Гинберг А.M. и др. Технология важнейших отраслей промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

251

Единовременные расходы b определяют из уравнения

где C

— заработная плата наладчиков оборудования, I — стоимость

специальной оснастки (штампов, пресс- форм, специальных приспособлений и

инструментов), потребной для выполнения заданною количества деталей, к —

коэффициент, учитывающий срок службы оснастки и расходы на ее

эксплуатацию.

Экономическую оценку двух вариантов технологического процесса

механообработки для принятия того или другого в производство можно

осуществить, построив график (рис. 17.4) по двум уравнениям:

N + b

;

= a

N+ b

При годовом выпуске N < N

— критическая партия обрабатываемых

деталей) экономически целесообразным будет 1-й вариант, так как

< S

. При

годовой программе выпуска N > N

целесообразно принять 2-й вариант

технологического процесса, так как

< S

Размер критической партии N

находится по формуле

-b

При N = N

оба варианта технологического процесса экономически равноценны.

IUl

252

Глава 18 Межотраслевые технологические процессы изготовления

заготовок и деталей

§ 18.1. Основы технологии литейного производства

Литье является одним из важнейших и распространенных способов

изготовления заготовок и деталей машин. Литьем получают заготовки

различных конфигураций, размеров и массы из различных металлов и сплавов:

чугуна, стали, сплавов меди, алюминия, магния и т. д. Литье наиболее простой и

дешевый, а иногда и единственный способ изготовления заготовок. Точные

методы литья позволяют получать отливки с высокой точностью размеров и

малой шероховатостью поверхностей, часто не требующие дальнейшей

механической обработки. Наряду с достоинствами литье имеет и недостатки,

основным из которых является неоднородность химического состава и низкие

механические качества получаемых отливок.

Сущность процесса литья заключается в том, что расплавленный металл

определенного химического состава заливается в заранее приготовленную

литейную форму, полость которой по своим размерам и конфигурации

соответствует форме и размерам требуемой заготовки. После остывания

заготовки или готовые детали, называемые

отливками, извлекают из форм.

Литейные формы могут быть разового и многократного применения

(постоянные или полу постоянные),

Для получения отливок высокого качества литейные сплавы должны

обладать определенными литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью,

низкой усадкой, иметь химическую однородность структуры, низкую

температуру плавления и т. д.

Плавление металлов перед наливкой в формы выполняют на различном

оборудовании, например: чугун — в вaгpaнкax и шахтных печах; углеродистые

и легированные стали — в мартеновских и электропечах; медные сплавы — в

дуговых, индукционных и пламенных отражательных печах, а также в тиглях;

алюминиевые сплавы — в электрических и пламенных печах.

Большую часть чугунных и стальных отливок получают методом литья в

песчано-глинистые формы (до 60% общего объема). Для получения отливок с

высокой точностью, минимальными припусками на механическую обработку,

высоким классом шероховатости поверхностей и лучшей структурой металла

применяют специальные способы литья: литье в постоянные металлические

формы (кокили), центробежное литье, литье под давлением, литье но

выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы и т. д.

Литье в песчано-глинистые формы

Литье в песчано-глинистые формы является наиболее распространенным

способом изготовления крупных отливок сложной формы. Технологический

процесс литья состоит из ряда операций: изготовления модельной оснастки,

приготовления формовочных и стержневых смесей, изготовления стержней и

формовки по модели, сушки стержней и полуформ, сборки форм, заливки

253

заранее приготовленного металла в форму, остывания отливки в форме, выбивки

отливки из формы, обрубки литников, выпоров и прибылей, удаления стержней,

очистки отливки.

Комплект модельной оснастки включает модели, подмодельные плиты,

стержневые ящики, опоки.

Модель

— приспособление для получения в песчаной форме отпечатка,

наружная конфигурация которого соответствует форме отливки. В зависимости

от масштабов и характера производства модели изготовляют из дерева,

металлических сплавов или пластмасс. В единичном и мелкосерийном

производстве применяют деревянные модели, в крупносерийном и массовом —

металлические.

Деревянные модели изготовляют из сосны, бука, ясеня. Размеры модели

устанавливают с учетом линейной усадки металла и припусков элементов

отливки, подлежащих дальнейшей механической обработке. Модели могут

быть цельными или разъемными. Во избежание порчи от соприкосновения с

влажной формовочной смесью деревянные модели окрашивают красками и

покрывают лаками.

Стержневые ящики

— это приспособления, применяемые для

изготовления стержней. Они могут быть деревянными или металлическими,

цельными или разъемными (в зависимости от форм стержней).

Металлические модели и стержневые ящики чаще всего изготовляют из

алюминиевых сплавов и чугуна. Готовая отливка (а) и элементы модельной

оснастки показаны на рис. 18.1 (б — разъемная модель,

в — разъемный

стержневой ящик,

г — стержень). Для изготовления литейной формы

необходимы также

опоки, представляющие собой металлические рамы

различной конфигурации, которые служат для уплотнения в них формовочной

смеси при изготовлении форм.

Приготовление формовочных и стержневых смесей. Качество отливки во

многом определяется свойствами и качеством формовочных и стержневых

смесей. Основными требованиями, предъявляемыми к формовочным и

стержневым смесям, являются: прочность, пластичность, огнеупорность,

газопроницаемость и т. д.

Формовочные материалы представляют собой смесь кварцевого песка и

глины с добавлением каменноугольной пыли, молотого угля, древесных

опилок, жидкого стекла, цемента, битума, пека, искусственной смолы или

других веществ. Используют также самотвердеющие смеси:

холоднотвердеющие (на воздухе) — XTC и жидкие ЖСС, включающие

минимальное количество глинистых веществ с добавлением синтетических

смол, жидкого стекла и других компонентов. Самотвердеющие смеси ускоряют

процесс формовки.

254

Приготовление формовочных и стержневых смесей состоит из ряда

технологических операций: дроблении отдельных свежих материалов,

последующей их сушки, просеивания через ста и смешивания отдельных

компонентов. Бывшая в употреблении горелая смесь сепарируется,

просеивается и добавляется к свежеприготовленной формовочной смеси.

По назначению формовочные смеси подразделяются на облицовочные,

наполнительные и единые. Облицовочные смеси соприкасаются с

расплавленным металлом и должны иметь более высокие технологические

свойства. Наполнительные

единые смеси состоят в основном из бывшей в

употреблении формовочной земли.

Изготовление стержней из стержневых смесей осуществляют ручным или

машинным способом. При ручном способе стержневую смесь засыпают

вручную и утрамбовывают в стержневом ящике, а изготовленный стержень

просушивают. При машинном способе изготовления стержней применяют

специальные стержневые машины, действующие по принципу встряхивания,

прессования и бросания.

Формовка

— процесс изготовления разовой литейной формы,

осуществляемый с помощью машин или вручную. Ручная формовка является

трудоемким процессом и ее применение постоянно сокращается. Более

эффективна машинная формовка, которая не только способствует повышению

производительности труда, но и облегчает условия труда, улучшает качество

литейных форм.

В машинах, работающих но принципу прессования (рис. 18.2, а — верхнего,

б — нижнего), формовочная смесь, засыпанная из бункера, уплотняется плитой-

колодой. Недостатком процесса прессования является неравномерность

уплотнения формовочной смеси (большую плотность получают верхние слои).

Машина, работающая по методу встряхивания (рис. 18.3), представляет

собой стол 1 с модельной доской и моделью 2, который под давлением сжатого

воздуха, поступающего через канал 5, поднимается на высоту, определяемую

местоположением выпускного канала

6. Вследствие снижения давления при

выпуске воздуха через канал 6 стол падает, и формовочная смесь 4, засыпаемая

в опоку 3, уплотняется. Наибольшую плотность получают слои, находящиеся

вблизи модели. Для более равномерного уплотнения слоев формовочной смеси

применяют встряхивающие машины с допрессовкой.

255

Применяют также формовочные машины, работающие по методу бросания

— пескометы (рис. 18.4). С помощью быстро вращающегося ковша 1

формовочная смесь, поступающая через загрузочное окно 2, выбрасывается в

опоку 3. Процесс формовки с помощью пескометов отличается высокой

производительностью и равномерным уплотнением формовочной смеси. При

машинной формовке механизируется и операция извлечения моделей из форм.

Сушку форм и стержней, изготовленных из песчано-глинистых смесей,

осуществляют в специальных устройствах (сушилах) при температуре 200 —

350°С. Это повышает прочность и увеличивает газопроницаемость форм и

стержней.

Сборка форм — одна из ответственных операций процесса литья, от которой

зависит форма и точность размеров будущей отливки

Металл заливают

в форму с помощью специальных ковшей. Формы

устанавливают на полу цеха (в единичном производстве) или на конвейерах,

рольгангах (в серийном и массовом производствах). После охлажде- ния

отливки песчано-глинистые формы разрушают. В современных литейных цехах

отливки выбивают на специальных вибрационных решетках.

Обрубку литников, выпоров и прибылей выполняют ленточными и

дисковыми пилами, а также с помощью газовой или дуговой резки

Стержни удаляют под давлением струи воды в специальных гидравлических

камерах.

Очистка отливок от формовочной смеси ведется вручную или механически

во вращающихся барабанах. В серийном и массовом производствах для очистки

отливок применяют дробеструйные и дробеметные установки, повышающие

качество и производительность очистки.

Большое значение для облегчения и экономии труда в литейном

производстве имеет комплексная механизация и автоматизация. При

комплексной механизации основные и вспомогательные операции выполняются

с помощью машин например: операции приготовления формовочных смесей,

перемещения формовочных смесей к месту формовки с помощью

транспортеров, изготовления стержней на стержневых машинах, формовки по

модели на формовочных машинах, заливки металла на конвейерных установках

и т. д.

На предприятиях, производящих литье в массовом количестве, созданы

автоматические и полуавтоматические поточные линии. Автоматизация

способствует повышению производительности литейного производства,

256

улучшению качества литья, созданию более благоприятных санитарных

условий для работающих.

Специальные способы литья

Литье в постоянные металлические формы (кокили) — один из

распространенных прогрессивных способов, которым можно получать отливки

из чугуна, стали и цветных сплавов. Кокили — литейные формы многократного

использования (5000 раз при заливке чугуна. 700 раз при заливке стали). Их

изготовляют из чугуна или стали, цельными и разъемными. Наибольшее

распространение получили разъемные кокили, состоящие из двух частей с

горизонтальной или вертикальной плоскостью разъема (рис. 18.5).

Процесс литья в кокили включает следующие операции: очистку кокиля,

нанесение на внутреннюю полость кокиля огнеупорной обмазки для

предотвращения поверхностной закалки стали и отбеливания чугуна, нагрев

кокиля до 200— 300°С, сборку полуформ, заливку расплавленного металла.

Производительность труда при литье в кокили значительно повышается при

использовании многопозиционных машин карусельного типа, на определенных

позициях которых последовательно выполняется одна из операций.

Преимуществами литья в кокили по сравнению с литьем в разовые песчано-

глинистые формы являются: получение отливок более точных размеров и форм,

мелкозернистая структура металла, обеспечение высокой производительности

труда, более низкой стоимости отливок, улучшение условий труда литейщиков

и т. д.

Недостатки метода — высокая стоимость кокилей, низкая

газопроницаемость и податливость металлической формы, приводящая к

образованию газовых раковин и трещин в отливках.

Центробежное литье — высокопроизводительный способ изготовления

отливок тел вращения с центральным отверстием — труб, втулок и др., а также

фасонного литья. Сущность литья заключается в том, что расплавленный

металл заливается во вращающуюся форму. Под действием центробежных сил

он отбрасывается к стенкам формы, затвердевает, получая плотную структуру

без усадочных раковин. Неметаллические включения собираются на внутренней

стороне отливки и удаляются при дальнейшей механической обработке.

257

Для центробежного литья применяют два типа машин: с горизонтальной и

вертикальной осями вращения формы. В машинах с горизонтальной осью

вращения (рис. 18.6, а) металл из ковша 1 через желоб 2 заливается во

вращающуюся форму 3, где затвердевает. После охлаждения готовая отливка с

помощью специальных приспособлений извлекается из формы. Отливки

получаются точной конфигурации, с малой шероховатостью поверхностей и

имеют плотную мелкозернистую структуру металла.

Центробежным литьем получают отливки из чугуна, стали и цветных

сплавов

Машины с горизонтальной осью вращения применяют для изготовления

чугунных и стальных труб, втулок и других тел вращения с отверстием.

Машины с вертикальной осью вращения (рис. 18.6, б) — для получения

фасонного литья малой высоты.

Центробежное литье обеспечивает высокую производительность труда, не

требует изготовления стержней и затрат на формовочные смеси, обеспечивает

высокое качество отливок, сокращает потери от брака, улучшает условия труда

и т. д.

Литье под давлением — один из производительных и точных методов литья,

применяемый для получения отливок мелких и средних размеров из сплавов

цветных металлов (цинковых, алюминиевых, медных и магниевых). Литейную

пресс-форму изготовляют обычно из углеродистой или легированной стали

разъемной, состоящей из подвижной и неподвижной частей, образующих

полость для заливки металла.

Сущность процесса литья заключается в том, что расплавленный металл

заполняет пресс-форму 1, 2 под давлением поршня 3. После затвердевания

металла форма раскрывается и отливка извлекается (рис. 18.7, а).

Применяют поршневые машины с горячей и холодной (горизонтальной или

вертикальной) камерой прессования. Поршневые машины с горячей камерой

прессования применяют для изготовления небольших отливок из магниевых и

цинковых сплавов. Камера прессования указанных машин располагается в

обогреваемом тигле 4.

258

При движении прессующего поршня вниз определенное количество металла

через отверстие 5 поступает в металлопровод 6 и далее заполняет полость

пресс-формы (рис. 18.7, а).

Машины с холодной камерой прессования используют в основном для литья

корпусных деталей из более тугоплавких цветных сплавов: алюминиевых и

медных. В этих машинах расплавленный металл мерными дозами заливают в

камеру прессования, в которой прессующий поршень перемещается в

горизонтальной или вертикальной плоскости (рис. 18.7, б,

в). Наиболее

эффективны машины с горизонтальной холодной камерой прессования, так как

здесь снижаются гидравлические потери и отсутствуй пресс-остаток металла.

Литье в оболочковые формы — один из точных методов, применяемый в

массовом и крупносерийном производствах для изготовления фасонных

отливок из стали, алюминиевых и медных сплавов. Для получения оболочек

используют смесь кварцевого песка с термореактивной смолой, которая при 100

— 200°C расплавляется, а при дальнейшем нагреве до 200 — 250°C необратимо

затвердевает, поэтому подмодельную плиту и металлическую полумодель

нагревают до 200—250°C. Модель 1 покрывают разделительным составом

(например, силиконовой жидкостью), затем се вместе с подмодельной плитой 5

закрепляют на бункере 2, в котором находится песчано-смоляная смесь 3 (рис.

18.8, а, б). Бункер переворачивают (рис. 18.8, в), и смесь, соприкасаясь с

нагретой моделью, плавится, образуя оболочку 4 толщиной 5—15 мм (рис. 18.8,

д). При возвращении бункера в исходное положение (рис. 18.8, г) модель с

образованной оболочкой 4 снимают (рис. 18.8, г)) и просушивают в

электрической печи при тeмnepaтype 300—350°C (в течение 1—3 мин).

Отвердевшую оболочку снимают с полумодели. Так же изготовляют вторую

полуформу. Далее полуформы собирают, склеивают, при необходимости

устанавливают стержень. Полученную оболочковую форму укладывают в

опоку и засыпают песком (рис 18.8,е). Металл заливают в формы через

литниковый канал и после его охлаждения форму разрушают, а отливку

подвергают дальнейшей обработке.

Литье в оболочковые формы легко механизируется и автоматизируется.

Получили распространение одно-, двух- и четырехпозиционные машины с

полуавтоматическим или автоматическим управлением.

Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую точность размеров

отливок (до 12—13-го квалитетов точности), малую шероховатость

поверхностей, высококачественную структуру металла, снижение брака литья,

высокую производительность труда, снижение затрат на последующую

механическую обработку (в некоторых случаях механическая обработка вообще

не требуется) и т. д.

Литье но выплавляемым моделям, являющееся одним из древнейших

методов художественного и производственного литья, получило в последние

годы большое распространение в промышленности. Это объясняется высокой

точностью получаемых отливок. Однако сложность и высокая трудоемкость

технологического процесса, высокая стоимость отливок заставляют применять

259

этот способ лишь для изготовления отливок особо сложной формы или из

труднообрабатываемых легированных сталей и твердых сплавов в массовом или

крупносерийном производствах.

Литье по выплавляемым моделям включает следующие этапы. Сначала

изготовляется модель-эталон отливки из легкообрабатываемого сплава

(алюминиевого или медного). По металлическому эталону изготовляют пресс-

форму, в которой прессуют модель из легкоплавких материалов (парафина,

стеарина, полистирола, цезерина, воска и др.). Такую модель покрывают

огнеупорным составом — керамической суспензией и кварцевым песком, а

затем просушивают при 150 —200°С. Эту операцию повторяют многократно

для получения более прочной формы. При этом расплавленный материал

вытекает из формы. Полученную огнеупорную литейную форму прокаливают в

печи при 800—850°C. Далее форму устанавливают в опоку с песком иди другим

наполнительным материалом и подвергают обжигу, после которого форма

готова к заливке металла. Очистку отливки от остатков керамического

покрытия осуществляют выщелачиванием с последующей ее промывкой в

горячей воде.

При изготовлении мелких и средних деталей целесообразно изготовлять

модельные блоки (на рис 18.9, а — блок моделей, б —блок, покрытый слоем

огнеупорного материала,

в — заформованный блок моделей), состоящие из

нескольких моделей, связанных литниковой системой.

Для определения эффективности применения любого метода литья

необходимо проводить технико-экономический анализ, учитывающий все

производственные факторы.

Одним из недостатков процесса литья является относительно большой

процент брака. Наиболее характерными дефектами литья являются: трещины,

раковины (воздушные, газовые, шлаковые), ликвация — неоднородность

химическою состава сплавов, возникающая при их кристаллизации, заливы,

недоливы, перекосы, коробление и пр.

Для снижения брака в литейном производстве необходимо проводить

контроль на всех стадиях технологического процесса литья. а исправимые

дефекты и пороки литья (например, открытые раковины, наружные трещины)

целесообразно исправлять: заваривать, заделывать пробками и др.

§ 18.2. Основы технологии производства заготовок методами пластической

деформации

Методами пластической деформации получают заготовки (детали) из стали,

цветных металлов и их сплавов, пластмасс, резины, древесных пластиков,

многих керамических материалов, стекла, химических волокон и др. Широкое

распространение методов пластической деформации обусловливается их

высокой производительностью и обеспечением высокого качества изделий.

Наряду с традиционными методами (прокатка, волочение. ковка и др.)

применяются новейшие методы (обработка металлов давлением с наложением

260

ультразвука, листовая штамповка с использованием взрыва и др.).

Отечественной науке принадлежит приоритет создания электрогидравлической

штамповки.

Важной задачей технологии является получение заготовок,

приближающихся по форме и размерам к готовым деталям. Заготовки,

получаемые методами пластической деформации, имеют минимальные

припуски на механическую обработку, а иногда не требуют такой обработки.

На формообразование заготовок из конструкционных материалов влияет

пластичность материалов, т. е. способность твердых тел изменять форму иод

воздействием внешних сил не разрушаясь и сохранять полученную форму после

прекращения действия силы. Природная пластичность различных материалов

неодинакова. Одни материалы обладают высокой пластичностью в холодном

состоянии и могут изменять свою форму без предварительного нагрева. Другие

для повышения пластичности нагревают и подвергают пластической

деформации в горячем состоянии. Правильный выбор температурного режима

при формообразовании методами пластической деформации определяет

качество заготовки или изделия. Пластичность зависит также от структуры и

химического состава материала.

Для нагрева заготовок применяют нагревательные печи и

электронагревательные ycтройства. По роду источника теплоты печи делятся на

пламенные и электрические. По характеру работы пламенные печи делятся на

камерные и методические, по методу работы — на периодические

(нагревательные колодцы, камерные пламенные печи) и непрерывные

(методические, кольцевые, карусельные и др.), по технологическому признаку

— на печи обыкновенного, безокнслительного и малоокислительного нагрева.

Наибольшее распространение получили камерные пламенные печи с

рекуператором, методические печи, нагревательные колодцы и электрические

печи.

В камерных пламенных печах с рекуператором КПД выше, чем в печах

без рекуператоров, так как воздух для горения топлива (жидкого,

газообразного) подогревается, проходя по каналам, омываемым отходящими

газами.

В методических печах заготовки, поступающие в печь, постепенно

передвигаются вдоль пода печи навстречу продуктам горения.

Нагревательные колодцы, отапливаемые обычно доменным или коксовым газом,

применяют для нагрева больших слитков (в прокатном производстве), которые

опускают в отверстие свода, находящееся на уровне рабочей площадки цеха.

Извлекают их из колодцев с помощью кранов с клещевым захватом.

Электрические печи обеспечивают более качественный нагрев, так как здесь

заготовки не соприкасаются с продуктами горения, как в пламенных печах, и

потери металла от окисления в 4—5 раз меньше, чем в пламенных печах.

Продолжительность нагрева в электропечах по сравнению с нагревом в

пламенных сокращается в 8—10 раз.