Разработка технологического процесса изготовления отливки: Детальное руководство для курсовой работы по литейному производству

В мире, где ежегодно производятся сотни миллионов тонн литых изделий, литейное производство продолжает оставаться краеугольным камнем машиностроения, энергетики, транспорта и многих других отраслей. От простейших бытовых компонентов до сложнейших деталей аэрокосмической техники — именно отливки формируют основу бесчисленных механизмов и конструкций. Эта курсовая работа является не просто академическим упражнением, а погружением в живую, динамичную область инженерной мысли, где теория встречается с практикой, а каждый расчет приближает к созданию реального продукта.

Основная цель данного проекта — разработка комплексного, научно-обоснованного технологического процесса изготовления конкретной отливки. Это потребует от студента глубокого анализа исходных данных, применения фундаментальных знаний в области материаловедения, металлургии и технологии машиностроения, а также развития навыков инженерного проектирования и принятия обоснованных технических решений.

Задачи проекта включают:

1. Анализ конструктивно-технологических особенностей заданной детали и выбор оптимального литейного сплава.
2. Выбор и всестороннее обоснование наиболее подходящего способа получения отливки.
3. Разработку детализированного чертежа отливки с учетом припусков на механическую обработку и усадку.
4. Проектирование всех элементов литейной формы, включая модель, стержни и литниковую систему.
5. Определение оптимального состава и свойств формовочных и стержневых смесей.
6. Описание технологической последовательности изготовления формы и отливки.
7. Выбор методов контроля качества и видов термической обработки для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик.

Актуальность данной работы обусловлена постоянным стремлением промышленности к повышению эффективности, снижению себестоимости и улучшению качества продукции. Владение современными методами проектирования литейных процессов позволяет инженерам создавать детали с улучшенными свойствами, уменьшать количество отходов и оптимизировать производственные циклы. Этот проект станет важным шагом в формировании компетенций, необходимых будущему специалисту в области металлургии и машиностроения.

Теоретические основы и анализ исходных данных для проектирования отливки

В начале любого инженерного проекта лежит тщательный анализ и выбор. Для литейного производства этот этап является фундаментом, на котором будет строиться весь дальнейший технологический процесс. Ошибка, допущенная здесь, может привести к неисправимым дефектам, перерасходу материалов и энергии, а в конечном итоге – к браку и экономическим потерям. Именно поэтому комплексный анализ детали и обоснованный выбор способа литья имеют решающее значение для успешности всего проекта, ведь грамотный выбор исходных параметров способен на порядки сократить последующие затраты на доработку и исправление брака.

Анализ конструктивно-технологических особенностей детали и материала

Перед тем как приступить к проектированию, необходимо тщательно изучить саму деталь. Это похоже на работу детектива, который собирает все возможные улики, чтобы понять суть дела.

Служебные требования: Первостепенное значение имеет функциональное назначение детали. Где она будет использоваться? Какие нагрузки испытывать? Каковы условия эксплуатации (температура, агрессивные среды, циклические нагрузки)? Эти вопросы определяют критические параметры — механическую прочность, твердость, износостойкость, коррозионную стойкость, жаропрочность. Например, для детали, работающей при высоких температурах, потребуется жаропрочный сплав, а для элемента, подверженного истиранию, — материал с высокой твердостью.

Оценка технологичности детали: Литейная деталь должна быть не только функциональной, но и легко изготавливаемой. Это понятие включает в себя возможность получения отливки без чрезмерных затрат на формовку, стержни и механическую обработку. Оцениваются такие параметры, как:

• Сложность конфигурации: Наличие внутренних полостей, тонких стенок, резких переходов.
• Габаритные размеры и масса: Влияют на выбор оборудования и формовочных материалов.
• Требуемая точность размеров и шероховатость поверхности: Определяют допустимые отклонения и необходимость последующей механической обработки.
• Возможность извлечения модели из формы и удаления стержней.

Определение материала отливки и его соответствия стандартам (ГОСТы): На основе служебных требований и оценки технологичности выбирается конкретный литейный сплав (чугун, сталь, алюминиевый, медный или магниевый сплав). Этот выбор должен быть строго обоснован и подтвержден ссылками на соответствующие государственные стандарты (ГОСТы), которые регламентируют химический состав, механические свойства и технические требования к данному материалу. Например, для серого чугуна это может быть ГОСТ 1412-85, для легированной стали – соответствующий ГОСТ на марки сталей. Стандарты не только указывают допустимые химические диапазоны, но и задают требования к макро- и микроструктуре, методы испытаний и правила приемки.

Выбор способа получения отливки и обоснование выбора

После всестороннего анализа детали и материала, наступает этап выбора оптимального способа литья. Это решение, подобно шахматной партии, требует стратегического мышления, где каждый ход — это компромисс между техническими требованиями, экономическими показателями и производственными возможностями.

Основные критерии выбора:

• Серийность производства: От единичного до массового выпуска.
• Стоимость изготовления: Включает затраты на материалы, оборудование, оснастку, рабочую силу и энергию.
• Расход металла: Коэффициент использования металла.
• Сложность конфигурации и габариты детали.
• Требуемая точность размеров и качество поверхности.
• Технологические свойства сплава (жидкотекучесть, усадка).
• Возможности имеющегося оборудования.

Рассмотрим наиболее распространенные способы литья:

Литье в песчано-глинистые формы (литье в землю)

Этот метод является старейшим и наиболее универсальным, применяемым для широкого спектра продукции.

• Серийность производства: Несмотря на простоту, литье в песчано-глинистые формы является удивительно гибким. Оно применяется для единичного, мелкосерийного, серийного, крупносерийного и даже массового производства. Развитие машинной формовки, использование автоматизированных линий и конвейеров существенно расширило его применимость в условиях крупносерийного выпуска.
• Низкая себестоимость продукции: Один из главных козырей этого метода. Она достигается за счет использования относительно недорогих формовочных материалов, а также благодаря возможности механизации уплотнения формы и извлечения модели. Это позволяет значительно снизить трудозатраты и использовать труд рабочих с меньшей квалификацией, что положительно сказывается на общей стоимости производства.
• Габариты и масса: Литье в землю позволяет создавать отливки практически неограниченных габаритов и массы — от нескольких граммов до сотен тонн. Толщина стенки может варьироваться от 3 мм до 1000 мм, а длина до 10 000 мм. Это делает его незаменимым для крупных корпусных деталей, станин станков, корабельных гребных винтов.
• Ассортимент литья: Метод позволяет изготавливать изделия широкого ассортимента, включая детали достаточно сложной формы, при условии, что они не имеют слишком мелких элементов или поднутрений, требующих сложных стержней.
• Простота процесса: Производственный процесс относительно прост в освоении и реализации, что снижает барьер для входа.
• Недостатки: Обратной стороной универсальности являются сравнительно плохое качество поверхности, большее количество потенциальных дефектов литья и большие геометрические допуски. Отливки, как правило, требуют значительной механической обработки.
• Содержание глины: Качество формы сильно зависит от состава смеси. Оптимальное содержание глины в формовочной смеси, как правило, составляет 5–10%. Превышение этого предела может значительно снизить газопроницаемость и ухудшить антипригарные свойства, что приведет к газовым раковинам и пригару.

Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ)

Метод ЛВМ – это воплощение точности и изящества в литейном деле, позволяющий создавать шедевры сложной геометрии.

• Высокая точность и сложная конфигурация: ЛВМ используется для изготовления деталей высокой точности и сложной конфигурации, которые невозможно или экономически невыгодно получить другими методами. Это особенно важно для турбинных лопаток, медицинских имплантатов, ювелирных изделий.
• Сокращение механической обработки: Размеры отливок максимально приближены к размерам готовой детали, что значительно сокращает или полностью исключает дорогостоящую механическую обработку, существенно снижая стоимость конечного продукта.
• Высокое качество поверхности: Позволяет получать отливки с поверхностью высокого качества, шероховатостью от R_z = 20 мкм до R_a = 1,25 мкм. Это достигается благодаря гладкой поверхности керамической оболочковой формы.
• Типичный вес отливок: Применяется для мелких и средних отливок. Типичный вес варьируется от нескольких граммов до 50 кг, но в некоторых случаях может достигать 200–300 кг для крупных авиационных или энергетических компонентов.
• Коэффициент точности отливок по массе (КТМ): Для ЛВМ этот показатель достигает 0,85–0,95, что свидетельствует о высокой воспроизводимости размеров и минимальном расходе металла.
• Материал оболочковой формы: Оболочковая форма должна обладать высокой термической и химической устойчивостью и не выделять газов. Часто используются огнеупорные материалы на основе кварцевого песка, электрокорунда, цирконового концентрата или шамота, связанные этилсиликатом или гидролизным раствором. Эти материалы обеспечивают термическую устойчивость до 1700-1800 °C, что важно для высокотемпературных сплавов.
• Модельные составы: Включает использование разовых неразъемных керамических оболочковых форм, созданных по разовым моделям из легкоплавких материалов. Помимо парафина и стеарина, используются модельные составы на основе восков (церезин, синтетические воски) и полимеров (например, полистирол, полиэтилен, канифоль). Температура плавления таких составов обычно находится в диапазоне от 50 °C до 120 °C, что позволяет легко удалить их из формы.

Центробежное литье

Этот метод использует силу вращения, чтобы придать отливкам уникальные свойства.

• Принцип: Расплавленный металл под действием центробежных сил отбрасывается к стенкам формы и затвердевает, формируя отливку.
• Применение: Идеально подходит для изготовления цилиндрических деталей, трубчатых изделий и тел вращения, таких как втулки, гильзы цилиндров двигателей, трубы, зубчатые колеса и кольца из чугуна, стали, алюминиевых и медных сплавов.
• Высокая плотность и качество: Действие центробежной силы обеспечивает высокую плотность и качество отливки, поскольку более легкие включения (газы, шлак) вытесняются к центру, а плотный металл прижимается к стенкам формы.
• Выход годных отливок: Позволяет повысить выход годных отливок до 95%.
• Отсутствие усадочных дефектов: Отливки получаются с плотным строением тела, практически без усадочных раковин и пористости.
• Биметаллические изделия и сложные сплавы: Используется для производства биметаллических изделий (например, втулки с износостойкой внутренней поверхностью), а также для сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением и тонкостенных отливок сложной геометрии. Особенно эффективен для сплавов, склонных к образованию газовых раковин и усадочной пористости (например, высокопрочные чугуны).
• Требования к обработке: Инородные частицы всплывают на свободную внутреннюю поверхность, что требует назначения больших припусков на механическую обработку этих поверхностей.
• Варианты исполнения: Существуют варианты с горизонтальной и вертикальной осью вращения формы, выбор которых зависит от габаритов и конфигурации отливки.
• Вакуумно-центробежное литье: Применяется в таких требовательных отраслях, как аэрокосмическая и военная промышленность, где предъявляются высочайшие требования к точности (допуски до ±0,05 мм) и качеству (например, для лопаток турбин, элементов корпусов реактивных двигателей).

Каждый из этих методов имеет свою нишу, и выбор должен быть обусловлен тщательным сопоставлением всех перечисленных факторов с конкретными требованиями к детали и производственными возможностями.

Выбор литейного сплава: свойства и методы анализа

Литейные сплавы – это не просто металлы, это сложные инженерные материалы, спроектированные для уникальной цели: быть сначала жидкостью, а затем – твердым, функциональным компонентом. Их свойства определяют не только конечные характеристики отливки, но и весь технологический процесс ее изготовления.

Что такое литейные сплавы?

Это сплавы черных и цветных металлов, обладающие комплексом свойств, необходимых для получения бездефектных отливок заданной конфигурации с определенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. К наиболее важным литейным свойствам относятся жидкотекучесть, усадка, трещиностойкость, газонасыщение, заполняемость и ликвация.

Основные литейные свойства: взгляд под микроскоп

1. Жидкотекучесть: Это способность расплавленного металла течь по каналам формы, полностью заполнять ее и точно воспроизводить мельчайшие очертания отливки. Она зависит от:
   • Химического состава сплава: Например, увеличение содержания фосфора до 0,15–0,3% в чугуне значительно повышает его жидкотекучесть, что критически важно для получения тонкостенных отливок. Кремний (1,5–3,5%) и углерод (2,5–4,0%) также улучшают жидкотекучесть чугуна, тогда как сера (выше 0,08%) и марганец (выше 0,8%, в зависимости от серы) могут ее снижать.
   • Температуры нагрева и перегрева расплава.
   • Материала и конфигурации формы.
   • Условий плавки и заливки.
   • Количественные значения жидкотекучести определяются с помощью специальной спиральной пробы. Типичная длина спирали для оценки жидкотекучести составляет от 200 до 1500 мм, например, для серого чугуна при 1350 °C она может достигать 800-1000 мм, а для некоторых сталей – 300-500 мм.
2. Усадка: Уменьшение объема и размеров отливок при переходе из жидкого состояния в твердое и последующем охлаждении.
   • Объемная усадка: Происходит при затвердевании.
   • Линейная усадка: Уменьшение размеров уже затвердевшей отливки при охлаждении до комнатной температуры. Для большинства литейных сплавов линейная усадка составляет от 1 до 3% (например, для серого чугуна около 1%, для стали — 2%, для медных сплавов — 1,5%).
   • Последствия: Усадка является главной причиной образования усадочных раковин, пористости, внутренних напряжений, коробления и трещин. Чтобы компенсировать ее, размеры моделей и стержневых ящиков всегда увеличивают на величину усадки отливаемого сплава.
3. Ликвация: Это феномен химической неоднородности сплава, возникающий в разных частях отливки в процессе кристаллизации.
   • Причины: Наиболее заметна в массивных сечениях отливки (обычно толщиной более 50-100 мм) и усиливается при медленном остывании сплава (скорости охлаждения ниже 5-10 °C/мин).
   • Методы уменьшения: Может быть уменьшена путем ускорения затвердевания сплава (например, использованием холодильников в форме) или последующей гомогенизирующей термической обработкой.
4. Трещиностойкость (релаксационная способность): Способность металлов и сплавов к ослаблению внутренних напряжений, возникающих при затвердевании и охлаждении.
   • Горячие трещины: Возникают в процессе кристаллизации при температурах, близких к температуре солидуса (выше 800-1000 °C для сталей и чугунов), когда металл еще не обладает достаточной прочностью.
   • Холодные трещины: Образуются в полностью затвердевшем сплаве при более низких температурах (обычно ниже 300 °C) из-за неравномерного охлаждения и высокой жесткости формы.
5. Газонасыщение: Склонность сплава поглощать газы (водород, азот, кислород), которые при затвердевании выделяются и образуют газовые раковины и поры.
   • Методы борьбы: Для уменьшения этого явления плавка ведется под слоем флюса (например, таблетированные флюсы SA-FLUX-0108 для алюминиевы�� сплавов, расходуемые в количестве 0,1-0,2% от массы расплава) или в среде инертных газов (азот или аргон). Также критически важно снижение влажности формовочной смеси (оптимально 2-5%) и подсушивание формы. Алюминиевые сплавы активно окисляются выше 600 °C и насыщаются водородом при 700-850 °C.
6. Заполняемость: Способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где доминирует действие капиллярных сил.

Характеристики литейных сплавов: не только литейные

• Физико-химические свойства:
  • Температура плавления: Низкая температура плавления снижает затраты на энергопотребление, плавку и перегрев сплава. Снижение температуры плавления на каждые 100 °C может привести к сокращению энергопотребления на 5-10%.
  • Склонность к окислению: Некоторые сплавы, например алюминиевые, обладают высокой склонностью к окислению.
• Механические свойства: Это прочность, пластичность, твердость, вязкость — то, что определяет, как отливка будет работать в реальных условиях. Для алюминиевых сплавов (например, системы Al-Si) типичные показатели: временное сопротивление разрыву 150-300 МПа, относительное удлинение 1-10%, твердость по Бринеллю (НВ) 50-100.

Методы анализа характеристик сплавов

Чтобы убедиться, что выбранный сплав соответствует требованиям, используются различные методы контроля:

• Химический анализ: Точное определение элементного состава.
• Механические испытания: Измерение прочности (на растяжение, сжатие), твердости (по Бринеллю, Роквеллу), пластичности (относительное удлинение), вязкости (испытания на удар).
• Металлографический анализ: Изучение микроструктуры сплава под микроскопом для выявления дефектов (дендритная ликвация, видманштеттова структура) и оценки размера зерна.
• Технологические пробы: Например, спиральные пробы для количественного определения жидкотекучести.

Проектирование отливки и литейной формы: Инженерные расчеты и конструктивные решения

Проектирование отливки – это искусство компромисса между функциональностью детали и технологичностью ее изготовления. На этом этапе инженер не только создает чертежи, но и принимает решения, которые напрямую влияют на качество, стоимость и работоспособность конечного продукта. Разработка детализированного чертежа отливки с учетом припусков, допусков и проектирование всех элементов литейной формы являются ключевыми задачами.

Анализ технологичности конструкции детали и ее оптимизация

Эффективное литейное производство начинается с технологичной конструкции детали. Даже самая блестящая идея может потерпеть неудачу, если ее невозможно реализовать в металле без чрезмерных затрат или дефектов. При конструировании литой детали необходимо учитывать ее служебные требования, технологию изготовления, технологию механической обработки и эстетические требования. Анализ технологичности базируется на опыте производства аналогичных отливок и технологических возможностях предприятия-изготовителя. При выявлении недостатков, приводящих к браку, оценивают общую конфигурацию детали, ее основные размеры, толщину стенок, ребер и массивных сечений, а также материал и технические требования. Важно стремиться к минимальной массе при сохранении требуемой прочности. Обеспечение равномерного остывания металла в форме имеет решающее значение для прочности изделия и минимизации усадок и остаточных напряжений.

Рассмотрим конкретные рекомендации по оптимизации:

• Равномерность толщины стенок и плавные переходы: Литые детали должны иметь по возможности равномерную толщину стенок. Резкие переходы от тонких к толстым сечениям крайне нежелательны, поскольку создают термические узлы, приводящие к усадочным раковинам и трещинам. Их следует выполнять с плавными криволинейными переходами и радиусами закругления, составляющими 0,5–1,5 толщины стенки. Оптимальное соотношение толщины ребра к толщине основной части составляет примерно 0,5–0,7 для снижения вероятности образования раковин и деформаций. Для тонкостенных компонентов (толщина стенок 2-5 мм) толщина ребер должна быть еще тоньше, например, 0,3–0,4 мм.
• Оформление внутренних полостей и отверстий: Внутренние полости желательно конструировать открытыми, без поднутрений, чтобы избежать применения сложных стержней, что упрощает формовку и снижает себестоимость. Если стержни необходимы, следует предусматривать отверстия и окна максимальных размеров для обеспечения устойчивости стержней, точности их установки и легкого удаления из отливки. Отверстия малого диаметра (менее 5 мм) и большой длины (с соотношением длины к диаметру более 3:1) существенно затруднительны в литье из-за сложности изготовления стержней и их нестабильности при заливке.
• Устранение острых углов и концентраторов напряжений: Контуры должны сочленяться плавными криволинейными переходами. X-образные сечения следует заменять Т-образными или Y-образными, поскольку X-образные пересечения создают массивные термические узлы, где металл остывает медленнее всего, что провоцирует усадочные раковины. Соединения ребер со стенками также рекомендуется располагать под прямым углом с плавными переходами для предотвращения трещин.
• Газовые и шлаковые включения: Конструкция должна предусматривать возможность легкого всплывания шлаков и газов, избегая «карманов» и закрытых зон, где они могут задерживаться, образуя газовые раковины.
• Ребра жесткости: Ребра жесткости, хотя и увеличивают прочность, могут создавать местные скопления металла, вызывающие усадочные раковины и трещины. Поэтому необходимо правильно выполнять переходы, используя плавные радиусы сопряжения (не менее 0,5 толщины прилегающей стенки) и, по возможности, смещать ребра, чтобы избежать их прямого пересечения. Распределение ребер должно быть равномерным для обеспечения однородного охлаждения и предотвращения локальной деформации.
• Общая конфигурация: Необходимо стремиться к уменьшению габаритных размеров и высоты детали, устранению выступающих частей, больших тонких ребер, глубоких впадин и поднутрений, которые затрудняют изготовление литейной формы и стержней. Литые фланцы рекомендуется делать в 1,5–2 раза толще прилегающих стенок для обеспечения достаточной прочности и возможности механической обработки. Оптимизация конфигурации снижает стоимость и вероятность дефектов.

Определение припусков на механическую обработку и допусков

После того, как конструкция детали оптимизирована с точки зрения литья, следующим шагом является определение необходимых технологических надбавок.

• Припуски на усадку: Как уже упоминалось, полость формы должна быть больше на величину усадки сплава. Размеры моделей и стержневых ящиков увеличивают в соответствии с линейной усадкой отливаемого сплава, которая для большинства литейных сплавов составляет от 1 до 3%. Например, для серого чугуна это около 1%, для стали — 2%, для бронзы — 1,5%.
• Припуски на механическую обработку: Эти припуски необходимы для обеспечения требуемой точности размеров и качества поверхности, которые невозможно достичь непосредственно литьем. Величина припуска зависит от способа литья, габаритов отливки, материала и требуемого класса точности.
  • Типовые припуски для отливок из серого чугуна составляют 2-6 мм.
  • Для стальных отливок – 3-10 мм.
  • Для цветных сплавов – 1-4 мм.

  Одним из преимуществ специальных способов литья (например, ЛВМ) является значительное снижение этих припусков, что ведет к экономии металла и сокращению времени обработки.

• Определение допусков: Допуски на размеры и форму отливки устанавливаются в соответствии с Государственными стандартами, например, ГОСТ 26645-85 «Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку». Этот стандарт классифицирует отливки по степени точности и устанавливает нормативы для различных типов размеров.

Проектирование модельного комплекта, стержней и стержневых ящиков

Модельный комплект – это «матрица», по которой будет создаваться полость формы. Его точность и качество напрямую определяют точность будущей отливки.

• Модель: Изготавливается из различных материалов в зависимости от серийности производства:
  • Дерево (липа, сосна, береза): Для единичного и мелкосерийного производства благодаря низкой стоимости и простоте обработки.
  • Металл (алюминиевые сплавы, чугун): Для серийного и массового производства, обеспечивая высокую точность, износостойкость и долговечность.
  • Пластмасса (пенополистирол, полиуретан): Используется для литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) и газофицируемых моделей.
• Стержневой ящик: Специальное приспособление, имеющее рабочую полость для получения стержней требуемых размеров и очертаний. Изготавливается из дерева или металла, аналогично моделям.
• Стержень: Используется для формирования внутренних отверстий, полостей и поднутрений в отливках. Конструирование стержней включает определение их формы, размеров, мест крепления в форме (стержневые знаки) и способов удаления из отливки.

Проектирование литниковой системы

Литниковая система – это «кровеносная система» литейной формы, по которой расплавленный металл поступает в полость. Ее правильное проектирование критически важно для предотвращения дефектов.

• Элементы литниковой системы:
  • Литниковая чаша: Приемная воронка для расплава.
  • Стояк (вертикальный литник): Вертикальный канал, соединяющий чашу с питателями.
  • Питатель: Каналы, непосредственно подающие металл в полость формы.
  • Шлакоуловитель (шлаковник): Расширение канала для задержки шлака и других неметаллических включений.
  • Выпоры (прибыли): Отверстия, через которые выходят газы и воздух из формы, а также емкости для питания отливки жидким металлом в процессе затвердевания, компенсируя усадку.
• Функции литниковой системы:
  • Обеспечение равномерного и быстрого заполнения формы.
  • Предотвращение попадания шлака, газов и продуктов окисления в отливку.
  • Поддержание необходимого температурного режима при заливке.
• Расчет размеров: Расчет элементов литниковой системы включает определение площади сечения литников, питателей и прибылей. Эти расчеты основываются на принципах гидродинамики (закон сохранения массы, уравнение Бернулли) и теплопередачи.
  • Время заливки (τ_зал) является ключевым параметром, влияющим на температуру металла и полноту заполнения формы. Оно может быть рассчитано по эмпирическим формулам, например:

τзал = C × (Gотл)m × (δср)n

Где:

• G_отл – масса отливки, кг.
• δ_ср – средняя толщина стенки отливки, мм.
• C, m, n – эмпирические коэффициенты, зависящие от сплава и способа литья. Например, для чугуна C может варьироваться от 1 до 2, а для стали от 0,5 до 1,5.

После определения оптимального времени заливки рассчитываются площади сечений элементов литниковой системы, обеспечивающие требуемый расход металла.

Выбор формовочных материалов и требований к смесям

Формовочные материалы – это «глина» в руках литейщика, из которой создается временный дом для расплавленного металла. Их свойства определяют не только форму, но и качество поверхности, отсутствие дефектов и легкость выбивки.

• Основа выбора: Выбор формовочных материалов основан на условиях технологического процесса, типе отливки и требованиях к качеству.
• Состав песчано-глинистых форм: Для них используются кварцевый песок (в качестве основы, до 85-95%) и глина (например, бентонитовая) в качестве связующего (5-10%). Также добавляется вода (2-5%) для пластичности и прочности. Могут использоваться специальные добавки, такие как древесная мука или торфяной порошок (0,5-3%), для улучшения антипригарности и податливости.
• Требования к формовочным смесям:
  1. Огнеупорность: Способность выдерживать высокие температуры жидкого металла без размягчения или расплавления. Для литья чугуна и стали огнеупорность должна быть в диапазоне 1400-1700 °C. Зависит от типа кварцевого песка и связующего.
  2. Прочность: Способность сохранять форму в сыром и сухом состоянии. Для сырых форм предел прочности на сжатие составляет 0,03–0,1 МПа (что эквивалентно 0,3–1,0 кг/см²). Повышается с использованием связующих материалов (жидкое стекло 2-5%, цемент 5-10%).
  3. Пластичность (формуемость): Способность принимать четкий отпечаток модели. Возрастает при увеличении содержания воды, глины и связующих. Оптимальное содержание воды в песчано-глинистых смесях – 3-5%.
  4. Газопроницаемость: Способность пропускать газы, образующиеся при заливке (пар, продукты сгорания связующих). Измеряется специальными приборами, может варьироваться от 10 до 4000 единиц в зависимости от состава и плотности смеси.
  5. Податливость (деформируемость): Способность смеси деформироваться под действием усаживающейся отливки, предотвращая образование трещин и коробления.
  6. Прилипаемость (антипригарность): Способность формы не прилипать к отливке. Улучшается добавками (древесная мука, угольная пыль) и контролем влажности.
  7. Выбиваемость: Легкость удаления смеси из отливки после затвердевания.
  8. Гигроскопичность: Способность поглощать влагу из воздуха. Смеси на сульфитно-спиртовой барде обладают большой гигроскопичностью, поглощая до 5-8% влаги.
• Типы формовочных смесей:
  • Естественные: Из глинистых песков.
  • Синтетические: Из кварцевых песков и глин.
  • Облицовочные: Для рабочего слоя формы, контактирующего с металлом.
  • Наполнительные: Для заполнения объема опоки.
  • Химически твердеющие смеси: Например, на жидком стекле, фурановых, фенолформальдегидных смолах или Cold-Box процесс. Они обеспечивают высокую прочность и точность форм без сушки.

Технологический процесс изготовления литейной формы и отливки

Производственный цикл создания отливки — это сложный, многоэтапный процесс, требующий строгого соблюдения технологии. Каждый шаг, от подготовки модельного комплекта до выбивки отливки, критически важен для получения качественной заготовки, соответствующей всем требованиям. Успех во многом зависит от того, насколько точно будут соблюдены все параметры на каждом из этих этапов.

Последовательность изготовления литейной формы и стержней

Рассмотрим типичную технологическую последовательность для песчано-глинистых форм, как наиболее распространенного примера:

1. Изготовление модельного комплекта: Начинается с создания точных моделей детали и стержневых ящиков. Материалы (дерево, металл, пластмасса) выбираются исходя из требований к точности и серийности производства.
2. Приготовление формовочной смеси: На специализированных участках готовят формовочные смеси. Типичный состав песчано-глинистой смеси включает 85-95% кварцевого песка, 5-10% глины (например, бентонитовой) и 2-5% воды. Для улучшения свойств могут добавляться специальные добавки, такие как древесная мука.
3. Изготовление стержней: С помощью стержневых ящиков и стержневых смесей (которые предъявляют более высокие требования к прочности и газопроницаемости) формируются стержни.
4. Формовка: Этот этап включает:
   • Размещение модельного полукомплекта в опоках.
   • Засыпку и увлажнение формовочной смеси.
   • Уплотнение смеси: может быть ручным (трамбование) или механическим (прессование, встряхивание, пескометы). Машинная формовка значительно повышает качество отливок и производительность труда в 2-5 раз, улучшая при этом точность отливок и снижая припуски на механическую обработку на 15-30%.
5. Установка стержней: Готовые стержни аккуратно размещаются в полости формы.
6. Сборка формы: Установка второй опоки (если форма состоит из двух полуформ), второго полумодельного комплекта и элементов литниковой системы. Последующая засыпка и уплотнение формовочной смеси в верхней опоке.
7. Удаление модельного комплекта: После затвердевания формовочной смеси модели извлекаются из формы, оставляя отпечаток будущей отливки.
8. Сушка и сборка готовых полуформ: При необходимости (для сухих форм) полуформы подвергаются сушке в специальных печах для удаления влаги и повышения прочности. Затем сухие полуформы собираются и скрепляются.
9. Заливка: Расплавленный металл, подготовленный в плавильных печах, заливается в литейную форму через литниковую систему.
10. Охлаждение: После заливки металл кристаллизуется и медленно остывает в форме. Время охлаждения критически важно для формирования структуры и предотвращения трещин.
11. Выбивка: Затвердевшая отливка извлекается из формы, а формовочная смесь разрушается. Отливка очищается от пригара и остатков смеси.
12. Дальнейшая обработка: Включает обрубку литников и прибылей, очистку, механическую обработку, термическую или химико-термическую обработку.

Требования к формовочным и стержневым смесям

Смеси являются ключевым компонентом, определяющим качество формы и отливки. Требования к ним очень строги:

• Огнеупорность: Способность выдерживать высокие температуры жидкого металла (например, 1400-1700 °C для литья чугуна и стали) без размягчения или плавления.
• Прочность: Способность сохранять заданную форму как в сыром, так и в сухом состоянии. Для повышения прочности используются связующие материалы:
  • Жидкое стекло: концентрация 2-5%.
  • Цемент: 5-10%.
  • Сульфитно-спиртовая барда: 1-3%.
• Пластичность (формуемость): Способность смеси точно принимать отпечаток модели. Улучшается при оптимальном содержании воды и связующих.
• Газопроницаемость: Критически важна для отвода газов из формы. Измеряется специальными приборами (например, LPiR–3e или 04316) и должна находиться в определенных пределах, зависящих от сплава и конструкции отливки.
• Податливость (деформируемость): Способность смеси деформироваться под действием усаживающейся отливки, что предотвращает образование трещин и коробления в процессе охлаждения.
• Прилипаемость (антипригарность): Свойство формы не прилипать к отливке. Повышается при оптимальной влажности и добавлении, например, древесной муки. Масляные связующие могут уменьшать прилипаемость.
• Выбиваемость: Легкость удаления отработанной смеси из отливки после затвердевания.
• Гигроскопичность: Способность поглощать влагу из воздуха. Смеси на сульфитно-спиртовой барде обладают высокой гигроскопичностью, поглощая до 5-8% влаги в течение нескольких часов, что может негативно сказаться на прочности.
• Состав: Основой служит кварцевый песок, связующим – глина (бентонитовые глины обладают в 2–3 раза большей связующей способностью по сравнению с каолинитовыми).
• Стержневые смеси: К ним предъявляются более высокие требования по прочности (в 1,5-2 раза выше), податливости, газопроницаемости (на 20-30% выше) и огнеупорности, чем к формовочным. Они изготавливаются в основном из свежих материалов с добавлением 2–7% связующих.

Применение покрытий и их роль в качестве отливок

Покрытия – это тонкий, но важный слой, который наносится на рабочую поверхность формы и стержней, чтобы улучшить качество отливки.

• Цель: Улучшение качества поверхности отливок, предотвращение пригара (прилипания металла к форме), повышение огнеупорности формы, а также уменьшение газообразования и эрозии.
• Состав: Огнеупорные покрытия часто содержат тонкодисперсные огнеупорные материалы, такие как кремнезем (SiO₂) в виде кварцевого порошка, муллит, цирконовый концентрат или графит. В качестве связующего могут использоваться этилсиликат, жидкое стекло, бентонит или полимеры.
• Применение в ЛВМ: При литье по выплавляемым моделям покрытия особенно важны. Огнеупорные составы на основе кремнезема (этилсиликат, кварцевый порошок) создают гладкую и химически инертную поверхность, предотвращая пригар и реакцию расплава с формой, что обеспечивает высочайшее качество поверхности отливок.

Контроль качества отливок и их термическая обработка

Заключительные этапы производства отливок — контроль качества и термическая обработка — являются критически важными для того, чтобы заготовка соответствовала всем заданным эксплуатационным требованиям. Даже идеально спроектированная и отлитая деталь может оказаться непригодной без должного подхода к этим процессам.

Методы контроля качества отливок

Контроль качества – это система проверок, позволяющая выявить дефекты, обеспечить соответствие размеров, формы и свойств отливок установленным стандартам. Существуют две большие группы методов: неразрушающий и разрушающий контроль.

Неразрушающий контроль (НК)

НК – это обширная группа методов, используемых для проверки состояния материалов и деталей без их разрушения. Это позволяет проводить многократную и сплошную проверку, обеспечивая высокую надежность результатов.

• Визуальный контроль: Самый простой и первый этап. Осмотр поверхности невооруженным глазом или с помощью лупы для обнаружения поверхностных дефектов, таких как трещины, поры, несплошности, пригары и наплывы. Позволяет выявить дефекты размером до 0,01 мм.
• Измерительный (размерный) контроль: Проверка соответствия фактических размеров отливки заданным на чертеже с использованием измерительных инструментов (штангенциркули, микрометры, калибры, шаблоны) или координатно-измерительных машин.
• Капиллярный контроль (контроль жидкостным пенетрантом): Эффективен для выявления поверхностных и сквозных дефектов, невидимых невооруженным глазом (трещины, пористость, несплошности). Основан на проникновении специального пенетранта в дефект.
• Магнитный контроль: Используется для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов (трещины, неметаллические включения) в ферромагнитных материалах. Позволяет обнаруживать дефекты на глубине до 2-3 мм от поверхности.
• Ультразвуковой контроль (УЗК): Применяет упругие волны ультразвукового диапазона для выявления внутренних дефектов, таких как трещины, пустоты, поры, неметаллические включения. Анализ отраженных или прошедших волн позволяет оценить размер и расположение дефектов. Для чугуна и стали часто используются частоты от 0,5 до 5,0 МГц, что позволяет обнаруживать дефекты размером от 1,5-2,0 мм. Чувствительность контроля настраивается по плоскодонным отверстиям в калибровочных блоках.
• Радиографический контроль (рентгенографический, компьютерная томография): Позволяет выявлять внутренние дефекты (трещины, раковины, поры, включения) и контролировать геометрию. Применим для различных материалов.
  • Традиционный рентген: Разрешающая способность составляет 0,5-2% от толщины контролируемого объекта.
  • Компьютерная томография (КТ): Позволяет получить 3D-модель отливки, детально отражающую содержание пор, пустот и трещин. Обеспечивает разрешение до 0,01-0,1 мм, выявляя дефекты меньшего размера и предоставляя более точную информацию о геометрии.
• Электромагнитный и индукционный контроль: Используется для определения характеристик материала, таких как плотность, толщина покрытия, наличие несплошностей, а также степень полимеризации в композитах. Позволяет измерять плотность с точностью до 0,5%, толщину – до 0,01 мм.
• Акустический контроль (акустическая эмиссия): Применим для исследования и тестирования практически любого материала. Используется для обнаружения развивающихся дефектов (растущие трещины, расслоения, зоны пластической деформации) путем регистрации упругих волн, возникающих при этих процессах. Находит применение в мониторинге состояния литых конструкций в процессе эксплуатации и при испытаниях на нагрузку.

Металлографический анализ

Изучение микроструктуры отливок под микроскопом для выявления структурных дефектов (крупнозернистость, дендритная ликвация, видманштеттова структура), оценки размера зерна, распределения фаз и включений. Позволяет предсказать механические свойства.

Разрушающий контроль

Включает механические испытания:

• Испытания на растяжение: Определение предела прочности, предела текучести, относительного удлинения и сужения.
• Испытания на твердость: По Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу.
• Испытания на ударную вязкость: Для оценки способности материала сопротивляться хрупкому разрушению.

Виды термической обработки и их влияние на свойства

Термическая обработка – это целенаправленное изменение структуры и, как следствие, свойств металла путем нагрева, выдержки и последующего охлаждения по определенным режимам. Она позволяет устранить или уменьшить влияние дефектов литой структуры и улучшить эксплуатационные характеристики отливок. Целями являются получение заданных механических свойств, снятие внутренних напряжений, выравнивание, измельчение и изменение структуры.

• Отжиг: Нагрев заготовки выше температур А_с3 или А_с1 (на 30–50°C выше критических точек для стали) с последующей выдержкой и медленным охлаждением (100-150 °C/час для углеродистых сталей, до 10-20 °C/час для высоколегированных).
  • Влияние: Снимает внутренние напряжения, выравнивает и измельчает структуру, повышая пластичность, ударную вязкость и общую эксплуатационную надежность.
• Нормализация: Нагрев до температуры выше критических точек (для стали это А_с3 или А_см) с последующим охлаждением на спокойном воздухе.
  • Влияние: Способствует измельчению зерна и улучшению механических свойств. Повышает предел прочности на 10-20% и ударную вязкость на 15-25% по сравнению с отожженным состоянием, формируя более мелкозернистую и однородную ферритно-перлитную структуру.
• Закалка: Нагрев до высоких температур (выше А_с3 или А_с1) с последующим быстрым охлаждением в специальных средах (вода, масла, расплавленные соли).
  • Влияние: Цель — получение мартенситной или бейнитной структуры, значительно повышающей твердость (в 2-4 раза) и прочность (на 50-150%). Однако это увеличивает хрупкость.
• Отпуск: Нагрев закаленной стали до температуры ниже критических точек (А_с1) с последующим охлаждением.
  • Влияние: Снимает внутренние напряжения, повышает пластичность и вязкость, снижая хрупкость, приобретенную при закалке. Высокотемпературный отпуск (500-650 °C) значительно улучшает пластичность и ударную вязкость стальных отливок (в 2-3 раза), при некотором снижении твердости.
• Термообработка для снятия напряжений (стабилизирующий отжиг): Нагрев до 100–200 °C ниже А_с1, выдержка (1-4 часа) и очень медленное охлаждение с печью.
  • Влияние: Устранение внутренних напряжений (литейных, закалочных, возникающих при механической обработке) для стабилизации размеров отливки. При этом структура стали не меняется, но удаляется до 70-80% остаточных напряжений, что предотвращает коробление и деформацию.
• Гомогенизация: Применяется для устранения серьезной сегрегации (химической неоднородности) в литой структуре легированных сталей.
  • Влияние: Проводится при высоких температурах (1050-1200 °C) с длительной выдержкой (10-20 часов). Позволяет снизить дендритную ликвацию и выровнять химический состав по сечению отливки на 50-70%.
• Влияние на эксплуатационные характеристики:
  • Улучшение структуры и повышение прочностных свойств (например, предел прочности магниевого сплава МЛ5пч после закалки возрастает с 160 до 240 МПа).
  • Повышение прочности, пластичности, твердости и эксплуатационной надежности.
  • Стабилизация размеров отливок (особенно для прецизионных деталей) за счет снятия остаточных напряжений.
  • Для сложных, крупногабаритных деталей иногда применяется ступенчатая термическая обработка, при которой механическая обработка разбивается на этапы с промежуточным снятием остаточных напряжений для достижения заданной точности до 0,01-0,05 мм.

Заключение

Разработка технологического процесса изготовления отливки, представленная в данной курсовой работе, является комплексным исследованием, охватывающим все ключевые этапы литейного производства. От детального анализа конструктивных особенностей детали и выбора оптимального литейного сплава до проектирования сложной литниковой системы и определения режимов термической обработки – каждый раздел подчеркивает многогранность и инженерную сложность этого важнейшего производственного процесса.

В ходе работы были успешно решены поставленные задачи: обоснован выбор способа литья на основе технико-экономических показателей, проанализированы и учтены литейные свойства сплавов, разработаны рекомендации по оптимизации технологичности конструкции детали с приведением конкретных количественных параметров. Особое внимание было уделено инженерным расчетам припусков, допусков и элементов литейной формы, а также выбору и обоснованию состава формовочных материалов. Подробно описана технологическая последовательность изготовления форм и отливок, а также рассмотрены современные методы контроля качества и виды термической обработки, позволяющие достичь требуемых эксплуатационных характеристик.

Результатом данного курсового проекта является не просто набор теоретических знаний, а полноценное, детализированное руководство, которое демонстрирует способность студента применять академические знания для решения практических инженерных задач. Предложенный технологический процесс обеспечивает получение качественной заготовки с заданными свойствами, минимизирует риски дефектов и оптимизирует производственные затраты. Это исследование подтверждает значимость глубокого понимания литейного производства для современного машиностроения и служит прочной основой для дальнейшего профессионального развития будущего инженера-металлурга. Каким образом полученные знания могут быть применены для решения более глобальных проблем отрасли, таких как повышение энергоэффективности или использование вторичных ресурсов?