Технологический процесс изготовления корпусных деталей

метки: Деталь, Технология, Изготовление, Корпусной, Форма, Заготовка, Сталь, Сплав

Требования научно технического процесса в механической обработке предлагают использование прогрессивной технологии, в которой органически сочетается гибкость в сочетании с наивысшей производительностью и наименьшей себестоимостью, обеспечивается стабильное качество обрабатываемых деталей и изделий, рациональная загрузка оборудования, надежность систем программного управления и удобство сервисного обслуживания и эксплуатации.

В настоящее время в машиностроении и приборостроении основным видом обработки деталей различной формы являются обработка металла резанием, которая составляет примерно 35 — 40 % от общей обработки изготовления приборов и машин. Отсюда видно, что основным предприятием в процессе увеличения производительности труда является большая трудоемкость обработки деталей резанием, которую необходимо по возможности снижать.

Поскольку в приборостроении наибольшая часть трудоемкости падает на механическую обработку, а особенно на обработку корпусных деталей, то быстрое внедрение новой техники, а именно: средств автоматизации и переналаживаемого технологического оборудования, оснащенного системами ЧПУ; высокопроизводительным режущим инструментом; средствами поднастройки инструмента; автоматическими системами замены заготовок и инструмента, играет здесь решающую роль.

Применение станков с ЧПУ позволяет значительно снизить машинное время и повысить автоматизацию серийного производства, обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность оборудования, позволяет организовать централизованную подготовку программ обработки, которые могут быть легко размножены и переданы с одного центра на любые предприятия.

Возможность уменьшения трудоемкости обработки резанием связана с перспективными направлениями развития технологии машиностроения и приборостроения:

• максимальное приближение форм и размеров заготовок к формам и размерам готовых деталей путем широкого использования рациональных заготовок, изготовленных прогрессивными формами (литья под давлением);
• повышение производительности, максимальная информация и расширение области внедрения известных базовых прогрессивных технологических методов: малооперационной технологии за счет всемирной концепции технологических операций выполняемых на одном станке, по возможности за один установ заготовки;
• применение параллельных и параллельно — последовательных методов обработки;
• использование многоинструментальных наладок;
• одновременная обработка несколькими инструментами;
• перекрытие вспомогательного времени машин;

• широкое внедрение типовых технологических процессов и групповых методов обработки. Распространение на этой основе на мелкосерийное и серийное производство принципов построения технологии и выбора оборудования присущих крупносерийному и массовому производству, то есть более широкое применение специализированных станков, многорезцовых полуавтоматов, в том числе многоцелевых станков с ЧПУ;

• интенсификация режимов резания происходит благодаря применению современных износостойких материалов и инструментов прогрессивных конструкций;
• совершенствование уже известных методов обработки и расширение обработки применения новых эффективных методов, таких как высокоскоростная обработка деталей из алюминиевых сплавов;
• резкое возрастание производства и применение многоцелевых станков.

Разработка данной дипломной работы ведется с учетом выше перечисленных направлений развития металлообрабатывающего оборудования и металлообработки деталей, изделий и приборов.

Проектирование технологического процесса механической обработки ...

... технологии машиностроения. Расширяется использование вычислительной техники при проектировании технологических процессов и применение математического моделирования процессов механической обработки. Осуществляется автоматизация программирования процессов обработки на станках ... для выполнения курсовой работы и подобных разработок на производстве. 1. Назначение детали Деталь «Диск» представляет собой ...

В современном производстве существуют две тенденции развития Первая состоит в делении производственного процесса на ряд последовательных операций с использованием универсального оборудования и оснастки.

Вторая тенденция, состоит в возможности более концентрации операций на одном типе оборудования. И хотя для этого требуется дорогостоящее оборудование, производственный цикл уменьшается, а производительность увеличивается от 3 до 8 раз.

По этому дипломная работа разрабатывается согласно второй тенденции развития производства.

В дипломной работе мы стремились использовать достижения зарубежной и отечественной современной техники, прогрессивных технологических производственных процессов.

Целью данной работы является разработка прогрессивного технологического процесса изготовления корпусных деталей с обеспечением значительного снижения их трудоемкости и себестоимости на основе рациональных заготовок, станков с ЧПУ, нового режущего инструмента и совершенствования организации производства.

1. Аналитический раздел

1.1 Выбор материала для изготовления заготовки

Современный уровень техники предъявляется к оптико-электронным приборам требования обеспечения долгосрочной и надежной работы в различных условиях их эксплуатации. Поэтому применяемые для них изготовления комплектующие материалы должны обладать комплексом разнообразных свойств, физических и механических характеристик.

Основными материалами, которые применяются для изготовления корпусных деталей являются, следующие марки цветных и черных материалов: Сталь 35Л 45Л, электротехнические сплавы, серый чугун марки СЧ20, алюминиевые сплавы АК12, АК8М, АК9, магниевые сплавы МЛ3, МЛ5 и титановые сплавы. Это в основном литейные сплавы, используемые для отливки корпусных деталей прогрессивным методом литья под давлением.

Легированные конструкционные стали

В легированной стали содержаться специальные легирующие элементы (хром, вольфрам, никель и др.), повышающие ее механические свойства.

Хром — повышает прочность и твердость, увеличивает, прокаливаемость стали, понижает ее пластичность и вязкость. Содержание хрома до 3%.

Заготовительные работы. Изготовление монтажных узлов и деталей ...

... оборудования. Изготовление деталей и узлов из листовой стали трубопровод сварка деталь технологический При изготовлении воздуховодов ... на сварке. При толщине металла (сталь, алюминий, сплавы алюминия) от 1 до 1,5 мм воздуховоды ... изготовления воздуховодов из унифицированных деталей разделена на три самостоятельных производства со своей специализацией: 1) изготовление унифицированных деталей, ...

Никель — придает, стали антикоррозийную устойчивость, прочность и пластичность, повышает сопротивление удара, повышает прокаливаемость и уменьшает коэффициент теплового расширения. Содержание никеля 1 — 5%.

Вольфрам — увеличивает, твердость стали, препятствует росту зерен при нагреве, способствует уменьшению хрупкости при отпуске. Содержание вольфрама до 1,5%.

Молибден — повышает, твердость и прочность стали, уменьшает хрупкость, пластичность и вязкость. Содержание молибдена 0,2 — 0,6%

Кремний — увеличивает, прочность не снижая вязкости, упругость и жаростойкость. Содержание 1 — 2 %.

Марганец — повышает, прокаливаемость стали, увеличивает ее твердость и износостойкость и уменьшает магнитность.

Литейные стали

Углеродистые и легированные стали для изготовления деталей методом литья.

Сплавы алюминия для холодной обработки

Сочетание малой плотности с достаточно высокой прочностью, не магнитность, электропроводимость, коррозийная стойкость, хорошие технологические свойства и обрабатываемость резанием обуславливают широкое применение алюминиевых сплавов в приборостроении.

Сплавы алюминия делят на группы:

• деформируемые для изготовления обработкой давлением полуфабрикатов (листов, прутков, труб и т.д.);
• литейные — для изготовления фасонных отливок;
• спеченные — для изготовления изделий из порошков.

Деформируемые сплавы делятся на не упрочняемые термической

обработкой и упрочняемые.

По механическим свойствам деформируемые механические сплавы превосходят литейные.

Сплавы алюминиевые литейные

Сплавы алюминиевые литейные используется для получения отливок сложной конструкции, изготовление которых другими способами обработки нерационально. Наиболее распространенными являются силумины — сплавы алюминия с кремнием 10 -13%, сплавы алюминия с медью и марганцем 4,5 — 5,3% Cu и до 1% Mn, сплавы алюминия с магнием 9,5 — 11,5%.

Силумины наиболее широко используют для изготовления многих деталей в машиностроении и приборостроении: блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, корпусов, арматуры и т.д.

Сплавы алюминия с медью, обладающие повышенной прочностью, применяют для литья деталей, работающих при нагрузках (арматура, кронштейнов и т.д.).

Сплавы алюминия с магнием обладает хорошей коррозионной стойкостью, и применяются для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении. Многие отливки из алюминиевых сплавов подвергают термической обработкой для повышения их механических свойств, пластичности, а также снижения остаточных напряжений.

Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавав алюминия с кремнием эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния, в легированных силуминах помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики.

Плотность большинства силуминов 2650 кг/м — меньше плотности чистого алюминия (2700 кг/м).

Они хорошо свариваются. Хорошо обрабатываются резанием только силумины, легированные медью.

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления (модифицирования, способа литья и др.) и термической обработки. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности. Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05% при 200є С до 1,65% при эвтектической температуре, двойные сплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагуляции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифицирования.

Силумины обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3% от массы сплава. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Аl-Si в сторону большого содержания кремния. Благодаря этому эвтектический по составу сплав (АЛ2) становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелко кристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластической фазы — твердого раствора. Все это приводит увеличению пластичности и прочности. Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5-6% Si. Для легирования силуминов часто используют Mg, Cu, Mn, Ti; реже — Ni, Zr, Cr и др. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость резанием, титан оказывает модифицирующее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится пределах 515 535 оС, температура старения — в интервале 150-180 оС. Грубо-кристаллическая структура литейных сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5-10 ч) и при старении (10-20 ч).

Переходные металлы, например, Mn, Ti, Zr, способствуют получению пересыщенных твердых растворов при кристаллизации в условиях больших скоростей охлаждения, что вызывает некоторое упрочнение сплавов при старении без предварительной закалки.

Ниже в таблице 1. 1. 1 приведены марки и краткая характеристика материалов, чаще всего применяемых при изготовлении корпусных деталей.

Таблица 1. 1. 1

Материал	Содержание элементов, %	Физико-механические свойства	Краткая характеристика и назначение
Сталь 10	C- 0,07-0,14 Si- 0,17-0,37 Mn- 0,35-0,65 Cr- не более 0,15	Предел текучести не менее 210МПа, временное сопротивление разрыву не менее 340МПа, относительное удлинение не менее 34%. Число твердости горячекатаной стали без термообработки НВ, не более 143. Плотность 7,83.	Низкоуглеродистая, качественная сталь. Коррозионная стойкость низкая. Деформируется в холодном состоянии. Свариваемость хорошая. Обрабатываемость резанием удовлетворительная. В цементированном состоянии упрочняется термической обработкой. Применяется для крепежных деталей, от которых не требуется высокая прочность. В цементируемом состоянии для деталей, работающих на удар и трение.
Сталь 20	C- 0,17-0,24 Si- 0,17-0,37 Mn- 0,35-0,65 Cr- не более 0,25	Предел текучести не менее 250МПа, временное сопротивление разрыву не менее 420МПа, относительное удлинение не менее 25%. Число твердости горячекатаной стали без термообработки НВ, не более 163. Плотность 7,82.	Низкоуглеродистая, качественная сталь. Коррозионная стойкость низкая. Деформируется в холодном состоянии. Свариваемость хорошая. Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Применяется для крепежных деталей и других деталей не высокой прочности. Мало наружные детали, подвергаемые цементации, закалке и цианированию, к которым предъявляются требования высокой поверхности твердости и износостойкости при не высокой прочности сердцевины.
Сталь 9ХВГ	C- 0,85-0,95 Si- 0,15-0,35 Mn- 0,9-1,2 Cr- 0,5-0,8 W- 0,5-0,8	Твердость стали после отжига НВ, не более 241. Твердость после закалки при t 0 820-840С, в масле, HRC не менее 62. Плотность 7,75.	Хромовольфрамомарганцевая сталь. Для изготовления резьбовых калибров, лекал сложной формы, весьма точных деталей для холодных работ, которые при закалке не должны подвергаться значительным объемным изменениям и короблению.
Сталь 20Х	C- 0,17-0,23 Si- 0,17-0,37 Mn- 0,5-0,8 Cr- 0,7-1,0	Сталь термообработанная: предел текучести 650 МПа, временное сопротивление 800МПа, отно- сительное удлинение 11%. Твердость отожженной стали НВ, не более 179. Твердость после цементировании HRC, 60-64. Плотность 7,83.	Конструкционная низкоуглеродистая хромистая сталь. Коррозионная стойкость низкая. Свариваемость удовлетворительная. Пластичность в холодном состоянии удовлетворительная. В цементируемом состоянии имеет высокую твердость поверхности в сочетании с невысокой прочностью сердцевины. Для деталей повышенной прочности: втулок, осей. В цементируемом состоянии — для деталей, работающих на трение и удар.
Сталь 40Х	C- 0,36-0,44 Si- 0,17-0,37 Mn- 0,5-0,8 Cr- 0,8-1,0	Сталь термообработанная: предел текучести 800 МПа, временное сопротивление 1000МПа, отно- сительное удлинение 10%. Твердость отожженной стали НВ, не более 217. Твердость после закалки и низкого отпуска HRC, не менее 45. Плотность 7,83.	Конструкционная среднеуглеродистая хромистая сталь. Коррозионная стойкость низкая. Свариваемость удовлетворительная. Обрабатываемость резанием хорошая. Пластичность в холодном состоянии пониженная. Упрочняется термической обработкой. Для деталей повышенной прочности: червячных валов, зубчатых колес, осей, реек, кулачков.
АК8М (АЛ32)	Al- основа Mg- 0,3-0,5 Si- 7,5-9,0 Mn- 0,3-0,5 Cu- 1,0-1,5 Примеси не более Ti- 0,1-0,3 Zn- 0,3 Fe- 0,7-0,9 Zr- 0,1	Литье под давлением с термообработкой по режиму Т1, предел прочности при растяжении не менее 240МПа, относительное удлинение 1,5%.	Алюминиевый сплав с магнием, кремнием, марганцем, медью, титаном. Коррозионная стойкость высокая. Применяется для отливок ответственного назначения, работающих при t 0 до 150С, изготавливаемых преимущественно литьем под давлением.
АК12 (АЛ2)	Al- основа Mg- 0,17-0,3 Si- 8,0-10,5 Mn- 0,2-0,5 Примеси не более Mg- 0,1 Mn- 0,5 Cu- 0,6 Zn- 0,3 Ni- 0,1 Zr- 0,1 Fe- 0,7 для литья в землю Fe- 1,5 для литья под давлением	Литье по выплавляемым моделям и в землю с модифицированием: временное сопротивление -150МПа, относительное удлинение -4%, твердость по Бринелю НВ -50, с термообработкой по режиму Т2, соответственно: -140МПа, -4%, НВ -50; Литье под давлением: -150Мпа, -1%, НВ -50, с термообработкой по режиму Т2, -150МПа, -2%, НВ -50. Удельный вес 2,66.	Алюминиевый сплав с кремнием. Литейные свойство хорошие пригоден для всех видов литья. Герметичен. Обладает относительно высокой коррозионной стойкостью. Сваривается газовой и аргонно-дуговой сваркой. Обрабатываемость резанием плохая. Термической обработкой не упрочняется. Применяется для деталей сложной конфигурации, не подвергаемых воздействию больших нагрузок, высоких давлений и повышенной температуры.
АК9 (АЛ4)	Al- основа Mg- 0,17-0,3 Si- 8,0-10,5 Mn- 0,2-0,5 Примеси не более Fe- 0,6 Cu- 0,1 Zn- 0,2 Sn- 0,01 Pb- 0,05 Be- 0,1 Ti=Zr-0,15 Ni- 0,1	Литье в землю: временное сопротивление -150МПа, относительное удлинение -2%, твердость по Бринелю НВ -50. Литье в землю с термообработкой по режиму ТБ соответственно: -230Мпа, -3%, НВ -70. Удельный вес — 2,65.	Алюминиевый сплав с кремнием, магнием и марганцем. Коррозионная стойкость удовлетворительная. Литейные свойства хорошие, пригоден для всех видов литья с обязательным модифицированием, герметичен. Обрабатываемость резанием пониженная. Упрочняется термической обработкой. Применяется для крупных, сложных деталей высокой и средней наружности.

Итак, проанализировав все характеристики материалов, мы выбираем, алюминиевый сплав АК8МДТ1.

Этот сплав обладает высокой жидкотекучестью, хорошей коррозионной стойкостью, теплопроводимостью и электрической проводимостью и т. д.

1.2 Анализ метода литья выжиманием с кристаллизацией под давлением

технологический деталь станок режущий

Возрождение производства машин и механизмов на современном мировом уровне невозможно без повышения технологического уровня его основной базы — литейного производства. При этом одной из насущных проблем остается ресурсосбережение.

От общего объема производства заготовок в России около 45 % приходится на черное литье, 35 % — на заготовки из проката, поковок и горячих штамповок, остальное — на холодноштампованные детали и сварные конструкции. Коэффициент использования металла (КИМ) литых заготовок составляет 0,4-0,42, заготовок из проката — 0,35-0,38, из поковок — 0,24-0,35 /1/ 31 с.

Из приведенных цифр ясно, что литье является наиболее предпочтительным способом получения точных заготовок, особенно сложной конфигурации.

Однако литой металл при гравитационной заливке в форму и кристаллизации в ней под атмосферным давлением получает более низкие механические свойства по сравнению с кованым металлом и прокатом, а также дефекты в виде микропор и раковин, и не обеспечивает в отдельных случаях эксплуатационные требования изделий.

Для ресурсосбережения в заготовительном производстве машиностроения необходимо проведение следующих мероприятий:

1. Повышение КИМ литых заготовок путем изготовления их в более точных формах — по газифицируемым и выплавляемым моделям, полученным вакуумно-пленочной формовкой, в сухих стопочных формах; а также заменой выплавляемых моделей на газифицируемые, особенно в автомобилестроении.

2. Повышение механических свойств литого металла до уровня поковок и проката, с одновременным уменьшением на 20-30 % толщины стенок литых деталей и снижением их веса.

3. Замена заготовок из проката, поковок и штамповок на литье с сохранением механических свойств металла и толщин стенок готовых деталей.

Методом литья выжиманием с кристаллизацией под давлением возможно получения отливок, в том числе тонкостенных (1 мм и менее), в неметаллических формах, со свойствами литого металла на уровне поковок и проката. Этих показателей удалось достигнуть использованием нового способа литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (ЛВКД), разработанного в возглавляемой автором лаборатории физико-технических проблем стального литья Института прикладной физики (ИПФ, г. Новосибирск) и характеризующегося несколькими особенностями:

• применением облицованной кварцевым песком камеры выжимания, расположенной соосно под литейной формой;
• применением облицованной промежуточной плиты с литниковым ходом, установленной в головной части камеры;
• выжиманием расплава в интервале кристаллизации из камеры в форму через литниковый ход промежуточной плиты;
• кристаллизацией расплава в форме под давлением.

Разработанные технические решения по литейной оснастке (конструкции камеры выжимания и промежуточной плиты) обеспечили надежность способа ЛВКД и пригодность его в условиях серийного производства, а используемые приемы способа — получение высоких механических свойств металла отливок.

Для расширения области применения ЛВКД, с учетом положительных результатов экспериментов, проведенных в ИПФ, при использовании форм по выплавляемым моделям, по газифицируемым пенополистироловым моделям и сухих стопочных форм, были проведены исследования и разработаны технологии серийного производства деталей ответственного назначения “крышка” (рис. 1.2.1), изготавливаемых обычно из проката.

Рис. 1. 2. 1. Чертеж детали “крышка”

При изготовлении детали “корпус” из проката стали 45, 50 механической обработкой выполняется более 40 технологических операций и переходов при общей трудоемкости 2,6 нормочасов и КИМ — 0,38.

Для получения способом ЛВКД отливки с точными размерами и минимальной механической обработкой были использованы керамические формы, полученные по выплавляемым моделям. Выплавляемые модели и керамические формы изготавливали по серийной технологии в производственных условиях цеха точного литья Новосибирского авиационного завода, что позволило проверить пригодность данной технологии для получения отливок методом ЛВКД. Изготовление опытной партии и обработку литья проводили на установке ЛВД-2 в производственных условиях ИПФ.

Исходя из требований чертежа детали по допускам размеров и чистоте поверхности была спроектирована отливка с минимальной механической обработкой, вес отливки — 1,5 кг, вес готовой детали — 1,74 кг, КИМ — 0,86.

Выплавляемые модели собирали в блок по 4 шт. на 1 стояк, изготавливали керамическую форму по известной технологии, устанавливали ее в контейнер литейной установки ЛВД-2 при температуре не выше 300 °С заливочной воронкой вниз, производили выжимание стали в форму в интервале кристаллизации и выдерживали после заполнения формы под давлением 4,5-5 атм. до полного затвердевания отливок. Затвердевшие отливки извлекали из контейнера, затем процесс повторяли.

Отливки отрезали от куста, производили очистку, контроль размеров и чистоты поверхности. Готовые отливки соответствовали требованиям чертежа по контролируемым параметрам, что говорит о полной пригодности серийной технологии изготовления керамических форм по выплавляемым моделям для литья способом ЛВКД.

Опытная партия отливок в количестве 20 шт., изготовленная способом ЛВКД, была испытана на герметичность давлением сжатого воздуха 5 атм. и на прочность гидравлическим давлением 230 кг/см ² . По результатам испытаний все отливки признаны годными, а технологический процесс литья сложных по геометрии стальных “крышек” способом ЛВКД в формах по выплавляемым моделям рекомендован для серийного производства.

Замена заготовки детали ”крышка” из проката на литье позволила в 2,9 раза снизить трудоемкость ее механической обработки, в 2,7 раза повысить КИМ, в 1,44 раза снизить себестоимость изготовления детали.

В качестве материала форм использовали жидкостекольную смесь с добавкой 20 % пылевидного кварца. Стопочную форму помещали в контейнер литейной установки ЛВД-2. В камеру выжимания, расположенную под литейной формой, заливали сталь, выплавленную в индукционной печи, и после падения температуры расплава до начала кристаллизации выжимали жидко-твердый расплав в рабочую полость литейной формы. Затвердевание расплава в форме осуществлялось под давлением 4,5-5 атм.

После затвердевания металла форму с кустом отливок извлекали из контейнера и отделяли отливки от литниковой системы.

Опытную партию отливок в количестве 30 шт. подвергали пескоструйной обработке, испытанию на герметичность давлением сжатого воздуха 5 атм. и на прочность — гидравлическим давлением 270 кг/см ² . Механические свойства металла отливок испытывали на стандартных образцах.

В результате испытаний установлено, что литые детали соответствуют требованиям чертежа, не уступают прокату по механическим свойствам металла, а технологический процесс литья деталей способом ЛВКД в сухих стопочных формах рекомендован для использования в серийном производстве заготовок «дно переднее».

Замена горячештампованных заготовок из проката на литье способом ЛВКД позволила в 1,8 раза снизить трудоемкость механической обработки, в 1,7 раза снизить себестоимость детали, в 2,7 раза повысить КИМ (до 0,86 вместо 0,38) /1/ 33 с.

На основании договора о научно-техническом сотрудничестве между ИПФ и ИПЛ АН УССР новый способ ЛВКД был использован О. И. Шинским для разработки технологии литья точных заготовок по газифицируемым пенополистироловым моделям.

Опытно-промышленные проверки разработанных технологий для изготовления точных отливок арматуростроения, буровой техники, двигателей автомобилей, сельхозмашин и нефтехимического производства из серого и высокопрочного чугуна, углеродистой и легированной стали, бронзы и латуни показали возможность получения отливок с КИМ до 0,95, выходом годного до 85 % при потребительских свойствах материала отливок, не уступающих свойствам поковок и штамповок.

Караником Ю. А. был доработан способ литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (патент RU 2234392 C2).

В вышеизложенном способе, включающий заливку дозы расплава в облицованную камеру выжимания, выжимание расплава в расположенную над камерой соосно с ней литейную форму под механическим давлением и затвердевание расплава в форме, причем в процессе затвердевания отливки в форме создают газовое давление /2/.

В момент окончания заполнения литейной формы расплавом, особенно при изготовлении тонкостенных протяженных отливок, возникает гидравлический удар, который приводит к дефектам отливок в виде усадочных рыхлот и поверхностных раковин, а механическое давление на расплав формы приводит к механическому пригару (в неметаллических формах) деформации форм по выплавляемым и газифицируемых моделям, растрескиванию форм по выплавляемым моделям и образованию на отливках приливов, а в стенках отливок — горячих микротрещин. При больших скоростях заливки воздух, находящийся в форме, может стать причиной образования газовых раковин. Ориентация на кристаллизацию металла отливки под механическим давлением за счет сжатия жидкого остатка приводит к большому расходу металла на литниково-питающую систему, к снижению коэффициента выхода годного, т.к. в этом случае толщина жидкого остатка всегда должна быть больше самой толстой стенки в отливке. Проблемы возникают также при получении отливок способом ЛВКД из легкоокисляющихся сплавов, например магниевых, из высокопрочного чугуна без использования автоклава, сплавов, насыщенных азотом.

Задача, решаемая в заявленном техническом решении, заключается в устранении в отливках указанных выше дефектов, снижении расхода металла на литниково-питающую систему, расширении технологических возможностей за счет получения способом ЛВКД отливок из высокопрочного чугуна (ВЧ) и сплавов, насыщенных азотом, в т.ч. нитридами и карбонидами.

Поставленная задача решается благодаря заявленному способу, включающему заливку дозы расплава в облицованную огнеупорным материалом камеру выжимания, выжимание расплава в расположенную над камерой соосно с ней литейную форму под механическим давлением и затвердевание отливки в форме под газовым давлением, газовое давление (противодавление механическому), отличное от атмосферного, создают в форме в начальный момент поступления в нее расплава, а механическое давление снимают после заполнения расплавом рабочей полости формы при поступлении его в прибыльную часть.

Режимы давления на расплав в форме назначают в зависимости от химсостава заливаемого расплава, геометрии отливки и вида форм.

Если получают точные, особенно крупногабаритные, отливки в керамических формах, песчаных формах, в формах по пенополистироловым газифицируемым моделям, отливки с высокими требованиями по ограничению в металле окислов, склонные к образованию горячих трещин, то форму при заливке вакуумируют, а после заполнения расплавом рабочей полости формы, при поступлении его в прибыльную часть, механическое давление снимают.

Если получают отливки из специальных сплавов, в т. ч. из износостойких, коррозионностойких сплавов, насыщенных азотом, из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием без автоклава, то в начальный момент поступления расплава в форму под механическим давлением в ней создают газовое противодавление и поддерживают до окончания формирования отливок.

Вакуумирование формы позволяет проливать суспензионным расплавом протяженные тонкие стенки отливок, устранить в отливках газовые раковины, расширить технологические возможности ЛВКД.

Снятие механического давления при поступлении расплава в прибыльную часть позволяет устранить механический пригар и коробление отливок, гидравлический удар и связанные с ним дефекты, а также свести к минимуму толщину пресс-остатка и повысить выход годного при высоких механических свойствах металла отливки, обеспечиваемых кристаллизацией под газовым давлением.

Газовое противодавление в форме позволяет гасить гидравлический удар, устранить механический пригар на отливках, осуществить микропластическую деформацию кристаллов в материале отливки, повысить ее гидроплотность и механические свойства, получать отливки из сплавов, насыщенных азотом, т.к. газовое противодавление препятствует выделению азота из расплава в процессе заливки, и получают отливки из высокопрочного чугуна без использования автоклавов, а также из магниевых сплавов.

Наиболее близким аналогом устройства для реализации способа ЛВКД является устройство для получения отливок литьем с кристаллизацией под давлением, содержащее облицованную огнеупором камеру выжимания, литейную форму, расположенную над камерой, механизм их встречного перемещения для выжимания расплава из камеры в литейную форму, которая размещена в контейнере (стакане) с крышкой, имеющей герметизирующее уплотнение, газопровод для вакуумирования формы, подачи сжатого газа в форму, соединения формы с атмосферой (Патент RU 2009012 С1, В 22 D 18/02, 15.03.1994 г.).

Заявленное устройство для реализации заявленного способа ЛВКД отличается от известного тем, что стакан выполнен подвижным в горизонтальном направлении и установлен на направляющих, связанных с крышкой, установленной неподвижно и соосно с камерой, крышка снабжена захватами для прижатия стакана, в донной части стакана выполнен литниковый ход, совмещенный с литником формы и облицованный огнеупором, вокруг литникового хода выполнен кольцевой уступ для герметизации стакана выжимаемым расплавом, причем донная часть стакана отделена от выжимаемого расплава огнеупорной плитой.

Предлагаемое устройство упрощает процесс заливки расплава в камеру выжимания, обеспечивает реализацию предлагаемого способа ЛВКД.

При модифицировании расплава в камере выжимания, например чугуна магнийсодержащими лигатурами, в нижней части огнеупорной плиты размещен модификатор, а при получении сплавов, насыщенных азотом, — материал, содержащий азот, например карбамид.

На рис. 1.2.2 представлено устройство для литья способом ЛВКД перед выжиманием; на рис. 1. 2. 3 — устройство для литья способом ЛВКД в процессе выжимания.

Устройство ЛВКД содержит камеру выжимания 1 с облицовкой 2 из жидкостекольной смеси, установленной на подвижном столе 3, перемещаемом вверх под действием силового гидроцилиндра (не показан) и в котором выполнен резервуар 4 для сжатого газа, поступающего через штуцер 5.

Камера 1 и стол 3 разделены герметизирующей прокладкой 6 и объединены герметично посредством прижимов 7. В камеру 1 залит расплав металла 8.

Литейная форма 9, полученная по выплавляемым моделям, установлена в стакан 10 и засыпана кварцевым песком 11. Прибыльная часть формы 12 имеет остроугольный выступ 13, вершина которого находится в тепловом узле прибыли 12. Стакан 10 с литейной формой 9 установлен после засыпки песком 11 на горизонтальных направляющих 14, связанных жестко с неподвижной верхней крышкой 15, снабженной герметизирующей прокладкой 16, газопроводом 17 для вакуумирования, газопроводом 18 для подачи газового давления, газопроводом 19 для сброса газового давления и вакуума. Для герметичного соединения стакана 10 имеется литниковый ход 21, снабженный облицовкой 22 из жидкостекольной смеси, кольцевой уступ 23 для герметизации стакана снизу выжимаемым расплавом. Между дном стакана 10 и зеркалом расплава 8 имеется огнеупорная плита 24, выполненная из жидкостекольной смеси. Для модифицирования расплава 8 в камере выжимания 1 в плите 24 размещен модификатор 25, а для насыщения расплава азотом в плите 24 размещен карбамид 26. Стол 3 и крышка 15 связаны одной опорной рамой (не показана).

Устройство ЛВКД по заявленному способу работает следующим образом:

В стакан 10 устанавливают оболочковую форму 9, изготовленную по выплавляемым моделям, заформовывают ее сухим кварцевым песком 11 и устанавливают на горизонтальные направляющие 14 (фиг.1).

К дну стакана приклеивают огнеупорную плиту 24 с одновременным введением облицовки 22 в литниковый ход 21.

Камеру выжимания 1, облицованную слоем 2 жидкостекольной смеси, устанавливают на подвижный стол 3 и прижимают к нему прижимами 7 через герметизирующую прокладку 6. Расплав 8 алюминия заливают в камеру 1 и через штуцер и резервуар подают сжатый газ аргон, производя продувку меди для очистки расплава от окислов и газов. Одновременно стакан 10 перемещают по направляющим 14 в положение соосно с крышкой 15 и прижимают к ней герметично через герметизирующую прокладку 16 прижимами 20 (фиг.2).

При заданной температуре меди стол 3 с камерой 1, заполненной расплавом 8 алюминия, перемещают вверх с заданной скоростью. В процессе перемещения донная часть стакана 10 входит в облицованную камеру 1, и расплав алюминия 8 выжимается через литниковый ход 21 в рабочую полость формы 9. Первые порции расплава обливают уступ 23 и герметизируют стакан 10 снизу. Сразу же через газопровод 17 форму 9 вакуумируют, и поступающий в нее расплав 8 не окисляется, заполняя тонкие стенки формы 9. После заполнения расплавом рабочей полости формы 9, при поступлении его в прибыльную часть 12, механическое давление снимают, в стакан 10 по газопроводу подают аргон под давлением 5 атм и выдерживают до затвердевания отливки, после чего перекрывают аргон и соединяют полость стакана 10 через газопровод 19 с атмосферой, прижимы 20 ослабляют, перемещают стакан 10 на исходную позицию, снимают с направляющих 14 и вытряхивают форму 9 с отливкой и процесс повторяют.

Рис. 1. 2. 2. Устройство для литья способом ЛВКД перед выжиманием, Рис. 1. 2. 3. Устройство для литья способом ЛВКД в процессе выжимания

Способом ЛВКД были получены, корпусные отливки из алюминиевого сплава АЛ32 (АК8М).

Выход годного составил 90 %, КИМ заготовок — 0,95, механические свойства металла отливок определялись на стандартных образцах, вырезанных из стенок литых деталей (таблица).

Анализ полученных результатов показывает, что материал отливок, изготовленных способом ЛВКД, имеет предел прочности в 1,5 раза выше и предел текучести в 2 раза выше по сравнению с требованиями ГОСТа (см. табл. 1. 2. 1).

Таблица 1. 2. 1

Образец АК8М(АЛ32)	Механические свойства
	Предел прочности ув, МПа	Предел текучести ут, МПа	Относительное удлинение д , %	Твердость НВ
Требования на материал отливки по ГОСТ 1583-93	225	160	1	70
Требования на материал отливки, изготовленной способом ЛВКД	337	243	3	80

Использование для литья способом ЛВКД сплава АК8М (АЛ32) позволит получать отливки с пределом прочности материала порядка 40 кгс/мм ² , а использование нелитейных сплавов типа АК6, АК8, В95, В96 и других — расширить номенклатуру и возможности литейного производства при снижении требований к исходным шихтовым материалам.

В 2003 г. на Опытном заводе цветного литья (ОАО “ОЗЦЛ”, г. Новосибирск) под научно-техническим руководством автора была создана и освоена технология изготовления способом ЛВКД особо ответственных изделий, работающих в условиях высоких температур и давлений, — алюминиевых наконечников кислородно-конверторных фурм с КИМ 0,95.

Производственные испытания опытных деталей в условиях ОАО “ЗСМК” показали, что стойкость цельнолитых наконечников, полученных способом ЛВКД при оптимальных режимах, в несколько раз превышает стойкость используемых в производстве сварных наконечников, изготавливаемых из алюминиевым проката, КИМ которых в 2 раза меньше по сравнению с литым вариантом при более высокой стоимости.

Таким образом, на основе нового способа ЛВКД созданы технологии литья точных заготовок с КИМ 0,80-0,95 из черных и цветных металлов сплавов деталей ответственного назначения с повышенными гарантированными свойствами литого металла при использовании постоянных форм, форм по газифицируемым и выплавляемым моделям, сухих стопочных форм.

Анализ уровня используемых в заготовительном производстве машиностроения серийных технологий и новых технологий получения точных заготовок способом ЛВКД показывает, что разработку в России способа ЛВКД можно квалифицировать как крупное научно-техническое достижение, не имеющее аналогов в мире, открывающее новое направление в развитии управляемых процессов литья точных тонкостенных заготовок деталей машиностроения.

1.3 Выбор вида заготовки

В современной технологии приборостроения одним из основных направлений является совершенствование заготовительных процессов с целью снижения припусков на механическую обработку, ограничения ее операциями окончательной отделки, а в ряде случаев полного исключения, т.е. обеспечения малоотходной или безотходной технологии. Необходимость экономии материальных ресурсов предъявляет высокие требования к рациональному выбору заготовки, к уровню ее технологичности, которая в значительной степени определяет затраты на технологическую подготовку производства, себестоимость, надежность и долговечность изделия.

При разработки нового технологического процесса одной из главных задач является задача выбора способа получения заготовки. Правильность выбора способа определяется рациональностью технологического процесса ее получения с учетом материала детали, требований к точности ее изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска.

При выборе способа литья следует учитывать следующие факторы:

• годность данного способа для обеспечения необходимого конструктивного формообразования отливки и для получения отливки требуемых размеров;
• соответствие металла и сплава, из которых возможно получение отливки данным способом литья, требованием, предъявляемым к материалу детали, условиям ее дальнейшей обработки и эксплуатации;

• технологические возможности данного способа для обеспечения требований, предъявляемых к точности размеров и шероховатостей поверхностей отливки;
• применимости способа в конкретных производственных условиях данного предприятия;
• технико-экономическую целесообразность использования данного способа с учетом числа отливаемых отливок.

Особенно важно назначить рациональный технологический процесс изготовления заготовки в условиях автоматизированного производства, когда размеры детали при механической обработке обеспечиваются автоматически за счет применения многоцелевых станков с ЧПУ.

1.3.1 Обработка металлов давлением

Этот метод основан на способности металлов и ряда не металлических материалов в определенных условиях получить пластические (остаточные) деформации в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.

Одним из существующих достоинств обработки металлов давлением возможность значительного уменьшение отходов материала по сравнению с обработкой резаньем. Другим достоинством является возможность повышения производительности труда, так как в результате однократного приложения усилий можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Эти и другие достоинства обработки металлов давлением приводят к тому, что удельный вес ее в металлообработке неуклонно возрастает.

Обработка металла давлением делится на:

Прокатка —

Ковка — ее получают заготовки для последующей механической обработки. Эти заготовки называют кованными поковками, или просто поковками. Ковка является единственно возможным изготовлением тяжелых поковок типа валов гидрогенераторов, турбинных дисков и т. д. Ковку подразделяют на ручную и машинную.

Горячая штамповка., Холодная штамповка, Холодное выдавливание., Холодная высадка., Холодная формовка., Холодная листовая штамповка.

Прессование. Заключается в продавливании заготовки, находящейся в замкнутой форме, через отверстие матрицы, причём форма и размеры поперечного сечения выдавливаемой части заготовки соответствуют форме и размерам отверстия матрицы, а длинна её пропорциональна отношению площадей поперечного сечения исходной заготовки к выдавливаемой части и перемещению давящего инструмента.

Волочение. Заключается в протягивании заготовки через сужающиеся отверстие матрицы; площадь поперечного сечения уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстие матрицы. Волочение обеспечивает точность размеров, высокое качество поверхности, получение очень точных профилей.

1.3 2 Прогрессивные методы литья

Литье точных отливок в разовые формы

При производстве отливок в разовые формы исключается или уменьшается механическая обработка отливок. К таким способам литья относят:

Литье в оболочковые формы — этот способ является разновидностью литья в одноразовые формы, обеспечивает отливки с высоким качеством поверхности.

Литье по выплавляемым моделям — этот способ изготовления отливок трудоемок и дорог. Однако его применение во многих случаях оправдано, например, при получении точных отливок без последующей механической обработки, при изготовлении деталей со сложной и трудоемкой механической обработкой.

Литье по газифицируемым моделям — его особенностью является применение неразъемных форм, из которых модель не извлекается, а газифицируется за счет теплоты расплавленного металла.

Литье в металлические формы

Литье в кокиль — способ имеет преимущество перед литьем в песчаные формы, т.к. кокиль выдерживает большое число заливок в зависимости от заливаемого в него сплава: чем ниже температура, тем больше их стойкость. Нет формовочной смеси.

Литье под давлением — этот способ применяют в массовом производстве. При данном способе достигается большая точность размеров, высокое качество отливок, не требуется механической обработки.

Центробежное литье — здесь отливки получают свободной заливкой во вращающиеся формы. Отливки формируются под действием центробежных сил.

Литье вакуумным всасыванием — преимуществом способа является устранение брака по газовым раковинам и пористости, т.к. отливка образуется при последовательной кристаллизации.

Непрерывное литье — заключается в том, что жидкий металл из печи или ковша поступает в кристаллизатор, представляющий собой охлаждаемую водой металлическую форму.

Литье выжиманием — здесь можно получить отливки с песчаным стержнем и крупногабаритные тонкостенные отливки.

Жидкая штамповка — при этом способе в металлическую форму заливают определенную порцию жидкого металла, при опускании металлический пуансон выдавливает металл, который заполняет пространство между формой и пуансоном. В результате образуется отливка.

Итак, учитывая конструкцию, технологические требования и проведя, анализ прогрессивных методов литья мы решили, что наиболее рациональным способом получения рассматриваемой детали является метод литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (ЛВКД).

Методом ЛВКД отливки с максимально приближенными формами и размерами относительно к готовой детали, высокой точности от 12 до 14 квалитета и чистоты поверхности высокой точности от Rа= 5-1,25 мкм.

Этот метод применяют для получения как мелких так и крупных отливок.

Сущность этого метода включает заливку дозы расплава в облицованную камеру выжимания, выжимание расплава в расположенную над камерой соосно с ней литейную форму под механическим давлением и затвердевание расплава в форме под газовым давлением.

Преимущества данного метода

отсутствие механической обработки, за исключением посадочных мест;

– получение в отливках сквозных отверстий диаметром до 2 мм при максимальной глубине отверстия равной шести диаметрам (для глухих отверстий до трех диаметров) и толщиной стенок до 1 мм;

• метод ЛВКД позволяет устранить недостатки литья под давлением, такие как снижение пластичности, плотности и герметичности отливок за счет воздуха находящегося в пресс-форме и газов образующихся в процессе сгорания смазки и находящихся в металле в растворенном состоянии, что приводит к созданию газо-воздушной пористости отливки, усадочных рыхлот и поверхностных раковин;

• выход годных отливок до 90%, а КИМ 0,85 — 0,95;

• повышение предела прочности в 1,5, предела текучести в 2, а относительного удлинения до 3 раз по сравнению с требованиями ГОСТа;

• обрабатываемость отливок на уровне поковок и проката.

Недостатки метода

меньшая производительность по сравнению с литьем под давлением;

– трудности при выполнении отливок со сложными внутренними полостями.

1.3.3 Расчет отливки

Расчет отливки приведен в таблице 1. 3. 3. 1.

Таблица 1. 3. 3. 1

Размеры чертежа детали, с указанием точности	Величи- на допуска (мм)	Величина односто- роннего припуска, (мм)	Величина двухсто- роннего припуска, (мм)	Расчётная величина исполн. размера отливки с учётом припуска	Окончательные размеры отливки С указанием точности (мм)	Окончательная величина односто- роннего припуска (мм)
1	2	3	4	5	6	7
57H14 (+0,74)	—	—	—	—	57 +0, б 4	—
R3,5	—	—	—	—	R3,50,16	—
3015	—	—	—	—	3030	—
15є±30′	—	—	—	—	15є±30′	—
R11	—	—	—	—	R11±0,22	—
26±0,2	—	—	—	—	26±0,28	—
59h14 (-0,74)	—	—	—	—	59 -0.64	—
57H14 (+0,74)	—	—	—	—	57 +0,64	—
26h14 (-0,52)	0,56	0,7	—	26,7	26,5±0,28	0,5
9h14 (-0,36)	—	—	—	—	9 -0.4	—
M3-6H	—	—	—	—	—	—
45є±30′	—	—	—	—	45є±30′	—
95±0,3	—	—	—	—	—	—
81H14 (+0,87)	—	—	—	—	81 +0,7	—
5h14 (-0,3)	—	—	—	—	5 -0,36	—
24h14 (-0,52)	—	—	—	—	24 -0,5	—
3h14 (-0,3)	—	—	—	—	3 -0,36	—
9,5 h14 (-0,36)	—	—	—	—	9,5 -0,4	—
5,6H14 (-0,36)	—	—	—	—	5,6 +0,36	—
2h14 (-,25)	—	—	—	—	2 -0,32	—
4,5 H14 (+0,36)	—	—	—	—	4,5 -0,36	—
R8	—	—	—	—	R8±0,2	—
15	—	—	—	—	15±0,22	—
22,5h14 (-0,52)	—	—	—	—	22,5 -0,25	—
4,5h14 (-0,3)	—	—	—	—	4,5 -0,36	—
2,5H14 (+0,25)	—	—	—	—	—	—
5h14 (-0,3)	—	—	—	—	5 -0,36	—
19H14 (+0,52)	—	—	—	—	19 +0,5	—
6H14 (+0,3)	0,36	0,5	1	5	5±0,18	0,5
R11	—	—	—	—	R11±0,22	—
13	—	—	—	—	13±0,22	—
2,5 (-0,25)	—	—	—	—	2,5 -0,36	—
4h14 (-0,3)	0,32	0,6	—	4,4	5±0,16	0,5
18h14 (-0,43)	—	—	—	—	18 -0,5	—
R3	—	—	—	—	R3±0,16	—
12H14 (+0,43)	—	—	—	—	12 +0,44	—
26H14 (+0,52)	—	—	—	—	26 +0,56	—
R2	—	—	—	—	R2±0,16	—
6±0,05	0,36	0,5	—	6	6±0,18	0,5
49h14 (-0,62)	—	—	—	—	49 -0,64	—
3h14 (-0,25)	—	—	—	—	3 -0,32	—
5h14 (-0,3)	—	—	—	—	5 -0,36	—
41,5H14 (-0,62)	—	—	—	—	41,5 +0,64	—
66h14 (-0,74)	0,7	0,7	1,4	67,4	67±0,35	0,5
65h14 (-0,74)	—	—	—	—	65 -0,7	—
58 h14 (-0,74)	—	—	—	—	—	—
3,5±0,2	—	—	—	—	—	—
3h14 (-0,25)	—	—	—	—	3±0,32	—
56h14 (-0,74)	—	—	—	—	56 -0,64	—
3,5h14 (-0,3)	—	—	—	—	3,5 -0,32	—
17±0,2	—	—	—	—	—	—
28H14 (+0,52)	—	—	—	—	28 +0,56	—
M3-6H	—	—	—	—	—	—
35	—	—	—	—	35±0,28	—
12h14 (-0,43)	—	—	—	—	12 -0,44	—
63h14 (-0,74)	—	—	—	—	63 -0,64	—
25±0,2	—	—	—	—	—	—
35 H14 (+0,62)	—	—	—	—	35 +0,56	—
30H14 (+0,52)	—	—	—	—	30 +0,56	—
R3	—	—	—	—	R±0,16	—
28,5±0,2	—	—	—	—	28,5±0,28	—
4,5 H14 (+0,3)	—	—	—	—	4,5 +0,36	—
2h14 (-0,25)	—	—	—	—	2 -0,32	—
10h14 (-0,36)	—	—	—	—	10 -0,4	—
13H14 (+0,42)	—	—	—	—	13 +0,44	—
95h14 (-0,87)	—	—	—	—	95 -0,7	—
20±0,1	—	—	—	—	0,25	—
80	—	—	—	—	—	—
8h14 (-0,36)	0,4	0,5	—	7,5	7,5±0,2	0,5
1,6h14 (-0,25)	—	—	—	—	—	—
M18-6H	0,5	0,9	1,8	16,2	16±0,28	1
17,5±0,3	—	—	—	—	17,5±0,25	—
32,5H14 (+0,3)	—	—	—	—	32,5 +0,28	—
35,5	—	—	—	—	—	—
80	—	—	—	—	—	—
18H14 (-0,43)	0,5	0,5	1	17	17±0,32	0,5