Разработка технологического процесса изготовления отливки — полный гид для написания курсовой работы

Глава 1. Анализ технологичности конструкции как фундамент всего проекта

В современном машиностроении, от автомобильной промышленности до производства сельскохозяйственной техники, качество литых деталей определяет надежность конечного продукта. Именно поэтому разработка технологического процесса изготовления отливки является ключевой задачей для инженера. Цель данной курсовой работы — разработать оптимальный технологический процесс для изготовления конкретной детали, пройдя все этапы от анализа чертежа до контроля готового изделия. Для этого нам предстоит решить ряд последовательных задач: провести анализ технологичности, выбрать способ литья и материал, спроектировать геометрию отливки и литниковую систему, разработать оснастку и, наконец, описать методы контроля.

Любая работа над технологией литья начинается не с расчетов, а с глубокого анализа исходных данных. Оценка технологичности конструкции — это фундаментальный этап, на котором мы изучаем чертеж детали с точки зрения возможностей и ограничений литейного производства. Нельзя просто взять конструкторский чертеж и отлить по нему деталь, поскольку это с высокой вероятностью приведет к браку.

Анализ технологичности преследует цель выявить «проблемные» места и, по возможности, адаптировать конструкцию для упрощения производства. Ключевое внимание следует уделить следующим аспектам:

• Толщина стенок: Резкие перепады толщины могут привести к образованию усадочных раковин и пористости.
• Сопряжения поверхностей: Наличие острых внутренних углов провоцирует концентрацию напряжений и образование трещин. Их следует заменять плавными радиусами.
• Литейные уклоны: Конструкция должна позволять без повреждений извлечь модель из формы. Вертикальные стенки усложняют этот процесс.
• Последующая мехобработка: Технологичная деталь требует минимальной доработки. Некоторые методы литья, например, литье под давлением, позволяют получить поверхности высокой точности, что снижает затраты на токарные или фрезерные операции.

Выявив эти потенциальные сложности, инженер может предложить конструктору внести изменения, которые не повлияют на эксплуатационные свойства детали, но значительно повысят качество отливки и снизят ее себестоимость.

Глава 2. Как выбрать оптимальный способ литья и материал для отливки

После анализа конструкции детали наступает этап принятия стратегического решения — выбора оптимального способа литья и марки сплава. Это аналитическая задача, где выбор должен быть строго обоснован на основе нескольких ключевых факторов.

Критерии выбора способа литья:

1. Серийность производства. Это, пожалуй, определяющий фактор. Для единичного и мелкосерийного производства чаще всего экономически оправдано литье в песчаные формы. Для крупносерийного и массового — более производительные методы, такие как литье в кокиль или под давлением, которые окупаются за счет большого объема выпуска.
2. Масса и габариты отливки. Способы литья имеют ограничения по весу. Например, для отливок массой в несколько тонн применяют литье в песчаные формы, тогда как литье по выплавляемым моделям лучше подходит для мелких и точных деталей.
3. Требования к точности и чистоте поверхности. Если деталь требует высокой точности размеров и минимальной шероховатости, чтобы избежать дальнейшей мехобработки, выбор смещается в сторону литья под давлением, в оболочковые формы или по выплавляемым моделям.
4. Экономические показатели. Необходимо учитывать не только себестоимость одной отливки, но и стоимость оборудования и технологической оснастки. Современные методы, такие как 3D-печать литейных форм, могут быть эффективны для прототипов и единичного производства, но дороги в серии.

Аналогично происходит и выбор материала. Он диктуется эксплуатационными требованиями к детали. Например, для ответственных деталей могут использоваться стали 20ГЛ или 25Л, обладающие хорошими механическими свойствами. Для менее нагруженных корпусных деталей часто применяют серый чугун СЧ20. Хотя он дешев и хорошо поддается обработке, наличие пластинчатого графита в его структуре снижает прочность при растяжении, что необходимо учитывать.

Глава 3. Проектирование геометрии отливки и ее положения в форме

Когда метод литья и материал определены, мы можем приступить к трансформации конструкторского чертежа в чертеж будущей отливки. Этот процесс включает в себя добавление технологических элементов, которые обеспечат получение качественного изделия. Проектирование геометрии отливки разбивается на несколько логических подзадач.

Первый шаг — выбор положения отливки в форме и плоскости разъема. Это критически важное решение, которое влияет на:

• качество поверхности (важные поверхности лучше располагать в нижней части формы);
• легкость заполнения формы расплавом;
• необходимость использования и сложность установки стержней для формирования внутренних полостей;
• удобство извлечения отливки из формы.

Далее необходимо определить все технологические припуски и надбавки. Проектирование отливки включает:

1. Назначение припусков на механическую обработку. Те поверхности детали, которые по чертежу должны иметь высокую точность и низкую шероховатость, в отливке делаются с запасом «лишнего» металла. Этот запас (припуск) будет снят на токарных или фрезерных станках.
2. Определение литейных уклонов. Чтобы модель можно было легко извлечь из песчаной формы, ее вертикальные стенки делают слегка наклонными.
3. Учет литейной усадки. Практически все металлы при охлаждении уменьшаются в объеме. Чтобы готовая остывшая отливка имела размеры, указанные в чертеже, модель для изготовления формы делают немного больше. Размеры модели корректируются с учетом коэффициента усадки выбранного сплава.

На этом же этапе определяется, нужны ли для формирования сложных внутренних полостей детали литейные стержни, а также их количество и места установки.

Глава 4. Расчет и конструирование литниково-питающей системы

Мы спроектировали геометрию самой отливки. Теперь нужно создать систему каналов, по которым жидкий металл попадет в полость формы. Эта система называется литниково-питающей системой (ЛПС), и ее роль гораздо сложнее, чем просто «транспортировка» расплава.

ЛПС — это критически важная инженерная система, которая должна обеспечить:

• Спокойное, без разбрызгивания и захвата воздуха, заполнение литейной формы.
• Отделение от расплава шлаковых включений.
• Компенсацию усадки металла в процессе затвердевания для предотвращения образования раковин.

Основные элементы ЛПС и их функции:

Стояк — вертикальный канал для приема металла из ковша.
Шлакоуловитель — элемент, задерживающий неметаллические включения.
Питатели (или зумпфы) — каналы, непосредственно подводящие металл к полости отливки.
Прибыли — массивные резервуары с металлом, которые затвердевают последними и «подпитывают» отливку, компенсируя усадку в ее массивных частях.

Проектирование ЛПС — это в первую очередь гидравлический расчет, в ходе которого определяются площади поперечных сечений всех ее элементов. Расчет ведется таким образом, чтобы обеспечить оптимальную скорость потока и правильную последовательность заполнения. Отдельной и важнейшей задачей является расчет и правильное расположение прибылей. Их размещают рядом с самыми массивными узлами отливки. Критически важно провести проверку направленности затвердевания, чтобы убедиться, что отливка будет остывать по направлению от дальних частей к прибылям. Это гарантирует, что усадочные дефекты сконцентрируются в прибыли, которая потом будет удалена, а не в теле самой детали.

Глава 5. Разработка конструкции модельно-стержневой оснастки

После завершения всех теоретических расчетов и создания чертежа отливки с литниковой системой наступает этап воплощения проекта в реальную производственную оснастку. Для изготовления литейной формы используется модельный комплект, а для полостей — стержневые ящики.

Модельный комплект представляет собой набор приспособлений, с помощью которых в формовочной смеси создается отпечаток — будущая полость для заливки металла. В его состав обычно входят:

• Модельные плиты — основа, на которой крепятся все остальные элементы.
• Модели самой отливки — точно повторяют внешнюю геометрию спроектированной отливки, включая литейные уклоны и припуски на обработку.
• Модели элементов ЛПС — модели стояка, питателей и шлакоуловителя, которые формируют каналы литниковой системы.

Если в конструкции детали предусмотрены внутренние полости, для их создания проектируется стержневой ящик. Это, по сути, форма для изготовления литейного стержня. Его внутренняя рабочая полость в точности соответствует геометрии будущего стержня.

При конструировании всей оснастки ключевое значение имеет назначение единых технологических баз. Это специальные фиксирующие элементы (штифты, втулки), которые обеспечивают абсолютно точное позиционирование и совмещение верхней и нижней полуформ, а также правильную установку стержней внутри формы. Использование единых баз — залог точности сборки и, как следствие, геометрической точности будущей отливки.

Глава 6. Описание технологического процесса изготовления отливки

Все конструкторские решения, принятые на предыдущих этапах, теперь систематизируются в виде последовательного описания производственных операций. Это и есть технологический процесс, который представляет собой пошаговую инструкцию для цеха.

Для выбранного способа литья в сырые песчаные формы, который отличается простотой и экономической эффективностью, цикл выглядит следующим образом:

1. Приготовление смесей. Готовятся две основные смеси: формовочная (для создания формы) и стержневая (для стержней). Они различаются составом и свойствами.
2. Изготовление форм и стержней. С помощью модельной оснастки в специальных рамах (опоках) на формовочных машинах уплотняется формовочная смесь, создавая верхнюю и нижнюю полуформы. Параллельно в стержневых ящиках изготавливаются стержни.
3. Сборка формы. Это ответственная операция. Сначала в нижнюю полуформу устанавливаются стержни (если они есть). Затем ее накрывают верхней полуформой, точно совмещая их по единым технологическим базам.
4. Плавление и заливка металла. Металл выбранной марки расплавляется в печи до нужной температуры, после чего ковшом аккуратно заливается в собранную форму через стояк литниковой системы.
5. Охлаждение и выбивка. После заливки форме дают остыть до полного затвердевания металла. Затем ее разрушают на специальном выбивном оборудовании, извлекая отливку.
6. Обрубка и очистка. На финальном этапе от отливки отделяются элементы литниковой системы и прибыли, а ее поверхность очищается от остатков формовочной смеси, как правило, в дробеструйных камерах.

После этих операций мы получаем готовую отливку, которая отправляется на контроль.

Глава 7. Методы контроля качества и заключение курсовой работы

Получение готовой отливки не завершает производственный цикл. Финальный и обязательный этап — убедиться, что она соответствует всем техническим требованиям. Контроль качества отливок является барьером, не пропускающим брак на следующий этап производства или к заказчику.

Основные методы контроля включают:

• Визуально-измерительный контроль. Это первый и самый простой метод. Инспектор осматривает отливку на предмет поверхностных дефектов (трещин, недоливов) и с помощью измерительных инструментов проверяет ее ключевые геометрические размеры.
• Контроль механических свойств. Из той же плавки металла, что и партия отливок, отливаются специальные образцы. Эти образцы затем испытывают на разрыв, твердость и ударную вязкость, чтобы подтвердить соответствие свойств материала требуемым стандартам.
• Неразрушающий контроль (НК). Для выявления внутренних, скрытых дефектов, таких как газовые раковины или усадочная пористость, применяют методы НК. Наиболее распространены ультразвуковой контроль (УЗК) и рентгеновское просвечивание, которые позволяют «заглянуть» внутрь металла, не разрушая деталь.

Заключение

В рамках курсовой работы была достигнута основная цель — разработан комплексный технологический процесс изготовления отливки. Последовательно были решены все ключевые задачи: проведен анализ технологичности исходной конструкции, на основе серийности и требований к детали обоснован выбор способа литья в песчаные формы и марки сплава. Была спроектирована геометрия отливки с учетом припусков, уклонов и усадки. Выполнен расчет литниково-питающей системы, обеспечивающей качественное заполнение формы и питание отливки в процессе затвердевания. Разработана конструкция модельно-стержневой оснастки и описан пооперационный маршрут изготовления. Предложенные методы контроля качества позволяют гарантировать соответствие готового изделия чертежу. Таким образом, разработанный технологический процесс является оптимальным для заданных условий и обеспечивает получение качественной продукции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988. -272 с.
2. Голотенков О.Н. Формовочные материалы: Учебное пособие. – Пенза: Изд-во Пенз.гос.ун-та, 2004. – 164 с.
3. Василевский П.Ф. Технология стального литья. М.: Машиностроение, 1974. – 408 с.
4. Балабин В.В. Модельное производство. М.: Машиностроение, 1970. – 160 с.
5. Головин С.Я. Краткий справочник литейщика. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960. – 375 с.
6. Ложичевский А.С. Металлические модели. Проектирование и изготовление. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы,1958. – 360 с.
7. Болдин А.Н., Давыдов Н.И., Жуковский С.С. и др. Литейные формовочные материалы. Формовочные, стержневые смеси и покрытия: Справочник. – М.: Машиностроение, 2006. – 507 с.
8. Кечин В.А. и др. Проектирование и производство литых заготовок. Владимир. ВлГУ, 2002.
9. Зонненберг Н.Н. Проектирование и расчёт литниково-питающих систем: Учеб. пособие.- Самара,2004. — 40 с.
10. Проектирование заготовок в разовых песчаных формах: Учебно-метод. Пособие/СамГТУ; Сост. В.А.Дмитриев. Самара, 2002. – 56 с.
11. ГОСТ 3.1125 – 88. Правила графического оформления элементов литейных форм и отливок.
12. ГОСТ 26645 — 85. Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы, припуски на механическую обработку.
13. ГОСТ 3212 – 92 Комплекты модельные. Уклоны формовочные, стержневые знаки, допуски размеров.