Разработка технологии изготовления отливки детали "Корпус"

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Значение литейного производства в народном хозяйстве чрезвычайно велико; почти все машины и приборы имеют литейные детали.

Литье является одним из старейших способов, которым еще в древности пользовались для производства металлических изделий: в начале из меди и бронзы, а затем из чугуна, а позже из стали и других сплавов.

Основными процессами литейного производства являются: плавка металла, изготовление форм, заливка металла и охлаждение, выбивка, очистка, обрубка отливок, термическая обработка и контроль качества обработки.

Основной способ изготовления отливок - литье в песчаные формы, в который получают около 80% отливок. Однако точность и шероховатость поверхности отливок, полученных в песчаных формах, во многих случаях не удовлетворяют требованиям современного машиностроения.

Литейное производство позволяет получить заготовки сложной конфигурации с минимальными припусками на обработку резанием и с хорошими механическими свойствами. Технологический процесс изготовления механизирован и автоматизирован, что снижает стоимость литых заготовок. Достижения современной науки во многих случаях позволяют коренным образом изменить технологический процесс, резко увеличить новые высокопроизводительные машины и автоматы. Что в конечном счете, помогает улучшить качество продукции и повысить эффективность производства.



1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ЛИТОЙ ДЕТАЛИ

Литая деталь «Корпус» представляет собой изделие открытой коробчатой формы. Отливку можно разделить на 2 части: верхнюю и нижнюю (основание). Высота отливки 187 мм, ширина в основании 194 мм, максимальная длина 344 мм. Основание имеет призматическую форму с внутренней открытой полостью с криволинейными поверхностями. Верхняя часть отливки представляет собой параллелепипед со сквозным отверстием 70 мм. Минимальная толщина стенки составляет 11 мм. На торцевой поверхности в верхней части имеется 4 глухих резьбовых отверстия М10 и 2 сквозных отверстия 9 и 38 мм. На другой торцевой поверхности находится глухое, резьбовое отверстия М10. На верхней поверхности отливки расположено 2 сквозных отверстия 8 мм. На нижней поверхности находятся 1 резьбовое, глухое отверстие 22 мм и 1 сквозное резьбовое отверстие М8. На боковых поверхностях основания симметрично находятся 2 ступенчатых отверстия с максимальным 20 мм. На левой боковой поверхности в верхней части детали расположено 2 глухих отверстия 32 и 10 мм. Конструкция литой детали представлена на рис.1

Рис. 1. Литая деталь «Корпус»



1.1 Выбор материала отливки

Литая деталь «Корпус» является несущей конструкцией узла «Задняя бабка» металлорежущего станка. Данный узел предназначен для крепления центра и металлорежущего инструмента - сверла.

В процессе эксплуатации изделие «Корпус» испытывает незначительные динамические и статические нагрузки, особых требований к литой детали не предъявляется, поэтому считаю целесообразным применять для литья серые чугуны.

Серый чугун - это сплав железа с углеродом (более 2.14%), содержащий постоянные примеси кремний, марганец, фосфор, сера Углерод в серых чугунах преимущественно находится в виде графита пластинчатой формы.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графитовых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна. Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость резанием. Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами «С» -- серый и «Ч» -- чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ 20 -- чугун серый, предел прочности при растяжении 200 МПа.

Считаю целесообразным применять серый чугун марки СЧ 20. Химический состав приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав сплава СЧ 20 в %. По ГОСТ1412-88

С	Si	Mn	P	S
3.3-3.5	1.4-2.4	0.7-1.0	не более 0.2	не более 0.15

Временное сопротивление при растяжении, МПА, (кгс/мм2), не менее 200(20)

Плотность, кг/м3 7100

Линейная усадка, % 1,2

Модуль упругости при растяжении, МПа 850-1100

Удельная теплоемкость при температуре 20-200, С, Дж (кг.К) 480

Коэффициент линейного расширения при температуре 20-200, 9,5-10,6

Теплопроводность при 20 Вт(м, К) 54

1.2 Обоснование способа получения отливки

Исходя из анализа конструкции и требований предъявляемых к серийности выпуска отливки, считаю целесообразным использовать для приготовления литой детали «Корпус» литье в песчаные формы, т.к. возможности способа позволяют получить:

- необходимую толщину стенки,

- необходимую размерную точность,

- необходимую шероховатость,

- низкая себестоимость материалов формы,

- обеспечивает сравнительно легкую и быструю технологическую подготовку производства отливки,

- способ не требует специального оборудования.



1.3 Оценка технологичности литой детали. Определение группы сложности

Технологичной называют такую конструкцию изделия или со-
ставных ее элементов (деталей, узлов, механизмов), которая
обеспечивает заданные эксплуатационные свойства продукции и
позволяет при данной серийности изготовлять ее с наименьшими
затратами.

Основными показателями, позволяющими оценить технологичность конструкции отливок, являются:

- коэффициент использования материала (КИМ)

КИМ = (1)

где - масса готовой детали, кг;

- масса металла, расходуемого для получения одной литой заготовки, кг.

КИМ == 78,3%

- коэффициент необрабатываемых поверхностей (КНП)

КНП= (3)

где - площадь необрабатываемых поверхностей, м²;

- площадь поверхностей всей отливки, м².



КНП = = 26,98%

Кроме этих показателей для количественной оценки технологичности конструкции отливки используются следующие критерии:

- коэффициент конструктивной сложности

Для отливки «Корпус» габаритным телом является параллепипед:

=2д() (4)

где - приведенная толщина отливки, м.

(5)

- объем отливки, м³;

- площадь поверхности отливки, м²;

- масса отливки, кг;

- плотность материала отливки, кг/ м³;

A, B, C - наибольший, средний и наименьший размеры габаритного параллелепипеда, м.

Подставив уравнение (5) в уравнение (4), получим:

=

- коэффициент габаритности

(6)

Где - объем габаритного тела описанного по габаритным размерам отливки, ;

- масса отливки, кг.

Чем меньше коэффициент габаритности, тем технологически рациональнее конструкция отливки.

K_V =

- коэффициент точности обработки

К_т.ч = 1 - (7)

где IT_ср - средний квалитет точности обработки

IT_ср =У(IT_i Чn_i)/n_У (8)

где IT_i - квалитет точности;

n_i - количество размеров, имеющих точность соответствующего квалитета;

n_У - общее количество принятых во внимание размеров детали.

- коэффициент шероховатости поверхности

К_ш = 1- (9)

где R_аср - среднее числовое значение параметра шероховатости поверхности для всех обрабатываемых поверхностей, мкм.

R_{а ср}= У(R_aiЧm_i)m_У (10)

где R_ai - числовое значение параметра шероховатости поверхности, мкм;

m_i - количество поверхностей, имеющих соответствующую шероховатость;

m_У - общее количество, принятых во внимание поверхностей.

Значение коэффициентов точности обработки и шероховатости поверхности представлены в табл. 2.

Таблица 2

Технологическая характеристика детали «Корпус»

Поверхность оформления, мм	Квалитет	Шероховатость, мкм
Диаметральные размеры
4 отв. М10 R 45 2 отв. Ш 13 2 отв. Ш 20 Ш 88 Ш 70 М20 Ш 22 Ш 12 Ш 7.8 Ш 22 Ш 8 Ш 7.8 М8 Ш 38 Ш 10 Ш 10 Ш 32 М8 Линейные размеры: 344 72 12 187 72 264 12 1 9 2 194 92 100 2 48 42	H 11 H 9 H 6 7 H H 7 H 7 H 7 H 7 H 7 7 H	6.3 12.5 6.3 6.3 1.6 6.3 1.6 1.6 6.3 6.3 1.6 1.6 1.6 6.3 1.6 12.5 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 3.2

Группа сложности отливок, изготовляемых литьем в ПФ, определяется по десяти классификационным признакам. Анализ данных признаков приведен в табл.3.

Таблица 3

Группа сложности отливки

Основные признаки сложности	Описание	Группы сложности
1) Конфигурация поверхности	Открытая коробчатая форма, имеются наружные поверхности и внутренние полости криволинейной формы со свободным выходом внутренней полости формы	4
2) По массе	27 кг	1
3) По максимальному габаритному размеру	344	1
4) По толщине основных стенок	12	5
5) Характеристика выступов, рёбер, углублений, отверстий		1
6) Кол-во отъемных частей модели	Без отъемных частей	1
7) Кол-во стержней в форме	2	1
8) Х-ка мех. обработки литой детали и наличие требований по шероховатости обработки поверхностей	Обработка 3х поверхностей с использованием фрезерования	2
9) Группа по назначению	Отливка ответственного назначения	2
10) Особые технические требования	Не предъявляются	2

По совокупности представленных в табл.3 классификационных признаков групп сложности, можно сделать вывод, что данная конструкция отливки относится к 2 группе сложности.

1.4 Выбор положения отливки в форме

При выборе положения отливки в форме во время заливки и затвердевания основными правилами являются обеспечение хорошего питания и получение отливки без усадочных и газовых раковин.

Положение отливки в форме зависит от требований, которые предъявляются к отливке по плотности металла и шероховатости поверхностей.

Исходя из анализа конструкции, отливку в форме располагаем горизонтально в двух полуформах. Такое положение отливки позволяет исключить перекос и смещение частей отливки, а так же облегчает простановку стержня в форме.

Рис. 2. Форма в сборе

1.5 Проектирование стержней

Отливка имеет сложную внутреннюю открытую полость и сквозное отверстие. Отверстие и поднутрения оформляются стержнями. Конструкция и размеры стержня 1 и 2 представлены на рисунке 3. Данные стержни по степени сложности относится к 4 классу сложности - стержни, имеющие несложную форму с относительно большими стержневыми знаками, применяются для оформления обрабатываемых и необрабатываемых поверхностей. Для исключения всплытия стержня при заливке, он имеет усиленный стержневой знак. Для соблюдения размеров толщин стенок между стержнем 2 и полостью формы устанавливают жеребейки. Размеры Конструкция стержня представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Конструкция стержней

1.6 Определение размеров опок

Учитывая габаритные размеры, а также конфигурацию отливки, принимаем количество отливок в форме равное 1 шт.

Чтобы расположить модель в опоках, нужно предусмотреть место для литниковой системы, а также определить расстояния между моделью и опокой, моделью и литниковой системой. Расстояние от модели или литниковой системы до боковой стенки опоки для средних отливок составляет 50 мм, слой смеси над моделью - 70мм, расстояние от нижней части отливки до низа опоки - 90 мм.

Исходя из принятого положения отливки в форме и толщин слоев смеси на отдельных участках формы согласно ГОСТ 15496-91 принимаем 2 опоки 0264-0093 АЛ с размерами в свету 600Ч500Ч200/200 из алюминиевого сплава.

Исходя из выбранной опоки, согласно ГОСТ 20094-74, принимаем модельную плиту 0280-0301/001.

1.7 Назначение припусков на механическую обработку, определение формовочных уклонов

Для того чтобы определить припуски на обработку, необходимо определить нормы точности отливки. В табл. 4 представлены нормы точности отливки.

Таблица 4

Нормы точности отливки

Параметр	Диапазоны и принятые значения
Класс размерной точности	(9т -13)12
Степень коробления элементов отливки	(3-6)5
Степень точности поверхностей отливки	(12-19)17
Класс точности массы отливки	(7-15)9
Допуск смещения по плоскости разъема формы в диаметральном выражении, мм	3,6
Шероховатость поверхности отливки, мкм	80
Ряд припусков на обработку	(8-11)9
Уровень точности обработки	Средний неавтомат. обработка
Допуск неровностей поверхности, мкм	±1
Допуск массы отливки, %	±4

Допуск размера отливки выбирается в зависимости от номинальных размеров отливки в соответствии с выбранным классом размерной точности, а так же в зависимости от расположения элемента отливки в литейной форме. Припуски на механическую обработку определяем в соответствии с ГОСТ 26645-85 (табл. 5). По ГОСТ 3212-92 принимаем формовочные уклоны для металлических моделей 0^?45'

Таблица 5

Припуски на механическую обработку

Последовательность назначения	Обрабатываемые резанием поверхности отливки
	А	В	С	D	E	F	G	H	I	J
Номинальный размер от базы до обрабатываемой поверхности, мм	264	135	272	187	48	100	344	194	92	187
Вид размера ВР	2	1	2	2	1	2	2	2	1	2
Класс точности размера КР	12	11т	12	12	11т	12	12	12	11т	12
Допуск размера отливки	6,4	4,0	6,4	5,6	2,4	5,0	6,4	5,6	2,8	5,6
Допуск формы поверхности (от коробления): ном. размер нормируемого участка, мм степень коробления элемента отливки СКэ допуск формы Тф, мм	72	344	344	344	344	344	105	264	344	264
	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5
	0,32	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	0,32	0,8	1,0	0,8
Допуск смещения, вызванного перекосом стержня (п. 2.8 ГОСТ 26645-85): размер наиболее тонкой стенки, формируемой с участием стержня, мм, класс точности размера КР, допуск смещения Тсм, мм		10
	12	11т	12	12	11т	12	12	12	11т	12
		2,2
Позиционный допуск: размер базовой поверхности, мм, вид размера ВР, класс точности размера КР, допуски размеров от базы То, мм, позиционный допуск Тпоз, мм
		1
		11т
		4,0/3,6
		2,69
Общий допуск То. общ, мм	6,4	5,4	6,4	6,4	2,8	5,0	6,4	6,4	3,6	6,4
Общий допуск при назначении припуска То. общ, мм	3,2	2,7	3,2	3,2	1,4	2,5	3,2	3,2	1,8	3,2
Вид механической обработки: Допуск размера детали от базы Тд. Мм, Отношение Тд/ Тотл, Отношение Тф.д/Тф. отл, Вид окончательной механической, обработки поверхности	1,3	0,025	1,3	1,15	0,62	0,87	1,4	1,15	0,87	1,15
	0,2	0,006	0,2	0,2	0,25	0,17	0,2	0,2	0,3	0,2
	-	-	-	-	-	-
	Черно-ва	Тонкая	Черно-вая	Черно-вая	Черно-вая	Черно-вая	Черно-вая	Черно-вая	Черно-вая	Черно-вая
Ряд припусков РП	9	9	9	9	11	9	9	9/11	11	9
Общий припуск Zoбщ, мм	4,8	4,6	3,1	3,1	2,9	2,9	3,1	3,1/3,9	3,2	3,1
Размер отливки, мм	273,6 Принимаем 274	60,8 Принимаем 61	275,1 Принимаем 275	193,2 Принимаем 193	53,8	105,8 Принимаем 106	350,2 Принимаем, 350	201 Принимаем, 201	98,4 Принимаем 98	193,2 Принимаем 193
Поле допуска	±3,2	±2,0	±3,2	±2,8	±1,2	±2,5	±3,2	±2,8	±1,4	±2,8



2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

Исходя из принятого положения отливки в форме выбираем боковую литниковую систему. Боковая литниковая система - обеспечивает спокойное заполнение полости литейной формы, исключает возможность разбрызгивания и вспенивания расплава, сводит к минимуму окисление, обеспечивает последовательное вытеснение воздуха и газов из полости формы, создаёт благоприятные условия для эффективного отделения неметаллических включений из расплава до его поступления в полость литейной формы.

Расчет оптимальной продолжительности заполнения полости формы производится по формуле:

ф_опт=s₁₁, (13)

где s₁ - коэффициент продолжительности заливки, зависящий от рода сплава, температуры заливки, типа литниковой системы и т.д.

д - преобладающая толщина стенки отливки, мм;

Q₁ - норма расхода жидкого металла на одну форму, кг.

Q₁=(1,1-1,4)n·Q_отл, (14)

где n - количество отливок в форме,

Q_отл - масса жидкого сплава на одну отливку.

Q₁= 28,8·1,4=40,3 кг

ф_опт=1,4 .

Расчет площади лимитирующего сечения литниковой системы:



F_min= , (16)

где µ - коэффициент гидравлического сопротивления литниковой системы и формы,

с - плотность расплава, кг/м³,

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²,

H_p - расчетный средний металлостатический напор, м.

Н_р = Н₀ - р²/2сl;

Н_р=200-92²/2=178 мм

F_min=м² = 1,32 см².

Лимитирующим является сечение питателя:

Следовательно:

Принимаем питатель трапециевидной формы (Рис. 4.) с размерами:

Рис. 4 Питатель

а = 17 мм, b = 19 мм, h = 5 мм.

Кол. = 2 шт.

Принимаем шлакоуловитель трапециевидной формы (Рис. 5.). Исходя из полученных значений размеры шлакоуловителя составят:

Рис. 5 Шлакоуловитель

а = 8 мм; b = 11 мм; h = 11 мм;

Кол. = 2 шт.

Принимаем стояк круглого сечения (Рис. 6.):

Рис. 6 Стояк

Кол. = 1 шт.

D = 60 мм.



3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МОДЕЛЬНОЙ ОСНАСТКИ. КОНСТРУКЦИЯ СТЕРЖНЕВОГО ЯЩИКА

Процесс производства моделей, стержневых ящиков и других элементов модельного комплекта независимо от рода выбранного материала является очень сложным, дорогим и трудоемким.

Для серийного производства рациональнее выбирать металлические модельные комплекты, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с деревянными - это долговечность, точность размеров, небольшая шероховатость рабочих поверхностей и отсутствие деформации [4].

Различные детали модельного комплекта изготовляют из различных сплавов. Для наиболее ответственных деталей, таких как модели и стержневые ящики, выбирают сплавы, обеспечивающие максимальную долговечность комплекта. Наиболее распространенными материалами моделей, предназначенных для получения песчано-глинистых форм, являются сплавы на основе алюминия и серые чугуны [4].

Модели и стержневые ящики из легких алюминиевых сплавов значительно облегчают условия труда. При тщательном уходе за алюминиевыми моделями по ним может быть получено до 40 тыс. форм [4].

Поэтому для изготовления модели выбираем алюминиевый сплав марки АК9 (сплав на основе Al-Si-Mg) по ГОСТ 1583-93. Учитывая габаритные размеры модели, изготовляем ее составной.

Формовочные уклоны для модели составляют 0?45' по ГОСТ 3212-92 (формовочные уклоны формообразующих поверхностей модельных комплектов, предназначенных для форм, твердеющих вне контакта с оснасткой). Размеры знаков должны быть увеличены против номинальных размеров на величину зазоров, предусмотренных чертежом собранной формы. Чертеж металлической модели, предусматривает увеличение ее размеров против размеров детали, для отливки которой она предназначается, на величину усадки сплава, из которого будет отливаться деталь. Учитывая усадку алюминиевых сплавов, увеличиваем размеры модели отливки и литниково-питающей системы на 1%.

Основной метод получения металлических заготовок моделей -- это литье в песчано-глинистые формы по деревянным моделям, которые принято называть промоделями, т. е. моделями для моделей. В отличие от обычных моделей промодель не имеет плоскости разъема. При определении размеров деревянной промодели учитывают суммарную усадку сплава модели и сплава отливки. Размеры промодели должны включать припуски на механическую обработку поверхностей отливки, обозначенных на чертеже определенным классом чистоты, и припуски на обработку поверхностей самих металлических моделей [4].

Монтаж моделей на подмодельных плитах осуществляют по разметке. На модель и плиту наносят разметочные риски. При наложении модели на плиту риски должны совмещаться. Затем просверливаются сквозные отверстия для фиксирующих штифтов. Разметку и нанесение рисок следует выполнять не произвольно, а принимая за базовую линию ось контрольного штыря каждой плиты. При монтаже моделей на плиты следует учитывать размеры и конструкцию опок [4].

Детали литниковой системы изготовляют отдельно и устанавливают после монтажа модели на плите в местах, предусмотренных чертежом модельной плиты для «верха» и «низа» [4].

Независимо от способа изготовления стержней ящики должны быть возможно легче. Размеры бортиков и конструкция ребер жесткости у стержневых ящиков зависят от толщины тела ящика. У стержневых ящиков, состоящих из двух или более частей, должно быть обеспечено точное взаимное фиксирование частей ящика и взаимное крепление их между собой. Рациональной конструкцией является регулируемый штырь. Эта конструкция позволяет в процессе эксплуатации, по мере износа штыря и втулки, регулировать установку штыря по высоте, ликвидируя этим качку втулки на штыре. Скрепление отдельных частей стержневого ящика осуществляется с помощью особых затворов. Наиболее распространенными являются две конструкции: затвор с барашком и затвор со скобой. Преимуществом барашкового затвора является его легкий вес и простота изготовления, но его применение снижает производительность рабочего стерженщика, поскольку процесс завертывания и отвертывания барашков занимает много времени. Затворы со скобой удобны в эксплуатации, требуют мало времени на стягивание половин ящика и отбрасывание скобы после набивки ящика, но сравнительно сложны в изготовлении. Отдельные поверхности и части стержневого ящика подвержены усиленному износу. К ним относятся: плоскости набивки, вкладыши по контуру врезки в ящик, гнезда вкладышей и отдельные выступающие части ящика [6].

Для предупреждения износа плоскость набивки стержневого ящика покрываем стальной пластиной (броней). Конструкция стержневого ящика показана на рисунке 7.

Рис. 7. Монтаж на подмод плите



Рис. 7. Стержневой ящик

отливка корпус стержень опока



4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ

4.1 Метод изготовления форм и стержней. Выбор технологического оборудования

За последние два десятилетия огромное внимание было уделено технологии производства отливок в сырых песчано-глинистых формах, что привело к значительному совершенствованию формовочного и смесеприготовительного оборудования, а также методов уплотнения формовочной смеси. В результате стало возможным и в песчано-глинистых формах производить отливки геометрически точные, сложной конфигурации, с тонкими стенками.

Также возросли и требования, предъявляемые к формовочной смеси, являющейся важнейшим компонентом технологического процесса. Еще более актуальной стала необходимость регулировать ее свойства в соответствии с особенностями изготовляемой номенклатуры отливок, а также обеспечить максимальную стабильность качественных показателей для эффективной работы автоматической формовочной линии.

Песчано-глинистая формовочная смесь в условиях современного литейного производства является многокомпонентной системой многоразового использования, состоящей из наполнителя, связующих, воды, и различных технологических добавок.

Отработанная смесь составляет основу производственной формовочной смеси. Ее температура и остаточная влажность всегда непостоянна, поэтому она должна быть предварительно охлаждена, просеяна, очищена от остатков стержней, металла, пыли, и увлажнена не менее чем до 1,8-2,4 %.

Предварительное увлажнение обеспечивает более быстрое усвоение воды бентонитом в процессе смесеприготовления, а также выравнивает влажность отработанной смеси, что положительно влияет на стабильность основных технологических свойств готовой смеси.

Вода - одна из важнейших составляющих песчано-глинистых формовочных смесей, в значительной мере определяющая их основные свойства - прочность, способность к уплотнению, газотворность, выбиваемость, склонность к образованию многих дефектов отливок. Фактически вода в форме является крайне нежелательным компонентом с точки зрения качества получаемых отливок, но без нее невозможно обеспечить требуемую связующую способность бентонита. Поэтому объективно существует стремление к работе на смесях с минимум содержания воды.

Одним из наиболее важных показателей формовочной смеси является ее насыпной вес, который должен быть максимально стабильным в процессе работы формовочной линии. Но этот показатель изменяется в соответствии с изменением увлажнения смеси, что предъявляет повышенные требования к смесеприготовительному оборудованию в части его способности автоматически поддерживать требуемую влажность и насыпной вес смеси.

Бентонит является важнейшим компонентом смеси и его свойства во многом предопределяют качество формы. Наиболее важными показателями качества бентонита является прочность смеси при сжатии, прочность при разрыве в зоне конденсации влаги, термостойкость, скорость усвоения воды, а также остаточная прочность в высушенном состоянии, чем предопределяется выбиваемость форм. Косвенными показателями качества бентонита являются такие показатели как коллоидальность и величина водопоглощения.

Прочность при разрыве в зоне конденсации влаги предопределяет склонность смеси к образованию ужимин. У кальциевого бентонита этот показатель очень низкий, поэтому его нужно активировать содой, вводя ее во влажную бентонитовую глину еще до сушки и помола. Из-за того, что зачастую бентонит недостаточно и неравномерно активируется содой, на литейных предприятиях СНГ часто используют ЭКР - экструзионный крахмалореагент, который работает как противоужиминная добавка и стабилизатор влажности. Его введение в смесь приводит к дополнительному повышению газотворности формы, но он достаточно эффективно компенсирует недостатки при активации бентонита, а также позволяет сгладить скачки влажности из-за отсутствия автоматической системы регулирования влажности в процессе приготовления смеси.

Углеродсодержащие добавки - образователи пиролитического (блестящего) углерода заслуживают особого внимания, поскольку являются обязательным компонентом формовочных смесей для литья чугуна различных марок. Наиболее известным и наиболее широко используемым образователем пиролитического углерода является каменноугольная пыль или гранулированный уголь. Опыт его использования, особенно в практике зарубежных литейных цехов, насчитывает уже более 100 лет.

Действие угля многофункционально:

· предотвращение трудноудаляемого пригара;

· уменьшение шероховатости поверхности отливок;

· снижение вероятности появления на отливках ужимин;

· улучшение выбиваемости формовочной смеси (ФС), то есть разделения смеси и отливок на выбивных решетках.

Таким образом, современная формовочная песчано-глинистая смесь является многокомпонентной системой, требующей:

· предварительной подготовки отработанной смеси (охлаждение, увлажнение, просеивание);

· строгой дозировки всех компонентов;

· очень эффективного перемешивания нескольких составляющих с разными физико-механическими свойствами за короткий промежуток времени;

· автоматического контроля и регулирования влажности смеси в процессе смесеприготовления.

Принципиальная схема подготовки смеси с предварительным кондиционированием горелой земли показана на рис. 8.

Рис. 8: Схема приготовления песчано-бентонитовой смеси с предварительным кондиционированием горелой земли

В смесеприготовительных отделениях отечественных литейных предприятий в настоящее время практически везде используются катковые смесители (бегуны), не обеспечивающие требуемой эффективности перемешивания. Предварительное охлаждение и увлажнение отработанной смеси не применяется, а автоматический контроль влажности и соответственно обеспечение стабильности насыпного веса формовочной смеси отсутствуют.

Рис. 9: Влияние влажности на насыпную плотность формовочной смеси



Насколько важно поддерживать стабильную влажность смеси - можно понять из анализа рис. 9, где схематически показана зависимость насыпного веса смеси от её влажности. В области влажности более 4,0%, характерной для работы многих отечественных литейных предприятий, насыпной вес изменяется не очень сильно при довольно значительных колебаниях влажности. Но в области влажности 3,0-3,3% - оптимальной с позиций минимизации воды в смеси, - даже небольшие отклонения влажности от заданной приводят к очень значительным изменениям насыпного веса формовочной смеси. Эта особенность требует наличия совершенных систем автоматического поддержания заданного насыпного веса путем автоматического регулирования влажности смеси в очень узких пределах.

То есть, отсутствие систем автоматического регулирования влажности смеси в процессе ее приготовления вынуждает работать на более высокой влажности во избежание значительных отклонений насыпного веса смеси и связанного с этим фактором брака форм. Избыточная влажность приводит к более высокой газотворной способности формы, снижению ее газопроницаемости. В случае работы с образователями пироуглерода их расход резко увеличивается, поскольку значительная часть углерода окисляется от взаимодействия с перегретыми парами воды и не образует защитных пленок блестящего углерода. Повышение содержание углеродистых добавок в свою очередь приводит к накоплению в смеси избыточного коксового остатка, который ухудшает физико-механические свойства смеси и требует дальнейшего увеличения ее влажности.

Для проявления связующей способности бентонита требуется некоторое время для усвоения им воды. Причем это время тем больше, чем ниже исходная влажность бентонита. Именно поэтому в современных системах смесеподготовки предусматривается технологическая операция - предварительное увлажнение смеси. Избыточная влажность смеси в какой-то степени компенсирует отсутствие предварительного увлажнения, но далеко не полностью. Поэтому бентонит не доводится до своего максимального рабочего состояния, а избыточная влажность смеси приводит к другим нежелательным побочным эффектам.

Недостаточно эффективное перемешивание смеси приводит к перерасходу или нерациональному расходованию формовочных материалов и ухудшению качества формовочной смеси - увеличенная влажность, осыпаемость, склонность к эрозии, взрывному пригару, ужиминам и т.д. В этих условиях использование даже самых высококачественных формовочных материалов не оправдывает себя, так как оборудование не позволяет готовить из них формовочную смесь требуемого качества и стабильности.

Оборудование для смесеприготовления является чрезвычайно важным моментом при комплектации литейных цехов. В настоящее время автоматы, реализующие методы регулирования степени увлажнения смесей, выпускают фирмы "Хартли", "Г. Фишер", "Айрих" и др. Выше сформулированным требованиям в полной мере соответствует также смесеприготовительное оборудование фирмы "KUNKEL WAGNER", в частности серия роторных смесителей типа WM производительностью от 15 до 200 т./час.

Смеситель формовочного материала является центральным узлом каждой установки для подготовки смеси. В первую очередь смеситель выполняет следующие операции в процессе подготовки смеси:

· оптимальная добавка воды и освежающих добавок;

· смешивание и однородность всех компонентов смеси;

· диспергирование бентонита и равномерное покрытие песчаных зерен бентонитом.

Вихревые смесители KUNKEL-WAGNER - это прочные, надежные и долговечные агрегаты для подготовки смеси, с автоматическим управлением влажностью, отвечающие самым высоким требованиям к технологии подготовки формовочной смеси. Конструкция смесителя и его принцип работы понятен из рис. 10.



Рис. 10. Схема вихревого смесителя WM

Рис. 11. Вихревая головка

В случае использования для смесеприготовления традиционных смесителей типа бегунов, в смеси происходит относительно медленное распределение и усвоение воды бентонитом из-за низкой эффективности смешивания. Влажность смеси увеличивается постепенно до конца процесса смешивания. Из-за этого не достигается необходимая степень диспергирования бентонита, а вода им не полностью усваивается, поскольку время перемешивания в промышленных бегунах обычно составляет от 2 до 5 минут. В этом легко убедиться, выполняя тестовые испытания смеси в соответствии с требованием ГОСТа 28177-89, где время перемешивания смеси задано 20 минут (в течение всего этого времени происходит медленное увеличение прочности смеси).

Рис. 12. Автоматический контроль влажности формовочной смеси

В вихревом смесителе KUNKEL-WAGNER непосредственно после загрузки горелой земли начинается высокоэффективная фаза смешивания. Уже в начале цикла смешивания вода быстро усваивается бентонитом благодаря интенсивному перемешиванию вихревой головкой, конструкция которой видна на рис. 12. Это происходит в течение первых 45-50 секунд, благодаря чему обеспечивается высокое диспергирование бентонита и равномерное покрытие им песчаных зерен. В процессе смешивания осуществляется непрерывный контроль влажности и на 50-й секунде автоматически вводится корректирующая добавка воды, количество которой рассчитывается процессором на основе данных текущего контроля влажности в каждом цикле. Показатели влажности, уплотняемости и прочности смеси отслеживаются и регулируются автоматической системой управления в режиме реального времени - рис.5. Это позволяет обеспечить стабильную влажность и насыпной вес формовочной смеси.

Полный цикл смесеподготовки составляет 130 секунд, а полезное время смешивания - не более 100 секунд.

Три плуга, вращающиеся в направлении потока песка (вращение против часовой стрелки), сконструированы таким образом, что смесь постоянно переворачивается и перемешивается - рис. 13. Одновременно осуществляется подача смеси к верхней секции вихревой головки для разрыхления.

Рис. 13. Плуги смесителя

Прохождение под более низкой секцией завихрителя обеспечивает полное смешивание в области особенно интенсивного перемешивания и образование тонкой бентонитовой пленки вокруг зерен наполнителя.

Одновременно верхние слои смеси направляются к верхней секции вихревой головки. Вызванные вращением головки высокие фрикционные силы способствуют быстрому смешиванию и диспергированию добавок.

Непрерывные повороты главного потока песка посредством вращающихся против часовой стрелки плужков, в комбинации с поток песка, поступающим в противополжном направлении за счет вращения вихревой головки, обеспечивают эффективное смешивание компонентов и разрыхление смеси. В результате чего получается оптимальное качество формовочной смеси.

Подготовленная формовочная смесь покидает смеситель в конце цикла смешения и обладает высокой гомогенностью состава, рыхлой структурой и высокой сыпучестью, в ней полностью отсутствуют комья.

Такая технология подготовки формовочной смеси позволяет максимально полно использовать возможности современных многокомпонентных формовочных бентонитовых связующих, предназначенных для получения качественных отливок с высокой чистотой поверхности.

4.1 Состав формовочных и стержневых смесей, свойства смесей

Смеси для заливки по-сырому включают в себя наполнитель, связующие материалы и добавки. Основным наполнителем смеси является отработанная, оборотная смесь, которую нужно применять после соответствующей обработки и кондиционирования. Рекомендуется применять песок классов 1К, 2К, групп 02,0315 для среднего литья.

Основное связующее - бентонит. Основная доля отечественных бентонитов являются кальциевыми с содержанием монтомориллонита не более 75-90%. Для применения в сырых песчаных формах кальциевые бентониты активизируют добавками соды, водимыми при помоле бентонита. Для опочной формовки прочность смесей во влажном состоянии должна составлять 0,14-0,18 Мпа.

Для улучшения качества поверхности оливок в формовочные смеси вводят ПАВ в количестве 0,1-0,5% (ДС-РАС, контакт Петрова, нитролигнин, КО, УСК). Бентонит целесообразно вводить в смесь в виде суспензий (20% бентонита, 5% угля, 1% крахмалита).

В качестве противопригарного покрытия для среднего литья массой до 80 кг, при толщине стенки 15-30 мм в смесь вводят каменноугольную пыль в колличестве до 8%, в виде глиноугольных суспензий.

Таблица 6

Состав и свойства песчано-глинистых смесей для формовки по-сырому

Масовая доля компонентов смеси, %	Характеристики смеси
облицовочной	единой	Содержание глинистой составляющей, %	Зерновая группа песка	Влажность, %	Газопроницаемость, ед.	Прочность на сжатие во влажном состоянии, кПа
Оборотная смесь	Свежие материалы	Оборотная смесь	Оборотная смесь	Свежие материалы	Каменноугольный порошок
75-45	22-51	3-4	94,3-92,3	5-7	0,7	7-10	016А	4,0-5,5	40-60	29-49

4.2 Упрочнение форм и стержней

Для изготовления литейных форм процесс уплотнения формовочной смеси является основным. К настоящему времени для реализации этой технологической операции используется много различных способов и формовочных машин. Одним из способов уплотнения является импульсное уплотнение.

Этот способ уплотнения формовочной смеси разработан около 3-х десятилетий назад. Сущность его поясняется схемой на рис. 14.

Основным элементом установки является формообразующее устройство - импульсная головка 6 с быстро действующим воздушным клапаном 12, крышкой 10 и дефлектором 14, служащим для равномерного распределения потока воздуха в полости рассекателя 5, представляющего собой решетку с большим числом отверстий диаметром 5-8 мм. В исходном положении клапан 12 прижимается пружиной 11 к седлу клапана, перекрывая выпускное отверстие 13. После заполнения опоки 3 и наполнительной рамки 4 формовочной смесью импульсная головка прижимается к наполнительной рамке. Полость корпуса 8 импульсной головки наполняется сжатым воздухом через распределительный клапан 7. При достижении заданного давления воздуха (7-10 МПа) в ресивере распределительный клапан 7 соединяет полость 8 с подпоршневой полостью 9 клапана 12, пружина 11 сжимается, и сжатый воздух устремляется в выхлопное отверстие 13, заполняя полость 15 рассекателя 5, а затем, проходя через его отверстие, равномерным потоком направляется на смесь. Смесь под действием расширяющегося воздуха с большим ускорением перемещается из наполнительной рамки в опоку и уплотняется. Отработанный воздух из наполнительной рамки удаляется через отверстие 16. Частично воздух удаляется через венты 17 модельной плиты 1 и отверстие 18

Производительность формовочной линии от 10 до 200 форм в час.

Преимущества способа:

· достаточная и равномерная степень уплотнения смеси на вертикальных и горизонтальных поверхностях формы;

· повышенная размерная точность и масса отливок;

· улучшение качества поверхности отливок;

· снижение трудоемкости отчистки отливок;

· применение существующей оснастки без предварительных переделов;

· Формовочные машины просты в обслуживании;

· не требуется повышенного расхода газа или воздуха;

· малый шум при работе.



Рис. 14 Схема установки воздушно-импульсного уплотнения

4.3 Противопригарные краски

Предотвращение пригара на поверхности отливки, изготавливаемой в сырых песчано-глинистых формах, достигается путём нанесения перед сборкой на поверхность стержней противопригарного покрытия. В роли такого покрытия выступают противопригарные краски.

Противопригарная краска представляет собой суспензию, состоящую из порошкообразного огнеупорного наполнителя, связующего компонента и стабилизатора, равномерно распределенных в дисперсионной среде (воде или, органической жидкости). Она должна обладать достаточной огнеупорностью, высокой седиментационной устойчивостью, хорошей кроющей способностью, высокой прочностью сцепления с поверхностью форм и стержней при заливке металла, малой газотворностью и гигроскопичностью.

Для приготовления красок используют различные составляющие в зависимости от рода металла, толщины стенок и массы отливок, состава формовочной и стержневой смеси и других факторов.

Основной составляющей краски, обусловливающей, ее противопригарные свойства, является высокодисперсный огнеупорный наполнитель.

Для обеспечения сплошности и способности краски прочно удерживаться на окрашенной поверхности стержня после удаления из неё растворителя, а также для достижения требуемой прочности при заливке расплавом в составах красок предусматривается использование связующих материалов Растворители противопригарных красок предназначены для создания дисперсной среды.

С целью равномерного распределения наполнителя в растворителе и повышения седиментационной устойчивости в составах прот...