Материал: Методические указания к практическим занятиям по дисциплине Технология металлов и трубопроводостроительных материалов. Ткаченко Ю.С., Корнеев В.И

2.6. Особенности получения отливок

в металлической форме

Данный способ изготовления отливок имеет некоторые специфические особенности, которые необходимо учитывать при проектировании технологического процесса. Быстрый теплоотвод увеличивает скорость затвердева­ния сплава, в результате чего повышается плотность и улучшается структура и механические свойства отливок, прочностные и пластические характери­стики которых возрастают на 15…30%. Повышенная точность размеров и снижение шероховатости отливок позволяют уменьшить объем механиче­ской обработки в 2…3 раза. Однако жесткая неподатливая металлическая форма может вызвать напряжения, коробление и трещины в отливках. Относительно худшая заполняемость кокиля связана с трудностями изготовления тонкостенных протяженных отливок. Кокили имеют более высокую стои­мость, чем разовые песчано-глинистые формы, поэтому кокильное литье экономически целесообразно использовать в серийном и массовом производстве. Так для чугуна критическая серийность должна быть не менее два­дцати крупных или пятисот мелких отливок в год, а при литье алюминиевых отливок соответственно не менее восьми - двенадцати тысяч в год. Наиболее широко литье в кокиль используется в производстве заготовок из алюминие­вых и магниевых сплавов.

Кокили в основном изготовляют из чугуна и стали. Перед заливкой ме­талла их нагревают до 200…400 °С, а на внутреннюю рабочую поверхность наносят слой теплоизоляционной краски. Кокиль в 3…6 раз быстрее, чем обычная песчаная форма аккумулируют теплоту перегрева и затвердевания заливаемого сплава. Толщиной и составом красок можно регулировать ин­тенсивность затвердевания отливок или отдельных их частей, т.е. можно обеспечить направленность затвердевания отливки или ее узлов (с различной толщиной стенок) в сторону питающей прибыли, что дает возможность по­лучения плотной структуры без усадочных раковин в любом сечении отлив­ки.

Толщину стенки кокиля рассчитывают из условия аккумуляции тепло­ты перегрева и кристаллизации расплава и требований жесткости конструк­ции. Обычно она равна двум-трем толщинам стенки отливки. Для получения полостей и отверстий в чугунных и стальных отливках используют песчаные стержни и соответственно в отливках из цветных сплавов (алюминиевых и магниевых) металлические стержни.

Для удаления воздуха из полости кокиля предусматриваются выпоры, вентиляционные риски по разъемам поверхности, специальные вентиляци­онные пробки и т.п.

Литниковые системы и питающие прибыли по назначению и принци­пам расчета не отличаются от применяемых при литье в разовые песчаные формы.

При конструировании отливки, изготавливаемой в металлической мно­горазовой форме, необходимо учитывать некоторые специфические особен­ности. Конструктивные уклоны на вертикальных стенках отливок регламен­тирует ГОСТ 3212-80. Конструктивные уклоны внутренних и наружных сте­нок отливок выбирают в зависимости от высоты отливки и стержня, площа­ди контакта отливки с рабочей поверхностью полости кокиля и вида зали­ваемого сплава. Поверхности отливок, которые выполняются в контакте с металлическими вкладышами и стержнями, должны иметь уклоны к плоско­сти разъема кокиля не менее 6 °.

Толщина стенки отливки должна обеспечивать необходимую ее проч­ность и легкое заполнение кокиля расплавом. Минимальную толщину стенки отливок из различных сплавов можно определить по диаграмме /4/ в зависи­мости от приведенного габаритного размера отливки, вычисляемого по от­ношению

N = (2 · l + b + h) / 3 , (2.4)

где l, b, h - соответственно, длина, ширина и высота отливки в мм. Толщина ребер жесткости и внутренних стенок отливки должна со­ставлять не менее 0,6…0,7 толщины ее наружных стенок. Отливка должна быть технологичной и иметь плавные переходы и закругления. Для мелких по массе отливок радиус закруглений должен быть не менее 3 мм.

Минимальный диаметр и соответствующую максимальную глубину отверстия, которое может быть получено литьем в кокиль, определяют с уче­том применяемого сплава и габаритных размеров отливки.

2.7. Определение размеров литейной формы

Размеры отливки по сравнению с размерами рабочей полости литей­ной формы уменьшаются на величину линейной усадки сплава. Поэтому ра­бочая полость кокиля или размеры модели для изготовления разовой песчано-глинистой формы должны иметь размеры, которые больше размеров от­ливки на величину усадки. Например, усадка алюминиевых сплавов - 1,0%; магниевых - 1,4%; медных - 1,6%; серого чугуна - 1%; углеродистых сталей - 2%; высоколегированных сталей - 2,4%.

2.8. Оценка эффективности способа изготовления

заготовки

Выбор конкретного способа технологического процесса изготовления заготовки начинается на этапе ее проектирования и является важной задачей, предопределяющей работоспособность и стоимость создаваемой машины. Часто одну и ту же заготовку можно изготовить не только различными технологическими процессами - литьем, давлением и др., но и различными спо­собами одной технологии. В настоящее время главным требованием к выбо­ру способа изготовления заготовки является возможность максимального приближения ее геометрии к размерам детали. При автоматизированной механической обработке заготовок необходимо обеспечить оптимальные при­пуски, назначаемые из условий рациональности технологического процесса механической обработки. Опыт показывает, что наибольшая доля затрат, со­ставляющих до 60% себестоимости детали, приходится на оплату материа­лов. В связи с этим снижение металлоемкости - основной путь к снижению себестоимости детали, а уменьшение расхода материала можно достичь вы­бором оптимальной конструкции детали и применением прогрессивных спо­собов изготовления заготовок. Разработка оптимальной конструкции детали относится к конструктивному фактору, а выбор способа изготовления - к технологическому фактору. Оценку оптимальности конструкции детали и прогрессивности примененного способа изготовления заготовки можно про­вести с помощью следующих показателей:

коэффициента выхода годного, КВГ;

коэффициента массовой точности, КМТ;

коэффициента использования металла, КИМ.

Коэффициент выхода годного определяют из отношения массы заго­товки M_з к массе исходного металла М_им, т.е.

КВГ = М_з / М_им. (2.5)

В литых заготовках их массу М_з принимают без литниковой системы, прибылей, выпоров, безвозвратных потерь (потерь на угар ~ 1% массы ис­ходного металла; разбрызгивание – до 1…3% от массы исходного металла), т.е. массу отливки отправляемой в механический цех. В качестве массы ис­ходного материала при литье может быть масса жидкого металла, заливае­мого в форму. Таким образом, КВГ характеризует использование металла в заготовительном производстве, т.е. эффективность применяемых технологий изготовления заготовок.

Коэффициент массовой точности КМТ определяют из отношения мас­сы готовой детали М_д к массе заготовки М_з, т.е.

КМТ = М_д / М_з. (2.6)

Этот коэффициент характеризует степень приближения размеров заго­товки к размерам детали. По нему можно оценить в процентах количество снимаемой стружки. По коэффициенту КМТ оценивают рентабельность при­нятой заготовки, потому, что он зависит как от массы и конструкции детали, так и от массы и конструкции заготовки.

Коэффициент использования металла КИМ определяют из отношения массы детали М_д к массе исходного металла М_им , т.е.

КИМ = М_д / М_им, (2.7)

Этот коэффициент характеризует использование металла на всех этапах передела от его выплавки до получения готовой детали (включая метал­лургический передел) или на отдельном этапе передела металла, например от отливки до готовой детали (машиностроительный передел).

Таким образом, выбор заготовки - это процесс решения технико-экономической задачи по выявлению самой низкой себестоимости ее изго­товления по сравниваемым способам, а себестоимость изготовления заго­товки - показатель качества технологической подготовки.

3.2. Свариваемость металлов и сплавов

Свариваемость — свойство металла или сочетания металлов обра­зовывать при установленной технологии сварки соединение, отвеча­ющее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Свариваемость материалов оценивают степенью соответствия за­данных свойств сварного соединения одноименным свойствам основного металла и их склонностью к образованию таких сварочных дефектов, как трещины, поры, шлаковые включения и др. По этим признакам материалы разделяют на хорошо, удовлетворительно и плохо сваривающиеся. Многие разнородные материалы, особенно металлы с неметаллами, не вступают во взаимодействие друг с дру­гом. Такие материалы относятся к числу практически несварива­ющихся.

Свариваемость материалов в основном определяется типом и свой­ствами структуры, возникающей в сварном соединении при сварке. При сварке однородных металлов и сплавов в месте соединения, как правило, образуется структура, идентичная или близкая струк­туре соединяемых заготовок. Этому случаю соответствует хорошая свариваемость материалов. При сварке разнородных материалов в зависимости от различия их физико-химических свойств в месте соединения образуется твердый раствор с решеткой одного из мате­риалов либо химическое или интерметаллидное соединение с решет­кой, резко отличающейся от решеток исходных материалов. Такие материалы относятся к удовлетворительно сваривающимся. Если образуются хрупкие и твердые структурные составляющие в сварном соединении, то в условиях действия сварочных напряжений возможно возник­новение трещин в шве или околошовной зоне. В последнем случае материалы относятся к категории плохо сваривающихся.

3.3. Источники теплоты при дуговой сварке

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зави­симости от материала и числа электродов, а также способа включе­ния электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки: сварка неплавящимся (графит­ным или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия (рис. 2, а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3 либо с применением присадочного металла 4; сварка плавящимся (металлическим) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис. 2, б) с одновременным расплавлением основного металла 3 и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом; сварка косвенной дугой 5 (рис. 2, в), горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами 1; при этом основной металл 3 нагревается и расплавляется теплотой столба дуги; сварка трехфазной дугой 6 (рис. 2, г), при которой дуга горит между электродами 1, а также между каждым электродом и основным металлом 3.

Рис. 2. Схемы дуговой сварки

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применении постоянного тока разли­чают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором — к положительному (анод).

При обычных условиях газовый промежуток между электродами является неэлектропроводным. Газы и пары различных материалов могут проводить электрический ток только тогда, когда в них появляются заряженные частицы - ионы и электроны. Поэтому дуговой про­межуток, в котором происходит дуговой разряд, должен быть ионизирован.

Зажигание дуги производится при мгновенном соприкосновении электрода с изделием. В момент короткого замыкания сварочной цепи происходит быстрый разо­грев места контакта электрода с изделием. Нагрев конца электро­да и металла изделия при протекании тока короткого замыкания сопровождается образованием легко ионизирующихся паров металла и компонентов покрытия. Они заполняют дуговой промежуток в момент отрыва электрода от изделия.