Проектирование литейной формы

Введение

В развитии литейного производства, так же как и в глобальной экономике, необходимыми факторами являются: повышение производительности и качества продукции. С помощью внедрения новых технологий и изобретательности инженерно-технического персонала можно значительно повысить как производительность, так и качество продукции.

С этой целью необходимо повышать качество подготовки специалистов, в результате чего получается огромная отдача в виде повышения производительности труда. Развитие литейного производства должно учитывать потребности потребителя, которые выражаются в отливках более высокого качества, при этом с низкой себестоимостью, что и привело к возникновению точной формовки.

В литейной промышленности особое внимание в развитии технологий уделяется трем отраслям:

- поставка продукции более высокого качества, с наращиванием объемов производства;

- преимущество использования более дешевой рабочей силы в определенных регионах;

- применение более строгих положений об охране окружающей среды, с внедрением и использованием безотходных технологий.

Перспектива развития литейного производства связана с изменениями в литейной технологии:

- компьютерное моделирование заполнения формы и затвердевания отливок, для проектирования литниковых систем, что позволит снизить дефекты;

- усиленный контроль над процессами плавки и модифицирования обеспечит получение отливок без отбела и с мелкозернистой структурой;

- применение литья по газифицируемым моделям, с противодавлением, различных методов принудительного охлаждения.

Визуальные системы, позволяющие машинам и роботам видеть, измерять и производить формовку, станут обычными в рамах массового производства. Будут применяться безотходные технологии.

На основании вышеизложенного, в проекте применяются индукционные печи, автоматические формовочные линии, стержневые автоматы и др.; оборудованные системами пыле- и газоочистки, системами автоматического контроля и регулирования, совершенными автоматизированными системами управления (АСУ) на основе электронных вычислительных машин (ЭВМ).

1 Назначение отливки и анализ ее технологичности

Деталь типа: корпус 54-20055А изготавливается из ВЧ (высокопрочного чугуна с шаровидным графитом) марки 45 ГОСТ 7293-85.

Назначение отливки:

Деталь работает в механизмах жатки при динамических нагрузках в условиях повышенного трения и износа, поэтому изготавливается из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, который обладает повышенной пластичностью, прочностью, износостойкостью и хорошими литейными свойствами.

Технологичной называют такую деталь, которая обеспечивает заданные эксплуатационные свойства механизма, позволяет при данной конструкции выполнить ее с наименьшими затратами. Деталь должна быть удобна для изготовления методом литья в песчано-глинистой форме (ПГФ).

Деталь представляет собой фигуру втулки, переходящей во фланец. Большая часть отливки располагается в нижней полуформе. Линия разъема плоская. В отливке имеется несколько отверстий. Центральное отверстие выполняется с помощью стержня и имеет припуск на механическую обработку. Четыре отверстия меньшего диаметра целесообразно выполнять сверлением. Всего отливка имеет четыре поверхности с припусками на механическую обработку, т.к. заданную чистоту поверхности нельзя получить методом литья.

Деталь изготавливают из высокопрочного чугуна, поэтому металл подводят через прибыли в массивные узлы во избежание усадочных раковин.

Эту деталь наиболее экономично изготовлять методом литья в песчано-глинистую форму. В целом деталь компактна и технологична.

Рисунок 1 Технологический процесс получения отливок в разовой

песчано-глинистой форме

2 Химический состав и механические свойства

Высокопрочный чугун с шаровидной формой графита (ВЧШГ) следует рассматривать как наиболее перспективный литейный сплав, с помощью которого можно успешно решать проблему снижения массы при сохранении их высокой надежности и долговечности. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по механическим свойствам приближается к углеродистым сталям, но имеет следующие преимущества: более низкую температуру плавления, лучшую жидкотекучесть, меньшую склонность к образования горячих трещин, несколько меньшую плотность, более высокую прочность и износостойкость, лучшую обрабатываемость резанием и способностью гасить вибрацию.

В сравнении с ковким чугуном преимуществами высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются: лучшие литейные и более высокие механические свойства, возможность во многих случаях обходиться без термической обработки, а также возможность применения для деталей любых сечений, массы и размеров.

По сравнению с серым чугуном он обладает более высокими прочностью, пластичностью, жаростойкостью и лучшей свариваемостью. Высокие значения механических свойств высокопрочного чугуна с шаровидным графитом дают также возможность заменять им серый чугун, причем возможны уменьшение толщины стенок и снижение массы отливок. Металлоемкость конструкции при этом можно снизить в 1,5-2 раза.

Отличительной особенностью этого чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные шаровидным графитом, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне ослабляет рабочее сечение металлической основы, и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия (эффекта надреза), благодаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентрации напряжений. Это позволяет наиболее полно (на 80 – 90%) реализовать прочность металлической основы.

Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью. Поэтому его с успехом применяют для изготовления ответственных, тяжело нагруженных деталей машин.

Номенклатура основных элементов, влияющих на механические свойства чугуна с шаровидным графитом, аналогична основным элементам серого чугуна с пластинчатым графитом. Кроме того, при производстве отливок из чугуна с шаровидным графитом следует обращать внимание на концентрацию примесных элементов, оказывающих вредное влияние на сфероидизацию графита. Ti, Bi, As, Sb, Pb, Al отрицательно влияют на образование шаровидной формы графита и снижают механические свойства чугуна. Для гарантированного получения шаровидной формы графита необходимо ограничить уровень содержания этих примесей в следующих пределах:

Ti ≤ 0,05%; Bi ≤ 0,005%; As ≤ 0,005%; Sb ≤ 0,01%; Pb ≤ 0,05%; Ab ≤ 0,05%.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается при модифицирования расплава реагентами, содержащими Mg, Ca, Ce, Y и др.

Таблица 1 Химический состав и механические свойства

Правильная шаровидная форма графита зависит от ряда факторов (состав металла, условия модифицирования, шихтовые материалы и прочие условия плавки), но в первую очередь она связана с содержанием остаточного Mg, Ce или др. сфероидизаторов. Значительное влияние на форму кристаллизующегося графита оказывает скорость охлаждения отливок: чем больше скорость, тем правильнее шаровидная форма графита. Кроме того, при этом уменьшаются размеры включений графита.

Состав металла является одним из основных факторов, определяющих механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Углерод не столь существенно влияет на механические свойства высокопрочного чугуна, как в обычном сером чугуне. В отливках из чугуна с шаровидным графитом желательно иметь повышенное содержание углерода, чтобы обеспечить более высокие литейные свойства. Концентрацию углерода рекомендуется поддерживать на уровне 3,4-3,7%.

Кремний оказывает значительное влияние на структуру и механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Практически регулирование количества феррита в высокопрочном чугуне в сыром состоянии осуществляют подбором содержания кремния в металле. Содержание 3,0-3,3% Si способствует получению устойчивой ферритной структуры; однако пластичность чугуна при этом понижается. Поэтому с точки зрения пластичности, следует принимать содержание Si = 2,0-2,4%, а для получения чистого феррита применять термическую обработку.

Марганец также оказывает влияние на структуру металлической основы и механические свойства чугуна (противоположное влиянию кремния), уменьшая количество феррита и увеличивая количество перлита, в связи с чем повышается предел прочности при растяжении (σB) и понижается относительное удлинение (δ). Поэтому для получения высокой пластичности содержание Mn не должно превышать 0,4%. Когда же некоторое количество перлита в литой структуре допустимо, как это имеет место на практике, количество Mn может находиться в пределах 0,4-0,8%.

Сера является поверхностно-активным элементом. При сфероидизирующей обработке чугуна Mg в первую очередь вступает во взаимодействие с серой. В связи с этим с повышением содержания S в исходном чугуне увеличивается расход Mg и возникают трудности в получении полностью шаровидной формы включений графита и высоких механических свойств отливок (образование сфероидизаторами сульфидов). Содержание серы в исходном чугуне для ответственных отливок не должно превышать 0,02%.

Фосфор резко снижает пластические свойства чугуна с шаровидным графитом. Содержание P в ответственных отливках должно быть ниже 0,1%, в противном случае в структуре образуется большое количество тройной фосфидной эвтектики, придающей чугуну хрупкость. Если высокое удлинение чугуна не является обязательным, и отливка не подвергается динамическим нагрузкам, то содержание Р может быть повышено до 0,12-0,15%.

Медь в количестве более 2% препятствует образованию шаровидного графита. Кроме того, Cu оказывает перлитизирующее влияние на структуру металлической основы, выравнивает распределение структурных составляющих и твердости по сечениям, способствует получению отливок без отбела, повышает прочность чугуна и упрощает технологию термической обработки. Для ответственных отливок рекомендуется вводить Cu в пределах до 1%.

Никель также оказывает перлитизирующее влияние на структуру металлической основы, повышает дисперсность перлита, выравнивает распределение структурных составляющих по сечениям, уменьшает склонность чугуна к отбелу. Присутствие Ni в чугуне с шаровидным графитом повышает его прочность и износостойкость. Оптимальная концентрация Ni для ответственных отливок составляет 0,8-1,2%.

Хром. Ввиду высокой склонности чугуна с шаровидным графитом к отбелу, из-за наличия в нем Mg, и сильного карбидообразующего действия Cr его содержание в исходном чугуне не должно превышать 0,05-0,07%.

Олово оказывает перлитизирующее влияние на структуру металлической основы чугуна с шаровидным графитом, способствует выравниванию структуры отливок в различных сечениях, увеличивает дисперсность перлита и стабилизирует эвтектоидный цементит. Олово при концентрации более 0,08% снижает пластические свойства чугуна. Оптимальное содержание Sn в чугуне с шаровидным графитом находится в пределах 0,05-0,08%. Олово имеет низкую температуру плавления, хорошо усваивается жидким чугуном и может использоваться как ковшовая присадка.

Магний и церий, применяющиеся как сфероидизаторы, обычно остаются в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом в количестве не менее 0,03 и 0,02% соответственно, в противном случае графит кристаллизуется в шаровидной форме частично, вследствие чего механические свойства чугуна понижаются. Излишне высокое остаточное содержание Mg и Ce приводит к образованию цементита в сырой структуре, а затем к «перемодифицированию» (образованию пластинчатого графита). Поэтому остаточное содержание Mg и Ce не должно превышать 0,08 и 0,05% соответственно.

Поэтому для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с заданными физико-химическими и механическими свойствами и структурой следует учитывать влияние этих элементов.

Помимо этого высокопрочный чугун с шаровидным графитом обладает повышенной износостойкостью, поэтому его применяют для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа и трения при высоких удельных давлениях и затрудненной смазке.

По герметичности чугун с шаровидным графитом значительно превосходит серый чугун из-за отсутствия графитной пористости и является материалом для отливок, работающих под большим давлением (400кгс/см2 и более). Это позволяет использовать его для производства деталей дизелей, насосов, гидравлических и газовых установок.