Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции по проектированию производства заготовок - файл Лекции по ППЗ Исправл.doc


Лекции по проектированию производства заготовок
скачать (93.9 kb.)

Доступные файлы (1):

Лекции по ППЗ Исправл.doc538kb.03.11.2008 13:23скачать

содержание
Загрузка...

Лекции по ППЗ Исправл.doc

  1   2   3   4   5
Реклама MarketGid:
Загрузка...
1.Основы технико-экономического сравнительного анализа выбора заготовок
1.1.Производство и его характеристики
Производство — технико-организационное подразделения труда, предназначенное для получения продуктов труда.

Характеристика производства включает следующую информацию о нем:

  1. номенклатура продукции (станок, узел, деталь и др.);

  2. объем продукции и режим ее выпуска;

  3. вид процесса (механообработка, сборка, термообработка и др.);

  4. элементный состав (цех, участок, отдел, службы и др.);

  5. функции подразделений, структура их взаимодействия, иерархия подчиненности, степень автономности;

  6. согласованная по структурным уровням и элементам система качественных, количественных, экономических и других показателей.

Кроме того, имеют значение сведения о среде функционирования, степени автоматизации, непрерывности и др. Обычно производство характеризуется по основному виду производимой им продукции: машиностроительный завод, цех корпусных деталей, предметно замкнутый участок зубчатых колес, отделение гальванических покрытий и др.

Производственный процесс — это совокупность действий, связанных с функционированием данного производственного подразделения. Любое производство имеет иерархическую структуру, а следовательно, и процессы, происходящие в нем, также должны иметь аналогичную структуру. Таким образом, можно говорить о производственном процессе целого завода или его цеха, отдела, службы, участка вплоть до самой мелкой структурной единицы в виде технологической системы, станка, установки. Однако и этого дополнения еще недостаточно, чтобы представить всю технико-организационную структуру производственного процесса, а также комплекс его характеристик и показателей.

Обычно производственный процесс того или иного подразделения соотносят с основной продукцией. С ней же связывают и систему показателей. На этом же основании вводят деление данного процесса на основные и вспомогательные процессы. Под основными понимают процессы связанные с качественными преобразованиями основного предмета труда; остальные процессы считают вспомогательными.

Каждый производственный процесс имеет внутреннее строение, называемое технологией, или технологическим процессом. Технологический процесс — это совокупность действий, связанных с обеспечением требуемых выходных параметров данного процесса.

Таким образом, каждое производство имеет определенную организационную структуру своих подразделений, в каждом из которых и на производстве в целом происходят производственные процессы, внутреннее же содержание и функционирование каждого из этих процессов определяется их технологией или технологическим процессом.

Производственный процесс любого подразделения состоит из взаимодействующих предметно-различных процессов основных и вспомогательных по отношению к основному продукту с присущими им технологиями. Технологический процесс также имеет определенную структуру элементов. Исходно эти элементы относились (терминологически и по смыслу) к области механической обработки. В настоящее время им необходимо придавать общий смысл, охватывающий весь спектр методов технологического воздействия: термообработку, химическую обработку, сборку, а также транспортирование, измерение и др.

Производительность и технологичность — два взаимосвязанных понятия, которые неизменно присутствуют в системе технико-экономических показателей, характеризующих процесс. Производительность — количество продукции, изготовленной в единицу времени. Конструкцию машины или детали принято называть технологичной, если она позво­ляет в полной мере использовать все возможности и особенности наиболее экономичного технологического процесса, обеспечивающего ее качество при надлежащем количественном выпуске.

Однако в известном смысле ложно говорить и о так называемой абсолютной технологичности, определяющей границу между понятиями «технологично» и «нетехнологично». Изделие нетехнологично, если оно не может быть в принципе получено с соблюдением всех выходных параметров как предмета производства.

Предмет производства характеризуется тремя группами характеристик: качественными, количественными и временными. Таким образом, данная технологическая система будет непроизводительной, если не обеспечивается хотя бы одна из характеристик: 1) качественные показатели изделия (геометрическая точность, твердость, качество поверхностного слоя, параметры соединения деталей или сборочной единицы и др.); 2) выпуск требуемого количества изделий; 3)требуемый временной режим выпуска изделий (цикл, такт).

Можно отметить три разновидности повышения производительности труда:

I Интенсификация – увеличение числа технологических режимов оборудования и повышение доли основного технологического времени в общих временных затратах на изготовление изделие. Теоретическим пределом здесь является полное отсутствие не производящих процессов в производственном цикле, что принципиально невозможно, ибо любому производящему процессу должно соответствовать некоторое множество непроизводящих процессов, или, как их называют, вспомогательных. С помощью различных способов удается совмещать во времени вспомогательные процессы с основными, что дает повышение производительности труда.

II Производственное увеличение продолжительности работы технологической системы может быть достигнуто при организации автоматических производств с безлюдной технологией. Очевидно, что, в свою очередь, это выдвигает серьезные научные и технические задачи, связанные с автономной работой технологических систем в автоматическом регулируемом режиме и вопросами надежности и безотказности производственных систем.

Ш. Увеличение производящей способности данной технологической системы (ТС) за счет внутренних резервов: улучшения организации ее работы и расширения технологических возможностей оборудования. Техническая модернизация данного станка или другого оборудования формирует новый станок. Его производительность, хотя и выше прежней в количественном исчислении, но с точки зрения полноты использования новых производящих свойств ситуация может оказаться и хуже.

Поэтому этот путь повышения производительности труда должен заключаться в поиске методов и способов сокращения цикла изготовления изделия, в получении большего количества продукции из того же объема заготовок. Например, оптимизация раскроя деталей из листового материала, изыскание приемов повышения точности обработки, что создает предпосылки для сокращения числа рабочих ходов и даже устранения дальнейшей обработки изделий на другом станке. Все это, по сути, является повышением производительности труда.

Правомерна и обратная постановка задачи: сокращение производительности данной ТС. Подобная ситуация встречается, например, в сфере производства запасных частей для изделий, выпуск которых уже прекращен предприятиями. Дня обеспечения эксплуатации указанных изделий потребителем в течение установленных сроков их физического или морального износа, необходимо планируемое изготовление определенной номенклатуры запасных деталей, узлов и агрегатов. При этом количество данных изделий, находящихся в эксплуатации со временем уменьшается, а следовательно, уменьшается и потребность в запасных частях.

Если вопрос о запасных деталях не может быть решен путем их длительного хранения на складах в требуемом количестве, возникает необходимость в периодическом запуске в производство соответствующих партий этих деталей. Такой вариант тоже может быть практически неосуществим по техническим или экономическим соображениям. Тогда может оказаться приемлемым вариант работы производственной системы с планируемым снижением выпуска деталей.

^ Повышение производительности технологической цепочки станков. Каждый станок имеет физический предел производительности данной детали. Он определяется: объективными законами данного метода технологического воздействия (механообработка, сборка, измерение и др.) и так называемой временной структурой операции, зависящей от технологической компоновки станка.

В реальной технологической цепочке всегда есть станок, лимитирующий производительность всей цепочки, — это станок с минимальной производительностью. Поэтому для увеличения производительности нужно знать резервы станков в цепочке.

В зависимости от этого должен приниматься вариант решения. Если запаса хватает, и реализация его экономически оправдана, то проводят необходимые мероприятия на соответствующих станках. В противном случае требуется замена станков более производительными или дублирование их аналогичными. Изменение производительности лимитирующего станка может привести к появлению другого лимитирующего станка с минимальным запасом его производительности в новой ситуации. В этом случае при необходимости указанный выше подход реализуется повторно и т. д.

Принципиальная методическая последовательность решения рассмотренной задачи:

1) определение содержания понятия; «повышение производительности» для конкретной рассматриваемой ситуации;

2) выявление резервов повышения производительности ТС;

3) разработка системы предлагаемых мероприятий;

4) оценка материальных и временных затрат;

5) оценка новых соотношений производящих возможностей оборудования в технологической цепочке;

6) определение возможностей дальнейшего повышения производительности данной ТС.

1.2.Факторы, влияющие на себестоимость производства в машиностроении.
Все факторы, влияющие на себестоимость производства в машиностроении, можно разделить на три группы:

  1. конструктивные факторы, т.е. конструктивное решение самой детали, обеспечивающее приемлемость ее для изготовления обработкой давлением, литьем, сваркой; выбор марки материала и технических условий;

  2. производственные факторы, т.е. характер и культура производства, технологическая оснащенность, технологический и организационный уровни производства;

  3. технологические факторы, характеризующие способ формообразования заготовки, выбор самой заготовки, оборудования и технологического процесса получения детали.

Мы будем рассматривать только третью группу факторов. Однако, все три группы факторов взаимосвязаны и оказывают существенное влияние на себестоимость изделия, т.к. способ получения заготовки предопределяется конструкцией детали, ее материалом, а также характером производства, его технологическим и организационным уровнем.

Под технологичностью заготовки принято понимать, насколько данная заготовка соответствует требованиям производства и обеспечивает долговечность и надежность работы детали при эксплуатации.

Можно найти много примеров в машиностроении, когда ряд деталей (фланец, тройник и т.д.) можно получить несколькими способами литья и обработкой давлением. Однако при литье структура металла и механические свойства детали ниже, чем при обработке давлением. При литье – наличие пористости, при штамповке – увеличиваются эксплуатационные свойства детали. В то же время заданный параметр шероховатости поверхности и точность размеров обеспечиваются и в том и в другом случае. Отсюда следует, что при выборе способов получения заготовки в первую очередь нужно учитывать основные факторы ( себестоимость и требования к качеству), что в данном конкретном случае является определяющим.

Выпуск технологичной заготовки в заданных масштабах производства обеспечивает минимальные производственные затраты, себестоимость, трудо- и материалоемкость.

Себестоимость изготовления деталей находится по формуле:
С = М + З + О,
где М – стоимость материалов на деталь,

З - расходы на зарплату при изготовлении детали,

О - расходы, учитывающие стоимость оснастки.

Пути снижения себестоимости детали наиболее целесообразно искать в снижении расхода материала, т.е. в выборе наиболее экономичной, рациональной заготовки.

Под уменьшением материалоемкости понимают уменьшение расхода материала на единицу изделия, т.е. удельной материалоемкости изделия. Показатель уменьшения материалоемкости равен разности расходов материала на деталь по базовому и новому вариантам.

Норма расхода материала на деталь- это максимально допустимый расход материала на изготовление единицы изделия в определенных производственных условиях. Основные пути экономии материалов и уменьшения массы изделий:

1) применение современных точных методов расчета на прочность;

2) уменьшение коэффициента запаса прочности до допустимых техникой безопасности пределов;

3) повышение технологичности изделия;

4) правильный выбор материала;

5) применение специальных и периодических профилей проката, гнутых профилей;

6) внедрение прогрессивных технологических процессов и т.д.

В настоящее время технологичность детали определяется следующими показателями:

1) коэффициент выхода годного – отношение массы заготовки к массе исходного металла:

Кв.г. = Мз./ Мс. ,
2) коэффициент весовой точности – отношение массы готовой детали к массе заготовки:

Кв.т. = Мд. / Мз.,
3) коэффициент использования металла - отношение массы готовой детали к массе слитка:

Ки.м. = Мд./ Мс..
Коэффициент выхода годного характеризует расход металла в заготовительном цехе; размер брака, технологических отходов 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.

Кв.т. наиболее часто употребляется для оценки рентабельности заготовки. При получении мелких деталей типа валиков, осей, шпилек, болтов из горячекатаного проката Кв.т. = 0,4 – 0,6; при изготовлении из той же заготовки втулок, колей Кв.т. = 0,15 – 0,20, т.е. чем меньше отношение длины детали к ее диаметру, тем больше Кв.т.
^ Определение массы изделия и массы заготовок для его изготовления.
Масса литой детали определяется по формуле
M = V g

где V- объем детали,

g – плотность материала.

Если деталь сложной геометрической формы ее следует разбить на более простые по форме элементы, удобные для расчета; а затем суммировать найденные значения.

При расчете массы отливки учитывают припуски на механическую обработку.
Масса поковок определяется по формуле
M = Vп g,

где Vп- объем поковки,

g – плотность материала.

Объем поковки также находят по формуле
Vп = Vм + Vу+ Vз
где Vм – объем материала идущий непосредственно на поковку и определяемый по чертежу детали,

Vу – объем металла на угар, который составляет 1-3% от массы заготовки в зависимости от метода нагрева и используемых нагревательных устройств ( мазутная печь – 2-3%, газовая печь – 1,5-2%, электрическая печь -1%).

Vз – объем металла на заусенцы.

Объем металла на заусенцы по следующей формуле

Vз = К∙F∙Pп,
где К-коэффициент заполнения металлом облойной канавки, в зависимости от метода ковки 0,35 – 1,2.

F – площадь сечения облойной канавки,

Pп – периметр поковки по плоскости разьема штампа.

Основной отход металла (облой) составляет примерно 18-20%.

Объем заготовок простейших профилей:

Круглое сечение V = 0,78 d2∙l

Квадратное V= a2∙l

Квадратное с закругленными углами V = (a2 – 0,86r2)∙l

Прямоугольное сечение V = b∙e∙l

Шестигранное сечение V = 0,87∙C2∙l

Кольцевое сечение V = 0,78(D2-d2)∙l,

Где V – объем, l – длина, D и d – диаметры внешних и внутренних окружностей, a – сторона квадрата, r – радиус закруглений, C – диаметр вписанного в шестигранник круга, b и e – стороны прямоугольника.

Масса заготовки из проката – произведение массы одного погонного метра проката требуемого диаметра на длину заготовки с учетом припусков на механическую обработку.
^ 1.3.Основные положения к выбору оптимальной заготовки
Для получения заготовок наиболее широко в машиностроении используют следующие методы: литье, обработка металлов давлением и сварка, а также комбинации этих методов.

Отливки получают литьем в песчано-глинистые формы, в кокиль, по выплавляемым моделям, под давлением, центробежным литьем, литьем намораживанием и т.д.; поковки и штамповки – ковкой на молотах, гидравлических и пневматических прессах, штамповкой на штамповочных молотах, на кривошипных горячештамповочных прессах, гидро-винтовых пресс-молотах, горизонтально-ковочных машинах, радиально-ковочных машинах и т.д.

Прежде всего следует, каким методом наиболее целесообразно получить заготовку для данной детали. Условимся под термином «метод» понимать группу технологических процессов, в основе которых лежит единый принцип формообразования. Например, метод обработки металлов давлением включает в себя все технологические процессы, способы, которые основаны на пластическом деформировании металла. Обычно при выборе метода надо учитывать материал и требования к нему с точки зрения обеспечения служебных свойств изделия. Если на чертеже детали указан материал чугун или марка стали с индексом «Л», то эту деталь следует изготовлять из заготовки, полученной методом литья, т.к. чугуны в большинстве своем не могут быть подвержены обработке давлением из-за низких пластических свойств. Индекс «Л» указывает на то, что сталь обладает повышенными литейными свойствами и пониженными пластическими свойствами. Особо ответственные детали изготавливают методом давления.

Требования , предъявляемые к изготовлению заготовок:

- максимальное приближение заготовок по форме и размерам к деталям;

- экономия металла;

- применение прогрессивных способов получения заготовок.

Способ получения заготовки должен быть обусловлен ее стоимостью и дальней шей обработкой. Иногда разные методы и даже способы одного метода могут надежно обеспечивать технические требования, предъявляемые к заготовке; поэтому одновременно с расчетами на прочность, необходимо сопоставлением возможных методов и способов изготовления заготовок выбрать такие из них, которые в наибольшей степени отвечают конструктивным, технологическим и экономическим требованиям.
^ 1.4.Основные факторы, влияющие на выбор способа получения заготовки.
А) Характер производства

Для мелкосерийного и единичного производства в качестве заготовок используют горячекатаный прокат; отливки, полученные литьем в песчано-глинистые формы и поковки, полученные ковкой. Это обуславливает большие припуски и напуски, значительный объем последующей механической обработки, повышение трудоемкости. В структуре себестоимости в данном случае велика доля затрат на основные материалы (до 50%) и зарплату (30-35%).

В условиях крупносерийного и массового производства рентабельнее горячая объемная штамповка, литье в кокиль и под давлением, в оболочковые формы и по выплавляемым моделям. Значительно сокращаются припуски на обработку, снижается трудоемкость изготовления деталей.

^ Б) Материалы и требования, предьявляемые к качеству деталей

Материал заготовки определяется назначением детали или изделия, их конструктивными формами, серийностью производства, техническим уровнем заготовительного производства и экономической целесообразности применения определенного способа изготовления заготовки.

До недавнего прошлого в машиностроении преобладали универсальные материалы, каждый из которых применяли при самых различных условиях работы. По мере расширения номенклатуры марок чугуна, стали и т.д., а также неметаллов, их начали выбирать в соответствии со специальными требованиями, предъявленными к работе детали. Материалы должны обладать необходимым запасом определенных технологических свойств: ковкостью, штампуемостью, жидкотекучестью, свариваемостью, обрабатываемостью.

Необходимым технологическим свойством для деформируемых материалов является технологическая пластичность. Чем ниже пластичность материала, тем сложнее получить качественную заготовку методом обработки металлов давлением, тем сложнее техпроцесс, тем выше себестоимость детали.

Особые требования к пластичности металлов предъявляются при холодной обработке металлов давлением: выдавливание, вытяжка, гибка, формовка.

Если материал обладает пониженными литейными свойствами – низкая жидкотекучесть, высокая склонность к поглощению газов и усадке и т.п., не рекомендуется заготовки из этого материала получать литьем в кокиль или под давлением, т.к. могут возникнуть литейные напряжения, корабления отливки, трещины. В таких случаях лучше применить оболочковое литье или литье в песчаноглинистые формы. Сплавы, склонные к повышенному поглощению газов нежелательно применять при литье под давлением; для центробежного литья исключено применение сплавов, склонных к ликвации.

Для ответственных ,тяжело нагруженных деталей, работающих в переменных нагрузках в качестве заготовок используют поковки, при этом значительно повышаются физико-механические свойства материала.

^ В) Размеры, масса и конфигурация детали

При конструировании изделий необходимо ориентироваться на определенный способ изготовления и предпочитать такие конструктивные формы и элементы деталей, которые наиболее полно соответствуют выбранному способу изготовления деталей, обеспечивая высокие показатели производительности, экономичности и точности.

Удельная стоимость отливок и поковок растет с уменьшением их массы, особенно резко при массе до 20 кг (т.к. трудоемкость формообразования определяют общей площадью поверхностей, подлежащих обработке).

Уменьшение материалоемкости изделия – основной фактор повышения экономичности машиностроительного производства. Затраты на материалы составляют от 20 до 65% себестоимости детали.

Обработку резанием нужно применять как можно меньше, она оправдана при выполнении небольшого объема работ и отделочных операций, а также для повышения качества поверхностей и точности размеров.

Для многих способов литья размеры отливки ограничены техническими возможностями оборудования, поэтому размеры деталей при выборе способа получения заготовок играют решающую роль.

^ Г)Качество поверхности заготовок, обеспечение заданной точности.

Использование точных прецизионных способов получения заготовок обеспечивает достаточную чистоту поверхности и высокую точность заготовок. Так совершенствование процессов ковки и штамповки позволяет получать заготовки, параметры шероховатости поверхности и точность размеров которых соответствует достигаемым при механической обработке, а в отдельных случаях при финишных операциях (при полировании).

Специальные виды штамповки (калибровка, холодное выдавливание) обеспечивают получение готовых деталей (заклепки, гайки, болты) и деталей машин, пригодных для сборки без дополнительной обработки резанием. Большинство специальных видов литья ( литье в кокиль, в оболочковые формы, под давлением, по выплавляемым моделям, жидкая штамповка и др.) позволяют получить достаточно точные отливки с точностью размеров до 12-15 квалитета и параметром шероховатости Rа = 6,3 – 3,2 мкм.

^ Д) Возможности имеющегося оборудования

Возможности имеющегося оборудования следует учитывать при изготовлении заготовок центробежным литьем, литьем под давлением, горячей объемной штамповкой и др. Особенно необходимо учитывать возможности оборудования при выборе способа получения заготовок обработкой металлов давлением. Наличие в кузнечном цехе ротационно-ковочных машин позволяет получать ступенчатую заготовку практически без механической обработки; такого же эффекта можно добиться при наличии механических прессов двойного действия или гидравлических много ступенчатых прессов, предназначенных для штамповки деталей в разъемных матрицах. При наличии чеканочных прессов после горячей объемной штамповки можно использовать чеканку (калибровку) как отделочную операцию, что позволит значительно уменьшить припуск на механическую обработку.
Пример. Выбрать заготовку для детали типа фланец с отверстием из стали 40ХЛ, масса готовой детали – 25 кг, большинство поверхностей с шероховатостью Rа = 10 – 2,5мкм, точность размеров 13-14 квалитет. Годовая программа выпуска – 50 000шт.

В данном случае это литье, т.к. задана литейная марка стали. Определяем способ литья. Т.к. масса детали – 25кг, годовая программа выпуска - 50000шт, производство – массовое. Здесь целесообразно использовать специальные способы литья, обеспечивающие заданную точность, шероховатость, размеры. Это литье в кокиль, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям и под давлением. Литье под давлением исключаем – не нашел широкого применения при литье стальных заготовок из-за низкой стойкости литейной оснастки. По той же причине нежелательно литье в кокиль ( стойкость кокиля не превышает 500 шт.)

Литье по выплавляемым моделям дорого и трудоемко, его применяют в тех случаях, когда нельзя получить заготовку другими способами. Значит, остается литье в оболочковые формы.

Эта методика выбора очень не точна, поэтому необходим технико-экономический сравнительный анализ выбора заготовки.
^ 1.5.Технико-экономический сравнительный анализ выбора заготовки

Вначале необходимо выбрать целесообразные варианты изготовления заготовок. Далее необходимо определить себестоимость и трудоемкость изготовления детали по всем выбранным вариантам, сопоставить их и выбрать наиболее экономичный.

Производственная себестоимость охватывает все затраты предприятия на изготовление детали.

Для определения себестоимости готовой детали можно использовать графический метод зависимости себестоимости изготовления детали от годовой программы выпуска для различных вариантов техпроцессов. По ординате откладываем себестоимость, по абсциссе – годовую программу. Чем больше деталей в партии, тем более экономичны процессы 3 и 4.

1-литье в песчано-глинистые формы,

2-ковка в подкладных штампах,

3-литье в кокиль,

4-горячая объемная штамповка.

N – числа критической серийности
При выборе способа изготовления заготовки нужно учитывать, какое влияние они оказывают на себестоимость дальнейшей обработки детали. Переход к более точным способам изготовления заготовок нередко бывает, связан с повышением стоимости заготовки, и основной экономический смысл перехода должен заключаться в таком снижении трудоемкости механической обработки, которое делало бы этот переход экономически целесообразным.

Иногда и при небольшом объеме производства возможен переход к более точным и производительным способам изготовления заготовок, т.к. более дорогая заготовка с меньшими припусками и с большей точностью может оказаться, в конечном счете, выгоднее.

Стоимостную оценку адекватных технологических процессов строят на определении для каждого из них или годовой технологической себестоимости, или приведенных затрат, рассчитываемых по всем операциям процесса изготовления заготовок и их обработки.
^
2.Получение заготовок литьем


2.1 Сущность литейного производства
Литье является одним из наиболее распространенных методов формообразования заготовок. По сравнению с другими методами получения заготовок литье обладает рядом преимуществ: изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы; получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием.

Независимо от того, каким способом получается отливка, сущность литейного производства остается неизменной: получение жидкого сплава требуемого состава и заливка его в заранее приготовленную форму.

Схема литья предусматривает четыре основных этапа. Первый — выплавка металлического сплава требуемого состава и перегрев его до температуры, обеспечивающей качественное заполнение форм. Обычно температура заливки металла в форму не превышает более чем на одну пятую температуру плавления сплава. Для приготовления литейных сплавов применяют самые разнообразные печи: шахтные, пламенные, дуговые, индукционные, оптические печи, печи инфракрасного нагрева и др.

Второй этап — изготовление формы, которая должна возможно более точно воспроизводить контуры изделия, ибо в противном случае существенно увеличиваются затраты труда на обработку отливок. Этот этап наиболее важен, ибо необходимо учитывать особенности поведения металла при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении. Различные металлы ведут себя при кристаллизации по-разному. Одни, например, сталь, дают усадку; другие, как чугун, наоборот, расширяются. Причем величина усадки зависит от множества факторов, учесть которые заранее затруднительно.

Изготовление формы предусматривает предварительное создание модели, в размерах которой учтены особенности затвердевания металла, а конструкция должна обеспечивать легкое извлечение ее из формы. Однако изготовить модель определенных размеров еще недостаточно. Нужно создать вокруг нее достаточноогнеупорную среду, не взаимодействующую с расплав­ленным металлом и не разрушающуюся при его движении.

К огнеупорной среде, окружающей модель, предъявляется целый комплекс требова­ний. Она должна быть достаточно пластичной, чтобы точно воспроизвести топографию модели, не прилипая к материалу последней; газопроницаемой, чтобы отводились газы, выделяющиеся при охлаждении: а после охлаждения отливки огнеупорная среда (называемая часто литейной землей) должна легко и полно отделяться от металла.

Заключительные стадии технологии: заливка металла в форму, его кристаллизация, охлаждение и извлечение готовой отливки из формы.

Разнообразие приемов литья, сложившихся за длительный период развития технологии, позволяет получать как простые массовые детали, так и сложные узлы весом от десятых долей грамма до отливок, вес которых превышает 600 т. Но во всех случаях одна из главных проблем — повышение геометрической точности отливки.

В пределе вообще возможен переход от выпуска литых заготовок к выпуску литых деталей, пригодных для использования без последующей механической обработки.

Основное отличие точного литья от рядового — высокая геометрическая точность заготовок.

Помимо геометрической точности, особое внимание уделяется чистоте поверхности. Шероховатость ее зависит от способа изготовления, материалов формы, чистоты поверхности моделей пресс-форм и других факторов. Любые нарушения сплошности, особенно надрезы, — это концентраторы напряжений, которые способствуют образованию трещин.

Общепринятая классификация методов точного литья отсутствует, кроме того, суще­ствует много разновидностей одного и того же метода, поэтому целесообразно к методам точного литья отнести технологические процессы, ставящие своей задачей максимальное приближе­ние формы отливки к форме детали при предельно высоком уровне свойств металла.

2.2.Требования, предъявляемые к литейным сплавам




  1. Литейные сплавы должны удовлетворять эксплуатационным требова­ниям, т.е. обладать достаточными прочностью, твердостью, пластичностью, малой хрупкостью, высокой ударной вязкостью;

  2. Их состав должен обеспечивать получение в отливке требуемых физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура их должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации отливки;

  3. Если это необходимо литейные сплавы должны обладать особыми физическими и физико-механическими свойствами — электропроводностью, магнитной проницаемостью, жаростойко­стью и т.п.;

  4. Литейные сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов и т.д.)

  5. должны хорошо обрабатываться режущим инструментом;

  6. не должны быть токсичными и вредными для здоровья;

  7. должны быть экономичными и содержать дешевые, недефицитные материалы. Выполнение этих требований зависит не только от состава и качества сплава, но и от особенностей всего технологического процесса изготовления отливок.

Таким образом, при конструировании литой детали, выборе способа получения отливки особое внимание следует обращать на литейные свойства сплава, без учета которых даже при самом совершенном технологичном процессе литья получить отливку без литейных дефектов невозможно.

Значение технологических свойств литейных сплавов очень велико и должно быть учтено при выборе материала детали при изготовлении ее литьем. Во всех случаях, при прочих равных условиях, следует отдавать предпочтение сплавам с лучшими литейными свойствами.

Особенно важно, чтобы сплав имел невысокую температуру плавление. Чем ниже температура плавления сплава, тем легче его расплавить, а затем нагреть до требуемой для заливки температуры.
^ 2.3.Свойства литейных сплавов
2.3.1.Жидкотекучесть
Жидкотекучесть — способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить контуры полостей формы и стержней. Она определяется по специаль­ным технологическим пробам, заполняемым жидким сплавом при некоторой постоянной тем­пературе заливки.

Жидкотекучесть зависит от следующих факторов:

-а)связанных со строением и свойствами металлов в жидком состоянии (природа сплава, вязкость, теплоемкость, теплопроводность и др.). Особенно высокой жидкотекучестью обладают силумины, чугуны, безоловяные бронзы. Из этих сплавов получают сложные тонкостенные отливки. Средней жидкотекучестью обладают сплавы алюминий с медью и магнием, оловянные бронзы, углеродистые и среднеуглеродистые стали. Пониженная жидкотекучесть наблюдается у магниевых сплавов.

-б) определяемые условиями заливки, подводом жидкого металла к форме, т.е. технологическим процессом литья;

-в) определяемые способом получения отливок. При литье под давлением и при центробежном литье жидкотекучесть повышается за счет принудительного заполнения формы. Она повышается и при литье по выплавляемым моделям, т.к.металл заливается в горячую форму. Жидкотекучесть снижается при литье в металлические формы в силу более интенсивноготеплообмена между заливаемым металлом и более холодной формой.

Повышение содержания углерода, кремния и фосфора улучшает жидкотекучесть чугуна. Марганец не оказывает заметного влияния на жидкотекучесть. При массовой доле серы более 0,15% жидкотекучесть чугуна понижается.

Жидкотекучесть резко уменьшается при наличии в жидком сплаве тугоплавких пле­нок и включений. Это явление наблюдается, например, при добавке в хромовую сталь азота и титана, которые вызывают появление тугоплавких нитридов хрома и титана. Поэтому повышают температуру расплава из такой стали при разливке.

Значительное ухудшение жидкотекучести (в два-три раза) наблюдается при многократной переплавке одного и того же чугуна в вагранке без добавки свежих материалов, так как при этом в жидком чугуне образуется увеличенное количество пленок окислов и шлаковых включений; кроме того, он поглощает много газов.

Существенное влияние на жидкотекучесть бронзы оказывают олово и цинк: чем больше содержание этих элементов, тем выше жидкотекучесть. Жидкотекучесть алюминиевых сплавов повышается при увеличении содержания кремния, а магниевых сплавов — при увеличении содержания алюминия.

По мере заполнения полости формы жидкотекучесть сплава непрерывно уменьшается, так как сплав охлаждается и уменьшается скорость его движения. При достижении темпера­туры начала затвердевания в наиболее холодной части струи начинают образовываться отдель­ные твердые кристаллиты сплава, что, конечно, понижает его жидкотекучесть вследствие повы­шения вязкости. Полное прекращение течения струи сплава наблюдается тогда, когда в ней образуется значительное количество кристаллитов твердого сплава.

Высокая жидкотекучесть оказывает благоприятное влияние на плотность отливок и на физико-механические свойства спла­вов, так как она способствует заполнению внутренних пустот, образующихся в т еле отливок при их затвердевании, а также выделению из отливок газов и неметаллических включений.
2.3.2.Усадка
Усадка – уменьшение линейных и объемных размеров отливки при ее затвердевании и охлаждении. Усадка зависит от химического состава сплава, температуры расплава, материала формы и конструкции отливки. Чем больше усадка, тем больше вероятность появления дефектов усадочного происхождения: пор, раковин, горячих и холодных трещин, коробления и внутренних напряжений. При выборе тех. процесса литья, при конструировании отливки следует учитывать склонность данного сплава к усадке. Чем больше усадка сплава, тем жеще требования к конструкции литой детали, особенно к наличию тепловых узлов (массивных частей отливки), толщине стенок, сопряжению элементов отливки.

При охлаждении сплава в форме происходит довольно быстрое уменьшение его объ­ема. В течение нескольких секунд на всей поверхности сплава образуется мелкозернистая корочка, постепенно увеличивающаяся по толщине. В связи с этим дальнейшее охлаждение сплава, а также его затвердевание происходят внутри оболочки почти без контакта с окружающей атмо­сферой. Вследствие уменьшения объема в отливках из ряда сплавов при этом образуются полос­ти (усадочные раковины или рыхлоты). Некоторые сплавы (например, серый чугун) при затвердевании увеличиваются в объеме, так как происходит выделение графита, имеющего меньшую плотность и больший удельный объем, чем исходный сплав. Дальнейшее уменьшение объема и размеров отливок из всех сплавов происходят при последующем их охлаждении в твердом со­стоянии.

В литейном производстве различают объемную и линейную усадку. Под объемной усадкой подразумевают разницу между объемом жидкого сплава, заполнившего полость формы, и объемом отливки после ее полного охлаждения. Линейной усадкой называют разницу линейных параметров точности формы и охлажденной отливки.

Если при усадке сплава нет препятствий к уменьшению его объема и размеров, то такую усадку называют свободной.

Усадка изменяется в зависимости от химического состава сплава. Так, усадка серого чу­гуна уменьшается при увеличении содержания углерода и кремния, а также при уменьшении содержания марганца и серы. В алюминиевых сплавах уменьшает усадку увеличенное содержа­ние кремния. Наличие меди и магния, наоборот, увеличивает усадку этих сплавов. Повышение содержания алюминия и цинка понижает усадку магниевых сплавов.

Практически при изготовлении отливок уменьшение их размеров происходит в усло­виях затрудненной усадки, при которой препятствием являются выступающие части формы, стержни и т. д. Поэтому во многих случаях действительная усадка получается меньшей, чем свободная. Действительная линейная усадка называется литейной и выражается также в процен­тах. Величина литейной усадки всегда меньше свободной, причем разница между ними тем больше, чем крупнее и сложнее отливки.

В зависимости от физических свойств сплава и условий его охлаждения объемная усадка при затвердевании сплава может проявиться различным образом, а именно:

-а) в виде сосредоточенных внутренних полостей (иногда такие полости могут выхо­дить на поверхность, т. е. быть открытыми), расположенных в местах отливки, затвердевающих последними (усадочные раковины);

-б) в виде равномерного изменения только внешних размеров; при этом стенки отливок получаются плотными;

-в) в виде мелких рассеянных полостей, расположенных по толщине отливок около от­дельных зерен сплава; подобные мелкие полости называются усадочной пористостью или рыхлостью.

Сплавы, затвердевающие в узком интервале температуры (например, сталь, беэоло-вянные бронзы), переходят из жидкого в твердое состояние последовательно, образуя один за другим тонкие слои отливки; поэтому они более склонны к образованию сосредоточенных уса­дочных раковин. Наоборот, в отливках из сплавов, имеющих широкий интервал температуры затвердевания (например, оловянные бронзы), образуются разобщенные участки жидкого спла­ва, кристаллизующиеся обособленно друг от друга и дающие при этом местные усадочные по­ры, увеличение скорости затвердевания этих сплавов способствует уменьшению усадочной пористости и образованию сосредоточенных раковин.

Уменьшению усадочных раковин и рыхлости способствуют понижение температуры и скорости заливки, увеличение скорости охлаждения отливки при ее затвердевании, меньшая толщина стенок, применение металлических форм и т. д.

При изготовлении отливок из сплавов, имеющих увеличенную объемную усадку и образующих при затвердевании усадочные раковины (например, сталь или высокопрочный чугун), обычно на верхних и массивных частях отливок устанавливают прибыли — резервуары жидкого сплава, питающего отливки при их затвердевании и восполняющего сокращение их объема. При этом размеры и расположение прибылей должны быть такими, чтобы они затвер­девали последними и в них образовывались усадочные раковины.

^ К. литейным напряжениям относятся те напряжения, которые вызываются в отливке усадкой (усадочные напряжения), неодинаковым охлаждением ее отдельных частей (тепловые напряжения) и изменением кристаллического строения отливки (фазовые напряже­ния).

Охлаждение отдельных частей отливки происходит неодинаково: сразу после заливки охлаждаются быстрее тонкие части и медленнее толстые, затем тонкие части усиливают отвод теплоты от толстых частей и тем самым ускоряют их охлаждение. Поэтому между отдельными частями отливки при их неравномерном охлаждении возникают тепловые напряжения. В неко­торых сплавах в процессе охлаждения изменяется их структура и размеры отдельных зерен, что вызывает увеличение или уменьшение объема отливок, так называемые фазовые превращения, совершающиеся в толстых и тонких частях в разное время. Такие фазовые превращения наблю­даются, например, в структуре стали многих марок. Все это вызывает литейные напряжения в отливках, приводящие к следующим явлениям:

1) если напряжения меньше предела текучести сплава, то в отливках останутся внут­ренние напряжения, которые могут усилиться напряжениями, получающимися при последую­щей обработке или эксплуатации;

2) если напряжение больше предела текучести, но меньше предела прочности сплава, то произойдет искривление (коробление) отливки;

3) если напряжение больше предела прочности сплава, то отливка разрушится, так как в ней образуются трещины.

Различают трещины горячие и холодные. ^ Горячие трещины образуются при высоких температурах, близких к температуре плавления, вследствие того, что сплавы отличаются при таких температурах низкими механическими свойствами.

Склонность сплава к образованию горячих трещин тем больнее, чем значительнее его усадка при высоких температурах, чем меньшей прочностью и пластичностью он при этом обладает и чем ниже его теплопроводность. Поэтому, например, повышенная склонность к образованию горячих трещин характерна для легированной стали, особенно с увеличенным содержанием марганца, хрома и никеля.

Серый чугун имеет очень незначительную усадку при высокой температуре, и по­этому в отливках из серого чугуна редко образуются горячие трещины. Также малой склонно­стью к их образованию обладает высокопрочный чугун.

Большинство отливок из медных сплавов из-за сравнительно высокой теплопроводно­сти этого сплава не имеют горячих трещин. Несколько большую склонность в этом отношении проявляют медные сплавы с увеличенной линейной усадкой (например, алюминиевые бронзы) и с низкой пластичностью при высоких температурах (например, кремнистые латуни).

На уменьшение склонности сплавов к образованию горячих трещин благоприятно влияют следующие обстоятельства:

1) увеличение жидкотекучести, уменьшение размеров зерен сплава, пониженное со­держание в сплаве вредных примесей (например, серы и кислорода в стали), газовых и неметал­лических включений;

2) отсутствие в отливке мелких усадочных раковин, вокруг которых концентрируются внутренние напряжения;

3) медленное охлаждение отливки при высоких температурах.

Для предотвращения горячих трещин наиболее важно устранить препятствия усадке, оказываемые формой и стержнями, а также предусмотреть в конструкции отливок равномерные сечения и плавные переходы. Для толстостенных отливок необходимо производить заливку при пониженной температуре и с меньшей скоростью.

По мере охлаждения отливок возрастают механические свойства сплава, из которого они изготовлены, и начинает проявляться его упругость, обусловливающая образование оста­точных напряжений, не исчезающих после устранения причин их возникновения:. Если при этом литейные напряжения превзойдут предел прочности сплава, то в отливке возникнут хо­лодные трещины, отличающиеся от горячих неокисленной поверхностью.

^ Холодные трещины возникают в отливке в тем большей степени, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных его температурах, чем ниже его теплопроводность и чем больше изменения объема сплава при фазовых превращениях его структуры. Поэтому такие сплавы, как низколегированные стали, склонны к образованию хо­лодных трещин, а медные и другие цветные сплавы этой склонностью почти не обладают.

Наличие в сплаве вредных примесей усиливает опасность образования холодных трещин. Например, высокоуглеродистая сталь с повышенным содержанием фосфора, обладая свойством хладноломкости (хрупкости при обычных температурах), имеет усиленную склон­ность к образованию холодных трещин.

Образование холодных трещин предотвращают конструированием отливок с равно­мерными сечениями и плавными переходами, а также медленным их охлаждением после за­твердевания. Поэтому не следует преждевременно выбивать из форм отливки, склонные к обра­зованию трещин; нужно дать им возможность медленно остыть в форме, если, конечно, сама форма не вызывает в отливке больших литейных напряжений.

Значительная часть литейных напряжений в отливках может быть устранена терми­ческой обработкой, состоящей в том, что отливки медленно нагреваются до температуры, при которой сильно уменьшаются упругие свойства сплава, и затем постепенно и равномерно охла­ждаются.
2.3.3.Ликвация
Ликвацией называется неоднородность по химическому составу как в отдельных частях отливки (зональная ликвация), так и в отдельных кристаллах сплава (внутрикристаллическая ликвация); кроме того, она может иметь место при значительно разной плотности состав­ляющих сплава (ликвация по плотности).

^ Зональная ликвация для большинства сплавов является наиболее важной. Такая ликва­ция обычно характеризуется тем, что отдельные составляющие сплавов вследствие неодинако­вой плотности и различных температур затвердевания отделяются от основной массы как в жидком состоянии, так и при его затвердевании. Например, в стали ликвируют сера, фосфор, углерод, газы, неметаллические включения.

Явление ликвации усиливается при повышенном содержании в сплаве ликвирующих примесей, а также при увеличении размеров и объема отливки.

Зональная ликвация уменьшается при понижении температуры и скорости заливки, а также при ускорении затвердевания отливок. Мелкозернистое строение сплавов в отливках благоприятно для ослабления зональной ликвации.

^ Внутрикристаллическая ликвация в большинстве случаев играет меньшую роль, чем зональная. Она несколько усиливается при ускоренном охлаждении отливок, так как за короткое время затвердевания состав отдельных частей кристаллитов не успевает выровняться. Этот вид ликвации может быть ослаблен путем термической обработки — отжига, состоящего из дли­тельной выдержки отливок при высоком нагреве.

^ Ликвации по плотности наблюдается только в некоторых сплавах, содержащих тяже­лые металлы, например свинец в высокосвинцовой бронзе. Она предотвращается хорошим перемешиванием сплава перед заливкой в формы и быстрым его затвердеванием (например, в металлических формах).

Ликвация — крайне нежелательное явление в отливках, так как она может привести к понижению их свойств и даже к поломке в ликвационных зонах.
^ 2.3.4.Поглощение газов
Склонность к поглощению газов – способность литейных сплавов поглощать газы, являющиеся вредными примесями, которые приводят к браку отливок по газовой пористости. На образование газовой пористости влияет материал формы: чем выше газопроницаемость формы, тем меньше образуются подобные дефекты в отливках.

Металлы и сплавы способны поглощать значительное количество различных газов (водород, азот, кислород, окись углерода, углекислоту, метан и др.), причем эти газы могут нахо­диться в следующих состояниях:

-а) в виде механических, сравнительно крупных включений, получившихся при перемешивании жидкого сплава с воздухом или другими газами;

-б) в растворенном состоянии;

-в) в виде химических соединений.

Механически включенные газы легко удаляются при отстаивании и мало влияют на образование газовых раковин в отливках и на свойства сплава. Однако далеко не все газы растворяются в различных сплавах в одинаковой степени. Так, в стали растворяется водород, азот и кислород, но практически не растворяется окись углерода и углекислота.

Растворенные газы частично находятся в свободном состоянии (в виде атомов, а не молекул), а частично образуют химические соединения с составляющими сплава (окислы, нит­риды, гидриды и т. д.).

Поглощение газов при нагреве и плавлении металлов и сплавов происходит преиму­щественно из атмосферы печи, из ржавчины, из влаги исходных материалов и топлива.

Практически к началу заливки в формы жидкие сплавы всегда содержат большее или меньшее количество газов, которые при понижении температуры сплава частично остаются в растворенном состоянии, а частично — выделяются. При выделении газов в отливке при опре­деленных условиях могут образоваться газовые раковины, причем возможность образования и количество их будет тем больше, чем выше содержание газов в сплаве.

Причиной образования газовых раковин является то обстоятельство, что по мере понижения температуры жидкого сплава уменьшается растворимость газов и они должны выде­ляться из сплава, но при понижении температуры значительно увеличивается вязкость сплава, что затрудняет выделение газовых пузырьков. Особенно усиливается возможность образования газовых раковин при затвердевании сплава, так как в эго время растворимость газов в сплаве резко падает.

Выделению газов препятствует увеличение внешнего давления, которое представляет собой сумму атмосферного давления, статического давления жидкого металла и давления, созда­ваемого силами поверхностного натяжения металла, увеличивая внешнее давление. Например, установкой прибылей, можно оставить большую часть газов растворенными в сплаве и предот­вратить их выделение при затвердевании, устранив тем самым возникновение газовых раковин в отливках.

Возможность образования газовых раковин зависит еще от ряда обстоятельств, и в том числе от особенностей формы и стержней, условия заливки и других причин.

  1   2   3   4   5



Скачать файл (93.9 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru