систем и модельным комплектом. Приобрести навыки в изготовлении разовых (песчаных) форм, разработке чертежей отливки, заливки, выбивки и очистки литья, а также анализа причин брака в отливках с целью их устранения.

1 Указания по подготовке к работе

Перед проведением работы следует ознакомиться с модельным комплектом и его ролью в процессе изготовления формы, материалами, используемыми для изготовления разовых форм (формовочными и стержневыми смесями) и требованиями, предъявляемыми к ним.

Необходимо ознакомиться с формовочным инструментом, опочной оснасткой, типами литниковых систем, с отдельными элементами литниковых систем и упрощенными методами их расчета. Знать наиболее характерные виды брака, встречающиеся в отливках, уметь объяснить причины появления их и пути устранения.

Для успешного выполнения необходимо ознакомиться с рекомендованной литературой по этой работе [1, 2, 3, 4], изучить данную инструкцию и проанализировать технологический процесс получения отливки. Рекомендуется ответить на вопросы для самопроверки.

2 ОСНОВНые ПОЛОЖЕНиЯ

Литье – получение изделий (отливок) путем заливки в литейную форму различных расплавов (металлов, горных пород, керамич. материалов, пластмасс и др.), принимающих конфигурацию полости формы и сохраняющих ее после затвердевания. По сути это один из наиболее экономичных способов получения заготовок в машиностроении, приборостроении, строительстве и других отраслях промышленности.

Современные технологии литейного производства позволяют получать отливки с высокими эксплуатационными свойствами, способными работать на установках ответственного назначения (реактивные двигатели, атомные станции, турбины). Последние тенденции развития технологий литья связаны со снижением металлоемкости и энергоемкости процесса, его автоматизацией, улучшением качества заготовки и точности ее размеров, усовершенствованием условий труда, а также повышением уровня экологической безопасности производства.

Литейная технология может быть реализована различными способами: гравитационным литьем в разовые песчано-глинистые формы и специальными способами литья (в кокиль, по выплавляемым или выжигаемым моделям, под давлением, в оболочковые формы, центробежным и др.).

Благодаря низкой себестоимости, универсальности процесса (получение любых отливок как по массе, так и по роду металла) и быстрой подготовки производства в разовых песчано-глинистых формах производят примерно 80% всего объема выпуска отливок. Однако низкая точность и высокая шероховатость их поверхности, условия труда, технико-экономические показатели не всегда удовлетворяют требованиям современного производства [1,2].

Наиболее распространенными литейными сплавами являются сплавы на основе железа – чугуны и стали, сплавы на основе меди – бронзы и латуни, на основе алюминия – силумины, а также на основе титана, цинка и другие.

2.1 Общие сведения о литейной форме

Для получения отливок в разовых литейных формах (рис. 2.1) необходимо иметь модельный комплект, инструменты и приспособления, специально приготовленные разрыхленные стержневые и формовочные смеси, жидкий расплав материала отливки.

Рисунок 2.1 – Комплект для получения отливок в разовых литейных формах:
а) деталь – зубчатое колесо; б) отливка; в) модель; г) литейная песчано-глинистая форма.

Модельным комплектом называется совокупность оснастки и приспособлений, предназначенных для получения определенной отливки (т.е. модель отливки, модели элементов литниковой системы, стержневых ящиков, модельных или подмодельных плит, шаблонов, кондукторов и др.).

Модель – приспособление, при помощи которого в литейной форме воспроизводятся наружный контур будущей отливки (рис. 2.1 б) и знаки для крепления стержней (рис. 2.1 в). Модели делают из дерева (единичное производство), металла (массовое и крупносерийное производство), гипса (мелкосерийное производство), пластмассы и воска (серийное производство), а также других материалов.

По наружной конфигурации модель соответствует отливке и отличается от последней несколько увеличенными размерами, учитывающими усадку металла при остывании (линейная усадка серого чугуна составляет 0,7 – 1,3 %, алюминиевых сплавов – 0,9 – 1,4 %, медных сплавов – 1,25 – 2,4 % [2]) и знаковые части под установку стержней.

От готовой детали (рис. 2.1 а) модель отличается припусками на механическую обработку [7], формовочными уклонами и радиусами закруглений (галтели). Формовочные уклоны (как правило, на вертикальных стенках) предусмотрены для облегчения удаления модели из полости формы и стержня из стержневого ящика. Величина уклонов выбирается в зависимости от последующей обработки в диапазоне от 1/5 до 1/50 согласно ГОСТ 3212-92 [6].

По конструкции модели бывают разъемными, неразъемными, с отъемными частями и специальные (скелетные и шаблонные).

По способу изготовления литейных форм различают модели для машинной и ручной формовки.

Модели элементов литниковой системы (рис. 2.2) служат для образования в форме каналов, по которым жидкий металл подводится к полостям формы и питает отливку в процессе ее кристаллизации.

Рисунок 2.2 – Нормальная литниковая система:
1 – литниковая чаша; 2 – стояк; 3 – шлакоуловитель; 4 – питатели.

Основные элементы литниковой системы: литниковая чаша (рис. 2.1 – 1), стояк (рис. 2.1 – 2), шлакоуловитель (рис. 2.1 – 3), питатели (рис. 2.1 – 4). Эти элементы могут быть в полном комплекте, а могут некоторые из них и отсутствовать. Вместо литниковой чаши иногда изготовляют литниковую воронку (мелкое литье, литье стали из стопорных ковшей и др.). Питатели при ручной формовке, как правило, прорезает формовщик. Питатель не должен быть слишком большим по длине. Металл в полость формы должен поступать непрерывно по касательной.

Стержневой ящик служит для изготовления стержней, устанавливаемых в форму для образования как внутренних полостей, так и наружных сложных поверхностей отливки. Размеры стержневого ящика (как и модели) выполняются с учетом усадки сплава [6] и последующей механической обработки отверстий (полостей).

Формовочный инструмент делится на инструмент для наполнения опок и стержневых ящиков формовочной или стержневой смесью (лопаты трамбовки, линейки) и инструмент для извлечения модели из полости формы и отделки поверхности формы или стержня (крючки, подъемники, гладилки ложечки, ланцеты, пульверизаторы и др.).

Опоки – металлические (реже деревянные) рамки, служащие для удержания формовочной смеси, образующей литейную форму как при ее изготовлении и транспортировке, так и при последующей заливке и охлаждении отливки.

В единичном и мелкосерийном производстве перед набивкой опоки все модели (или их части) раскладываются на подмодельной плите. В процессе отделки формы к каждой из моделей прорезают питатели, а затем все элементы моделей по отдельности вынимают из формы. Для снижения трудоемкости работы по созданию формы в серийном и массовом производстве используют плиты с прикрепленными к их поверхности моделями изделия и литниковой системы – модельные плиты.

Литейная разовая песчано-глинистая форма (рис. 2.3) в большинстве случаев состоит из двух полуформ: верхней 7 и нижней 9, которые получают уплотнением формовочной смеси вокруг соответствующих частей (верхней и нижней) деревянной или металлической модели в опоках 3 и 5 [1].

Модель будущей отливки имеет четко ограниченную плоскость разъема и знаковые части 10 под установку стержня 8.

В верхней полуформе 7 с помощью моделей литниковой системы 1 выполняется воронка (литниковая чаша), каналы стояка и шлакоуловителя, а в нижней полуформе 9 – каналы питателей. Литейный сплав из разливочного ковша через воронку поступает в полость формы 2 и дополнительные полости прибыли 6. Прибыли являются дополнительным резервуаром жидкого расплава, который необходим для питания отливки при усадке металла в процессе его кристаллизации. Прибыли, как правило, устанавливаются над массивными частями отливки.

Рисунок 2.3 – Литейная разовая песчано-глинистая форма:
1 – литниковая система; 2 – полость формы; 3 – нижняя опока; 4 – штырь;
5 – верхняя опока; 6 – прибыль; 7 – верхняя полуформа; 8 – стержень; 9 – нижняя полуформа; 10 – знаковая часть стержня.

После уплотнения смеси модели отливки, литниковой системы и прибылей извлекают из полуформ. Затем в нижнюю полуформу 9 устанавливают стержень 8 и накрывают верхней полуформой. Необходимая точность соединения полуформ обеспечивается фиксирующими штырями 4. Перед заливкой сплава во избежание поднятия верхней полуформы жидким расплавом опоки скрепляют друг с другом специальными скобами или на верхнюю опоку устанавливают груз.

2.2 Формовочные и стержневые смеси

Состав формовочных и стержневых смесей может варьироваться в зависимости от рода сплава, массы и толщины стенки, конфигурации отливки, предъявляемых к ней требований по качеству, характера производства.

В качестве формовочных смесей для изготовления формы используют первичные (исходные) материалы (кварцевый песок и глина) и вспомогательные (связующие, молотый уголь, древесные опилки, торф, графит и др.). Их смешивают в определенной пропорции и при каждом повторном использовании освежают. Прочность таких смесей относительно невысока, поскольку под влиянием многократной термо-механической нагрузки зерна песка растрескиваются, а глина теряет связующие свойства. Повысить прочность формовочной смеси и одновременно сократить ее расход можно за счет использования специальных материалов (синтетические смолы) [1].

Стержневые смеси в процессе заливки формы испытывают большие термические и механические воздействия металла по сравнению с формовочными, поэтому они должны удовлетворять более жестким требованиям по качеству изготовления и свойствам. Их также готовят из первичных материалов, однако для скрепления зерен используют специальные крепители (связующие) из органических и неорганических материалов (канифоль, жидкое стекло, декстрин и др.) [2]. Готовые стержни сушат в специальных печах для увеличения их прочности, газопроницаемости и уменьшения газотворной способности. Перед установкой в форму стержни окрашивают красками из огнеупорных материалов (графита, пылевидного кварца), что необходимо для повышения чистоты поверхности отливки [4].

В современном производстве используются также жидкие самотвердеющие смеси (ЖСC) и песчаные самотвердеющие смеси (ПОС). Через 30 – 50 мин после заполнения стержневого ящика или опоки такие смеси затвердевают без тепловой сушки.

Для обеспечения необходимого качества отливки формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью, т.е. воспринимать отпечаток модели; прочностью – выдерживать динамические и статистические воздействия жидкого металла; газопроницаемостью – способностью пропускать через себя газы; огнеупорностью – не плавиться и не спекаться под действием залитого в форму жидкого металла; долговечностью – сохранять рабочие свойства после заливки; непригораемостью, т.е. должно отсутствовать сцепление формовочного материала с поверхностью отливки; податливостью – способностью формы и стержней уменьшаться в объеме под действием усадки остывающей отливки.

2.3 Технологический процесс получения отливки

Весь цикл изготовления отливки [3] состоит из ряда основных и вспомогательных операций, осуществляемых как параллельно, так и последовательно в различных отделениях литейного цеха. Модели, стержневые ящики и другую оснастку изготовляют, как правило, в модельных цехах.

Последовательность технологического процесса получения отливок в разовой песчано-глинистой форме можно представить следующим образом (рис. 2.4) [1].

Рисунок 2.4 – Технологический процесс получения отливок
в разовой песчано-глинистой форме

При конструировании литой детали и модельно-стержневой оснастки необходимо обеспечивать максимальную их технологичность.

Под технологичностью подразумевают такую конструкцию литой детали и модельно-стержневой оснастки, которые при минимальной себестоимости и затратах материалов и при заданном качестве обеспечивают максимальные удобства в процессе ее отливки, последующей обработки (назначение припусков регламентируется согласно ГОСТ 26645-85 [7]) и эксплуатации. Обязательное условие технологичности литой детали – простота конструкции с использованием для ее изготовления минимального количества стержней.

Процесс изготовления формы – формовка – это наиболее трудоемкая операция изготовления отливки. Средняя трудоемкость формовочных работ составляет 30 – 60% общей трудоемкости изготовления отливок.

В качестве исходных материалов для получения жидкого чугуна и стали применяют чушковые литейные и передельные чугуны, чугунный и стальной лом, собственные отходы производства (литники, брак), брикетированную стружку, ферросплавы, топливо и флюсы (известняк).

В качестве плавильного оборудования применяют: вагранки, тигельные индукционные печи промышленной частоты, канальные индукционные печи, дуговые электропечи.

Формы заливают с помощью ковшей на формовочной площадке или на непрерывно движущихся конвейерах.

Полностью затвердевшая отливка должна определенное время охлаждаться с формой, так как прочность металла при высоких температурах мала.

Процесс выбивки отливок заключается в том, что затвердевшие и охладившиеся до заданной температуры отливки извлекают из формы. Для этого используют механические, эскцентриковые и инерционные решетки. Затем форму разрушают, из отливки удаляют стержни и отделяют литники и прибыли.

На заключительной стадии наружные и внутренние поверхности отливки очищают от пригоревшей смеси.

Контроль качества отливки производят, начиная с момента ее выбивки из формы. К основным дефектам, встречающимся у отливок, относят: газовые и усадочные раковины, шлаковые и песчаные раковины, спаи, превышение массы, повышенная твердость и шероховатость поверхности, холодные и горячие трещины, перекосы, разностенность. Для успешного устранения брака необходимо знать причины его возникновения и способы предупреждения возникновения дефектов.

3 Оборудование, приспособления, материалы

Для выполнения лабораторной работы необходимо следующее: плавильные печи, бегуны, материалы для приготовления формовочных и стержневых смесей (свежий кварцевый песок, отработанная формовочная смесь, глинистый песок и др.).

Инструменты для изготовления и отделки форм и стержней, разливочные ковши, термопары, модели и стержневые ящики, модели литниковой системы.

Плакаты по технологии изготовления разовых литейных форм, характерным видам брака и технике безопасности.

4 Порядок выполнения работы

После получения индивидуального или бригадного (два-три человека) задания (чертежа готовой детали) разработать технологический процесс на получение литой заготовки, сделать технологическую разметку и эскизы модельного комплекта для получения отливки в разовой литейной форме по деревянной или металлической, разъемной модели.

При разработке модельного комплекта особое внимание нужно обратить на конфигурацию модели: наличие отверстий, которые необходимо изготовлять литыми, радиусы закруглений, формовочные уклоны которые назначаются в зависимости от выбранной линии разъема, геометрии отливки, способа формовки и материала модели, согласно ГОСТ 3.1125-88 [5].

4.1 Изготовление разовой формы

После согласования разработанных эскизов модельного комплекта с преподавателем, получить соответствующий модельный комплект и приступить к изготовлению разовой литейной формы.

Процесс изготовления разовой формы по разъемной модели рекомендуется выполнять в следующей последовательности (рис. 2.5):

1. Нижнюю половину модели (не имеющую центрирующих шипов) положить плоскостью разъема вниз на подмодельную доску, припылить модельной пудрой и накрыть нижней опокой (рис. 2.5 а).

2. Через сито просеять облицовочную смесь, покрывая модель слоем толщиной 15…20 мм, а остальную часть опоки засыпать с избытком наполнительной формовочной смесью.

3. Уплотнить смесь ручной трамбовкой.

4. Линейкой срезать излишки формовочной смеси заподлицо с опокой.

5. Иглой наколоть вентиляционные каналы (рис. 2.5 б).

6. Набитую опоку перевернуть на 180°.

7. На нижнюю полумодель установить верхнюю полумодель и припылить ее.

Рисунок 2.5 - Формовка в двух опоках по неразъемной модели [1]

8. Плоскость разъема формы посыпать разделительным сухим песком.

9. На нижнюю опоку по штырям наложить верхнюю опоку.

10. Установить модели шлакоуловителя, стояка и выпора.

11. Просеять облицовочную смесь, уплотняя ее руками вокруг моделей литниковой системы (рис. 2.5 в).

12. Засыпать верхнюю опоку с избытком формовочной смесью.

13. Уплотнить формовочную смесь трамбовкой и линейкой срезать излишки смеси заподлицо с верхней опокой.

14. Иглой наколоть вентиляционные каналы в верхней полуформе и гладилкой вырезать возле стояка литниковую чашу (рис. 2.5 г).

15. Удалить из формы модели стояка и выпора (рис. 2.5 д).

16. Снять верхнюю опоку и перевернуть на 180° (рис. 2.5 е).

17. Кистью смочить формовочную смесь вокруг полумоделей.

18. Подъемником полумодели растолкать в стороны и осторожно удалить из форм.

19. В нижней полуформе прорезать питатели.

20. Форму поправить и выгладить инструментом.

21. Установить в нижнюю полуформу готовые стержни по знакам.

22. Накрыть верхней полуформой (рис. 2.5 ж) и нагрузить.

4.2 Плавка сплава и заливка форм

Жидкий металл выплавляется в тигельной лабораторной печи ЛПЗ-67 – чугун, или в печи СШОЛ – силумин (сплав алюминия с кремнием). В первом случае температура жидкого металла составляет 1280 – 1450 °С, в последнем – 750 – 780° С.

Для замера температуры используются термопары погружения (хромель-алюмеливые), соединенные с потенциометром.

После достижения сплавом заданной температуры учебный мастер извлекает тигель с жидким металлом из печи, осторожно ставит его на плац, счищает шлак и производит заливку форм. При заливке нельзя прерывать струю, во избежание неспаев и недоливов, не допускать разбрызгивание металла и его перелива.

При заливке формы металлом соблюдать правила техники безопасности. После затвердевания отливки (для мелких отливок выдержка 3-5 мин), форму выбить, отделить и удалить обгоревшую часть формовочной смеси. Отливку охладить на воздухе или в струе воды. Общий вид отливки с литниковой системой должен соответствовать, представленному на рис. 2.5 з.

Произвести осмотр. Выявить характерные браки, установить причины их появления и пути исправления. Убрать рабочее место. Оформить отчет и предъявить отливку преподавателю или учебному мастеру для оценки работы.

5 Указания по оформлению отчета

В отчете в сжатой форме должны быть отражены основные этапы процесса получения литой заготовки в разовой форме: технологические принципы конструирования модельного комплекта, эскизы модели, стерневого ящика, формы в сборе с указанием типа литниковой системы и места ее подвода к отливке. Укрупненный технологический процесс изготовления разовой формы. Характерный брак. Причины его появления. Пути устранения.

6 контрольные Вопросы

1. Назначение модели и стержневого ящика?

2. Главные отличия готовой детали от отливки и модели?

3. Из каких элементов состоит разовая песчано-глинистая форма?

4. Какой состав и свойства формовочной смеси?

5. Назначение стержня и требования, предъявляемые к стержневым смесям?

6. Что такое литниковая система, ее назначение и основные элементы?

7. Как изготовить разовую литейную форму?

8. Каковы браки при литье в разовые формы?

9. Причины возникновения браков и пути их устранения?

10. Техника безопасности при изготовлении формы, а также при заливке, выбивке и очистке отливки?

СПИСОК ЛиТЕРАТУРы

1. Кечин В.А., Селихов Г.Ф., Афонин А.Н. Проектирование и производство литых заготовок: Учеб. пособие. - Владимир: Владим. гос. ун-т, 2002. – 228 с.

2. Зотов Б.Н. Художественное литье: Учеб. пособие. – М.: Машиностроение, 1988. – 304 с.

3. Литейное производство: Учебник для металлургических специальностей вузов. Под общ. ред. д-ра техн. наук А.М. Михайлова – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1997. – 256 с.

4. Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. - М.: Машиностроение, 1974. – 472 с.

5. ГОСТ 3.1125-88. Единая система технологической документации. Правила графического выполнения элементов литейных форм и отливок. - Взамен ГОСТ 2.423-73; Введ. 01.01.89. - М.: Изд-во стандартов, 1989. – 13 с.

6. ГОСТ 3212-92. Комплекты модельные. Уклоны формовочные, стержневые знаки, допуски размеров. – Взамен ГОСТ 3212-80; Введ. 01.07.93. - М.: Изд-во стандартов, 1993. – 16 с.

7. ГОСТ 26645-85. Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку. – Взамен ГОСТ 1855-55; Введ. 01.07.87. - М.: Изд-во стандартов, 2002. – 36 с.

Дата добавления: 2015-08-28