Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1 Технологическая часть
• 1.1 Данные об отливке-представителе
• 1.2 Обоснование выбранного технологического процесса изготовления отливки
• 1.3 Анализ возможных вариантов литниковых систем
• 1.4 Выбор припусков на механическую обработку
• 1.4.1 Методика выбора припусков на механическую обработку
• 1.4.2 Выбор припусков на механическую обработку для отливки
• «Диффузор»
• 1.5 Выбор типа литниково-питающей системы
• 1.6 Расчет литниково-питающей системы
• 1.6.1 Метод вписанных сфер
• 1.6.2 Расчет элементов питания
• 1.6.3 Расчет времени затвердевания отливки
• 1.6.4 Обеспечение заполняемости
• 1.6.5 Анализ литниково-питающих систем
• 1.6.6 Сравнительный анализ вариантов ЛПС
• 1.6.7 Отработка литниково-питающей системы
• 1.7 Разработка технологического процесса изготовления отливки «Диффузор»
• 1.8 Выбор модельных составов
• 1.9 Выбор связующего и огнеупорного покрытия
• 1.10 Выбор материала отливки
• 1.11 Контроль и исследование дефектов отливок
• 1.12 Анализ брака при отливке деталей
• 2 Разработка мероприятий повышения качества отливок типа «Диффузор»
• на основе методов статистического анализа
• 2.1 Анализ литературных и производственных данных
• 2.2 Анализ и разработка мероприятий по повышению качества отливок «Диффузор»
• 2.3 Описание методики исследования
• 2.4 Анализ литейных дефектов фасонных отливок
• 2.5 Систематизация и распределение дефектов с помощью диаграммы
• Парето
• 2.6 Анализ влияния технологических факторов на возникновение дефектов
• с помощью метода экспертного оценивания
• 2.7 Анализ процентного содержания литейных дефектов, обнаруженных
• в литейном и механическом цехах
• 2.8 Анализ дефектности с помощью компьютерного моделирования
• 2.9 Описание результатов исследования
• 2.10 Выводы и рекомендации
• 3 Организационно-экономическая часть
• 3.1 Составление сметы затрат на проведение исследования
• 3.2 Ленточный график НИР
• 4 Охрана труда и безопасность жизнедеятельности
• 4.1 Анализ проектируемого (исследуемого) технологического процесса
• по опасным и вредным производственным факторам
• 4.1.1 Анализ механических опасных и вредных производственных
• факторов, вызывающих ранения, ушибы и ожоги
• 4.1.2 Анализ микроклимата производственного помещения
• 4.1.3 Анализ запыленности и загазованности воздуха рабочего помещения
• 4.1.4 Анализ уровня шума и вибрации
• 4.1.5 Анализ электроопасности
• 4.1.6 Анализ опасных и вредных излучений
• 4.1.7 Анализ пожарной и взрывной опасности
• 4.1.8 Анализ зрительных условий труда
• 4.1.9 Анализ возможных психологических факторов
• 4.2 Рассчитать общее искусственное освещение производственного
• участка
• 4.2.1 Выбор источника света
• 4.2.2 Выбор системы освещения
• 4.2.3 Выбор осветительных приборов
• 4.2.4 Размещение осветительных приборов
• 4.2.5 Определение нормируемой освещенности и коэффициента запаса
• 4.2.6 Расчет осветительной установки
• Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

отливка диффузор литейный

Эксплуатационная надежность, ресурс и конкурентоспособность современных газотурбинных двигателей (ГТД) и энергоустановок (ГТУ) в значительной степени определяется качеством и себестоимостью литых заготовок, которые составляют 50 % от всей номенклатуры основных деталей. В связи с расширением номенклатуры ГТД и ГТУ, выпускаемых ОАО «НПО «Сатурн», а также в связи с участием предприятия в международных программах по освоению и выпуску современной газотурбинной продукции проблема качества и снижения себестоимости отливок имеет первостепенное значение.

Качество отливок определяется, прежде всего, отсутствием литейных дефектов, а также соответствующим уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств материала согласно требованиям нормативно-технической документации. Номенклатура основных показателей качества отливок и их применяемость регламентируются ГОСТ 4.439-86. В стандарте указано двадцать два показателя качества, которые объединены в пять следующих групп: классификационные; назначения; экономного использования металла и технологичности; качества поверхности; экономические.

Перечень и определения основных литейных дефектов приведены в ГОСТ 19200-80, согласно которому все литейные дефекты подразделены на следующие группы: несоответствие по геометрии; дефекты поверхности; несплошности в теле отливки; включения; несоответствие по структуре. В классификации дефектов по ГОСТ 19200-80 отсутствуют указания по дефектам типа несоответствие химического состава сплава и несоответствие свойств. Эти требования имеют особо важное значение для ответственных отливок специального назначения, поэтому они регламентированы в соответствующих государственных и отраслевых стандартах, технических условиях и сертификатах согласно марке сплава.

Таким образом, в настоящее время имеется достаточно четкая система нормативно-технической документации для оценки качества отливок по трем основным характеристикам:

1) степень пораженности литейными дефектами;

2) соответствие химического состава сплава;

3) соответствие свойств (механических, физических, эксплуатационных и технологических).

Учитывая специфику литейных процессов - многофакторность и закрытый характер, т.е. невозможность непосредственного визуального наблюдения за ходом процесса, проблема обеспечения и повышения качества отливок является трудноформализуемой и поэтому требует комплексного подхода. Это обуславливает необходимость сочетания традиционных методов физико-химического анализа и неразрушающего контроля с современными методами многомерного статистического анализа, математического моделирования и оптимизации технологических факторов.

Необходимость сочетания организационно-технических мероприятий и статистических методов анализа в общей системе управления качеством продукции регламентирована ГОСТ Р 50779.10-2000 и стандартами серии ИСО 9000. Из двадцати семи стандартов по обеспечению качества продукции, разработанных на ОАО «НПО «Сатурн», четыре направлены на использование в системе управления качеством статистических методов. Одним из завершающих этапов использования методов статистического анализа является разработка информационно-статистических моделей в виде регрессионных уравнений для оценки прогноза качества отливок. Следовательно, создание эффективной, многоуровневой системы диагностики и управления качеством продукции и, в частности, отливок возможно только на основе комплексного использования современных методов математической статистики, соответствующего программного обеспечения и компьютерной техники.

1 Технологическая часть

1.1 Данные об отливке-представителе

Отливка-представитель - диффузор. Эскиз отливки представлен на рисунке 1.1.

Сплав - ВХ4Л-ВИ.

Масса отливки - 12 кг.

Масса отливки с литниково-питающей системой (ЛПС) - 70 кг.

Модельные составы: А7-FR/60 - для отливки, КС2683 - для ЛПС.

Огнеупорная основа суспензии - электрокорунд.

Количество слоев - 12.

Сушка - вакуумно-аммиачная.

Число моделей в блоке - 1.

Рисунок 1.1 - Эскиз отливки «Диффузор»

1.2 Обоснование выбранного технологического процесса изготовления отливки

Учитывая то, что нам необходимо обеспечить высокую чистоту поверхности отливки «Диффузор», а также то, что мы используем дорогостоящий высокотемпературный жаропрочный сплав ВХ4Л-ВИ, трудно поддающийся механической обработке, необходимо подобрать такой технологический процесс, который смог бы обеспечить выполнение требований, предъявляемые к отливке и снизить расход металла на механическую обработку. Кроме того, отливка имеет сложную геометрию и тонкие стенки.

Предлагается изготавливать отливку методом литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). Этот метод литья обеспечивает необходимую шероховатость поверхности, высокую точность отливки, необходимую структуру и позволяет получать сложные отливки.

1.3 Анализ возможных вариантов литниковых систем

Литниково-питающая система (ЛПС) при литье по выплавляемым моделям служит для обеспечения заполнения литейной формы металлом с оптимальной скоростью, исключающей образование в отливке недоливов и неметаллических включений, и компенсации объемной усадки в период затвердевания отливки с получением в ней металла заданной точности. ЛПС должна удовлетворять требованиям технологичности при изготовлении моделей, форм и отливок, является конструкцией, на которой монтируются модели. При этом необходимо стремиться к созданию компактных ЛПС. Излишнее их развитие ведет к перерасходу металла, завышению затрат труда, низкой эффективности использования оборудования и площадей.

Поэтому при разработке конструкции ЛПС следует учитывать условия получения качественных отливок и необходимость обеспечения механической прочности элементов конструкции, а также технологичность блока на всех операциях процесса при изготовлении модели, формообразовании, отрезке отливок.

ЛПС, применяемые в современном производстве отливок ЛВМ, делятся на восемь типов. Учитывая приоритет процесса питания над процессом заполнения, за основу деления ЛПС взят вид того элемента, от которого непосредственно осуществляется питание отливки. Типы ЛПС расположены в таблице 1.1 по принципу перехода от центрального стояка как предельно коллективной прибыли до системы местных прибылей как предельно расчетной прибыли.

Таблица 1.1 - Типы литниково-питающих систем

Тип	Питающий элемент	Характеристика прибыли
I II III IV	Центральный стояк Горизонтальный коллектор Вертикальный коллектор Вертикальный коллектор, заполняемый снизу	Коллективная
V VI	Боковая прибыль Верхняя прибыль	Индивидуальная
VII VIII	Местная прибыль и коллектор Система местных прибылей	Расчетная

Для отливки «Диффузор», имеющей массу 12 кг, выбираем литниково-питающую систему VIII типа. Блок моделей собирают из отдельных звеньев, монтируемых на стояке, который будет служить центральным и опорным элементом при сборке блока модели.

1.4 Выбор припусков на механическую обработку

1.4.1 Методика выбора припусков на механическую обработку

Требуемые характеристики точности отливки, а также припуски на механическую обработку определяются по следующей методике.

В качестве базовых поверхностей выбираем те поверхности отливки, которые останутся необработанными в конечной детали, что обеспечит получение достаточно точных размеров между обработанными и необработанными поверхностями детали.

1) По таблице 9 ГОСТ 26645-85 для заданного технологического процесса, габаритного размера и материала находим интервал класса точности размеров КР, в соответствии с примечанием принимаем определённое значение КР.

2) По таблице 10 ГОСТ 26645-85 находим степень коробления отливки. Для отношения h/L с учётом многократной формы и термообработки отливки попадаем в интервал степени коробления элементов отливки СК, в соответствии с примечанием принимаем определённое значение СК.

3) По таблице 11 ГОСТ 26645-85 для заданного технологического процесса, габаритного размера и материала находим интервал степеней точности поверхности СП. В соответствии с примечанием принимаем определённое значение СП.

4) По таблице 13 ГОСТ 26645-85 для заданного технологического процесса, номинальной массы и материала находим интервал классов точности массы КМ, в соответствии с примечанием принимаем определённое значение КМ.

Точность отливки: КР-СК-СП-КМ ГОСТ 26645-85.

5) Для обрабатываемых поверхностей необходимо определить ряд припуска РП. По таблице 14 ГОСТ 26645-85 для выбранной степени точности поверхности СП находим интервал ряда припусков РП, в соответствии с примечанием принимаем определённое значение РП.

6) Определение припусков для обрабатываемых поверхностей производим в форме таблицы 1.2.

Таблица 1.2 - Определение допусков и припусков на обработку для обрабатываемых поверхностей

Последовательность назначения	А	В	С
1. Схема механической обработки
2. Вид размера ВР
3. Номинальный размер от базы до обрабатываемой поверхности, мм
4. Класс точности размера КР
5. Допуск размера, Т0, мм; определяется по таблице 1 ГОСТ 26645-85
6. Другие допуски: допуск формы поверхности (от коробления) - номинальный размер нормируемого участка, мм - степень коробления СК - допуск формы Тф , мм; определяется по таблице 2 ГОСТ 26645-85
7. Общий допуск Тобщ , мм, определяется по таблице 16 ГОСТ 26645-85
8. Общий допуск при назначении припуска
9. Степень точности поверхности СП; определяется по таблице 11 ГОСТ 26645-85
10. Ряд припусков; определяется по таблице 14 ГОСТ 26645-85
11. Припуск чистовой, мм; определяется по таблице 6 ГОСТ 26645-85

1.4.2 Выбор припусков на механическую обработку для отливки «Диффузор»

Исходные данные: отливка «Диффузор», материал ВХ4Л-ВИ, наибольший габаритный размер Ш532 мм, масса 12 кг, отливка сложная, способ литья по выплавляемым моделям, уровень механизации производства - машинное поточно-механизированное.

1) По таблице 9 для заданного технологического процесса, габаритного размера Ш532 мм и материала ВХ4Л-ВИ находим интервал класса точности размеров 7-11, согласно примечанию выбираем КР 11.

2) По таблице 10 находим степень коробления отливки. За высоту принимается h=64 мм, а за длину L=532 мм. Таким образом, . Для отношения с учётом одноразовой формы и термообработки отливки попадаем в интервал 5-8, в соответствии с примечанием принимаем СК 8.

3) По таблице 11 для заданного технологического процесса, габаритного размера Ш532 мм и материала ВХ4Л-ВИ находим интервал степеней точности поверхности 8-13. С учетом примечания принимаем СП 13.

Таблица 1.3 - Определение допусков и припусков на обработку для обрабатываемых поверхностей отливки «крышка верхняя»

Последовательность назначения	А	В	С	D	E	F	G
1. Схема механической обработки	I	I	I	I	I	I	I
2. Вид размера ВР	I	I	I	I	I	I	I
3. Номинальный размер от базы до обрабатываемой поверхности, мм	51	13	Ш532	Ш504	Ш436	Ш423	Ш430
4. Класс точности размера КР	10	10	11	11	11	11	11
5. Допуск размера, Т0, мм; определяется по таблице 1 ГОСТ 26645-85	2,4	1,6	5,6	5,6	5,6	5,6	5,6
6. Другие допуски: допуск формы поверхности (от коробления) - номинальный размер нормируемого участка, мм - степень коробления СК - допуск формы Тф , мм; определяется по таблице 2 ГОСТ 26645-85	Ш532 8 0,64	Ш532 8 0,64	64 8 3,2	64 8 3,2	64 8 2,4	64 8 2,4	64 8 2,4
7. Общий допуск Тобщ , мм, определяется по таблице 16 ГОСТ 26645-85	3,04	2,24	8,8	8,8	8	8	8
8. Общий допуск при назначении припуска	3,04	2,24	8,8	8,8	8	8	8
9. Степень точности поверхности СП; определяется по таблице 11 ГОСТ 26645-85	11	11	13	13	13	13	13
10. Ряд припусков; определяется по таблице 14 ГОСТ 26645-85	6	6	7	7	7	7	7
11. Припуск чистовой, мм; определяется по таблице 6 ГОСТ 26645-85	4,0	3,3	9,3	9,3	8,5	8,5	8,5

По таблице 13 для заданного технологического процесса, номинальной массы 12 кг и материала ВХ4Л-ВИ находим интервал классов точности массы 6-13т, с учетом примечания принимаем КМ 10.

Точность отливки: 11-8-13-10 ГОСТ 26645-85.

4) Для обрабатываемых поверхностей необходимо определить ряд припуска РП. По таблице 14 находим для степени точности поверхности СП 13 интервал ряда припусков 5-8, с учётом примечания принимаем РП 7.

5) Определение припусков производим для семи обрабатываемых поверхностей.

1.5 Выбор типа литниково-питающей системы

При выборе конструкции ЛПС необходимо стремиться к соблюдению принципиальных положений, направленных на получение годных отливок и на экономичность их производства:

1) обеспечить принцип направленного затвердевания, т.е. последовательного затвердевания от наиболее тонких частей отливки через ее массивные узлы к прибыли, которая должна затвердевать последней;

2) наиболее протяженные стенки и тонкие кромки ориентировать в форме вертикально, т.е. наиболее благоприятно для их спокойного и надежного заполнения;

3) создать условия для экономичного и механизированного производства отливок.

ЛПС отливки «Диффузор» при литье по выплавляемым моделям состоит из известных традиционных элементов: литниковой воронки, стояка, зумпфа и литниковых ходов, прибылей и коллекторов. Благодаря характерной для литья по выплавляемым моделям неразъемной форме указанные конструктивные элементы удается расположить наиболее эффективно, максимально используя объем формы.

ЛПС, применяемые в современном производстве отливок литьем по выплавляемым моделям, разделены на восемь типов. Учитывая приоритет процесса питания над процессом заполнения, за основу деления ЛПС взят вид того элемента, от которого непосредственно осуществляется питание отливки.

Тип VIII. Система местных прибылей. Каждая прибыль в ЛПС этого типа питает отдельный узел или участок протяженного узла сравнительно крупной отливки (габаритный размер Ш532 мм) корпусного типа. Заливают ее обычно через стояк с литниковыми ходами. Система местных прибылей при развитой в пространстве отливке позволяет наиболее эффективно использовать ЛПС путем приближения прибылей непосредственно к питаемым ими участкам, также достаточно полно учесть взаимное обогревающее влияние элементов отливки и ЛПС.

Отливка «диффузор» с системой местных верхних и нижних прибылей над стойками, центральным стояком и подводом металла в прибыли через коллекторы.

Рисунок 1.2 - Блок в сборе

1.6 Расчет литниково-питающей системы

Сложность проведения расчетов размеров ЛПС для отливок, изготавливаемых по методу литья по выплавляемым моделям заключается, прежде всего в том, что очень часто невозможно провести границу между элементами питания и заполнения, что обычно делается при проведении подобных расчетов, например, при литье в песчаные формы. Действительно, при изготовлении отливок с использованием ЛПС с центральным стояком, питатель является одновременно и подводящим элементом и питающим (шейкой прибыли), что необходимо учитывать при проведении расчетов.

На производстве для определения исполняемых размеров литниково-питающих систем используются в основном приближенные методы, сущность которых заключается в следующем: отливку совместно с ЛПС рассматривают как состоящую из конечного числа конструктивных элементов простой геометрической формы: стенок, брусьев, цилиндров и т.д. Инженерная задача сводится к тому, чтобы, минуя исследование процесса образования усадочных дефектов, принципиально оценить последовательность затвердевания конструктивных элементов, расположить их в соответствии с принципом направленного затвердевания и, в конечном счете, вывести усадочную раковину в прибыль. На основании обобщения многочисленных экспериментальных данных и результатов деятельности литейных цехов получены эмпирические зависимости, которые и легли в основу разработанных методов расчета размеров ЛПС.

1.6.1 Метод вписанных сфер

В методе вписанных сфер условно принимается, что диаметр сферы D, вписанной в тело отливки, или ее массивный узел, отражает относительную продолжительность затвердевания на рассматриваемом участке. Принцип направленного затвердевания считается выдержанным, если диаметр вписанной сферы постепенно увеличивается в направлении от торцевой части отливки к прибыли. Другими словами, для обеспечения плотного металла необходимо, чтобы на любом n-ом участке тела отливки и ЛПС соблюдалось условие:

Dn-1 < Dn < Dn+1, (1.1)

где Dn-1, Dn, Dn+1 - диаметры вписанных сфер на рассматриваемых участках соответственно n-ом, прилежащих к n-ому со стороны торца отливки и со стороны прибыли.

Расчет ЛПС по диаметрам вписанных сфер применительно к литью по выплавляемым моделям разработан Лященко Н.Н. Основные расчетные формулы представлены в таблице 1.4. Коэффициенты k1, k2, k3, отражающие характер и величину усадки сплава, представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.4 - Формулы для расчета размеров ЛПС

Конструктивный элемент	Характерный размер	Расчетные формулы для узла
		компактного	протяженного
Отливка или массивные узлы	Диаметры сферы, вписанной в верхний узел Dу	Определяется по чертежу отливки
Шейка прибыли	Толщина (диаметр) aш Ширина bш Высота hш	аш= (1-1,2)•Dу
		bш= aш	bш=(3-4)•Dу
		hш=(0,4-0,5)•Dу
Прибыль	Толщина нижнего основания aп Ширина нижнего основания bп Угол при вершине конуса б Высота прибыли закрытой hпз открытой hпо Радиус действия прибыли rд Ширина верхней части прибыли aп'	aп=k1Dу
		bп=aп	bп=bш+(k1-1)•Dу
		б=(10-15)o hпз=(2,5-3)•Dу hпо=(3-3,5) •Dу rд=k3 Dу По построению
Выпор	Диаметр dвып	dвып=(0,2-0,4)•aп'
Отливка	Диаметры сферы, вписанной в нижний узел Dу'	Определяется по чертежу отливки

Таблица 1.5 - Значения коэфициентов k1, k2, k3

Коэффициент	Высоколегированные стали	Жаропрочные сплавы
k1	1,8	1,9
k2	1,3	1,35
k3	2,5	2,8

С целью сокращения расхода металла и высоты блока целесообразно применение закрытых прибылей с выпорами. Прибыль присоединяют к отливке через шейку, которая служит для некоторого отдаления от прибыли от теплового узла. При близком расположении к узлу отливки прибыль разогревает узел, последний фактически становится придатком прибыли и содержит хвостовую часть усадочной раковины, которая может глубоко внедриться в стенку отливки.

При массивных узлах большой протяженности - кольцевых, следует устанавливать несколько прибылей с учетом радиуса их действия.

Для непрерывного поступления снизу свежих порций металла, компенсирующего усадку, необходимо, чтобы в течение всего периода затвердевания в литниковом ходе и питателе сохранялся гидростатический напор, создаваемый в стояке. Для этого поперечный размер стояка должен быть больше, чем литникового хода. Высоту утолщенной части стояка hс целесообразно принимать минимальной, так как более тонкий стояк позволяет быстрее создать высокий гидростатический напор, необходимый для заполнения тонкостенных участков отливки, и экономичнее.

1.6.2 Расчет элементов питания

Методом вписанных сфер рассчитаем прибыли ЛПС типа VIII для отливки «диффузор» из сплава ВХ4Л-ВИ; отливка представляет собой массивное двустенное кольцо с минимальной толщиной стенки 5 мм, диаметр наружный 532 мм и внутренний 423 мм; стенки «Диффузора» соединены перемычками.

1) Расчет шейки верхней прибыли. Диаметр вписанной в узел сферы по чертежу Dу=16 мм (внутреннего кольца) и Dу=16 мм (внешнего кольца). Тогда толщина шейки прибыли

aш=(1…1,2) •Dу, (1.2)

aш=(1…1,2)•16=16…19,2 мм,

aш=(1…1,2)•28=28…33,6 мм.

Имея в виду ограничение шейки прибыли шириной кольца, принимаем aш=19 мм и aш=31 мм. Ширина шейки прибыли для кольца, представляющего собой протяженный узел

bш=(3…4)•Dу, (1.3)

bш=(3…4)•16=48…64 мм,

bш=(3…4)•28=84…112 мм;

принимаем bш=84 мм, т.к. шейки отдельных узлов подводятся к общей прибыли, при этом условие питания металлом большего узла не должно нарушаться.

2) Высота шейки прибыли

hш=(0,4…0,5)•Dу, (1.4)

hш=(0,4…0,5)•16=6,4…8 мм,

hш=(0,4…0,5)•28=11,2…14 мм;

принимаем hш=12 мм, т.к. шейки отдельных узлов подводятся к общей прибыли, при этом условие питания металлом большего узла не должно нарушаться.

3) Расчет прибыли. Выбираем закрытую прибыль, ее высота

hп=(2,5…3)•Dу, (1.5)

hп=(2,5…3)•16=40…48 мм,

hп=(2,5…3)•28=70…84 мм;

принимаем hп=70 мм, т.к. шейки отдельных узлов подводятся к общей прибыли, при этом условие питания металлом большего узла не должно нарушаться.

Толщина и ширина нижнего основания прибыли

aп=k1Dу, (1.6)

aп=1,9•16=28,8 мм,

aп=1,9•28=50,4 мм,

bп=bш+(k1-1)•Dу, (1.7)

bп=84+(1,8-1)•16=96,8 мм,

bп=84+(1,8-1)•28=106,4 мм.

4) Расчет числа прибылей. Радиус действия прибыли

rд=k3•Dу, (1.8)

rд=2,8•16=40 мм,

rд=2,8•28=70 мм.

В этом случае необходимо учитывать работу прибыли, оказывающей меньший эффект, значит, расстояние между прибылями должно быть

(1.9)

мм.

Протяженность внутренней границы кольца

р423=1328,22 мм;

шаг по шейкам прибылей

(1.10)

мм.

Отсюда прибылей, т.к. количество перемычек, соединяющих кольца «Диффузора», равно двенадцати, то целесообразно принять 12 прибылей.

По построению ширина верхней части закрытой прибыли при б=10o составляет aп'=41 мм и aп'=62,6 мм.

Таблица 1.6 - размеры ЛПС отливки «Диффузор»

Конструктивный элемент	Характерный размер	Расчетные значения элементов ЛПС, мм
		Верхний подвод	Нижний подвод
Массивные узлы	Dу	16 и 28	12 и 16
Шейка прибыли	aш bш hш	19 и 31 84 12	13 и 19 48 7
Прибыль	aп bп б hп rд aп'	28,8 и 50,4 96,8 и 106,4 10° 70 40 41 и 62,6	21,6 и 28,8 57,6 и 60,8 10° 40 30 28,6 и 35,8

1.6.3 Расчет времени затвердевания отливки

Время затвердевания отливки определяется по формуле:

, (1.11)

где с1 - плотность твердого металла, кг/м3; с1=7420 кг/м3;

Х1 - характерный размер отливки, м; Х1=0,0025 м;

qкр - теплота кристаллизации, Дж/кг; qкр=250 кДж/кг;

сж - удельная теплоемкость жидкого металла, Дж/(кг К); сж=630 Дж/(кг К);

Дtпер=tзал-tкр - величина перегрева металла при заливке над температурой кристаллизации, К; Дtпер=1540-1328=212 єС;

b2 - теплоаккумулирующая способность формы, Вт*с0,5/(м2*К); b2=1560 Вт*с0,5/(м2*К);

tкр=0,5(tлик+tсол)=0,5(1350+1305)=1328 С; tкр=1328 єС;

tлик и tсол - температуры ликвидус и солидус сплава соответственно;

t2ф - температура формы перед заливкой; t2ф=850 єС;

1.6.4 Обеспечение заполняемости

Литниковые каналы должны обеспечивать хорошую заполняемость литейной формы, включая узкие полости, и предупреждать попадание в отливку воздуха и плотных неметаллических включений. Кроме того, в литниковых каналах должны удерживаться частицы засора, которые попадают в полость формы через литниковую воронку до заливки.

При изготовлении отливки «диффузор» со стенками толщиной от 5 мм ЛПС не содержит элементов, регулирующих скорость заливки. Требующуюся удельную скорость заливки можно вычислить по эмпирической формуле

 (1.12)

где k4 - коэффициент пропорциональности; при подводе металла сверху k4=0,05;

а ст, lст - толщина и наибольшая протяженность тонкой стенки отливки,

аст=5 мм, lст=1613 мм.

Продолжительность заливки отливки данного типа определяется по формуле

(1.13)

где сж, сж - плотность жидкого металла, кг/м3, и удельная теплоемкость, Дж/(кг•°С) расплава, сж=7420 кг/м3, сж=630 Дж/(кг•°С);

- температура расплава в начале и конце заливки, °С,

- коэффициент аккумуляции теплоты для материала формы, Вт*с0,5/(м2*К), b2=1560 Вт*с0,5/(м2*К);

- начальная температура формы, °С, t2н=850 єС.

1.6.5 Анализ литниково-питающих систем

От ЛПС зависят трудоемкость изготовления отливок и деталей из них, расход металла и вспомогательных материалов, потребление электрической и других видов энергии, эффективность использования производственных площадей и оборудования. Улучшение этих факторов благоприятно отражается на степени охраны окружающей среды.

1.6.6 Сравнительный анализ вариантов ЛПС

Производство однотипных литых деталей обычно может быть обеспечено при использовании различных вариантов ЛПС. Намечая несколько вариантов и сравнивая их между собой, можно выбрать наиболее экономичный. Варианты сравнивают по нескольким показателям.

Вариант для сравнения: отливка «Диффузор» с системой местных верхних прибылей над стойками, центральным стояком и подводом металла в прибыли через коллектор.

Выбор припусков на механическую обработку, типа литниково-питающей системы (тип VIII - система местных прибылей), расчет элементов питания отливки методом вписанных сфер в данном случае будут аналогичны предыдущему варианту.

Рисунок 1.3 - Блок в сборе

Расчет времени затвердевания отливки изменится за счет уменьшения объема и площади заполнения металлом. Удельная скорость заливки:

 (1.14)

Продолжительность заливки отливки:

(1.15)

Выход годного определяют по уравнению:

, (1.16)

где G0 - масса единичной отливки, кг, G0=12 кг;

Gлпс - масса литниково-питающей системы, кг, Gлпс=48 кг и Gлпс=42 кг;

Gщ - масса шихты, кг, Gщ=(G0+Gлпс)•1,06, Gщ= 63,6 кг и Gщ=44,52 кг;

N0 - число отливок в блоке.

,

.

Соответственно металлоемкости по вариантам составят

, (1.17)

кг/отл,

кг/отл.

Вариант 2 экономичнее по металлоемкости в сравнении с вариантом 1:

, (1.18)

кг/отл,

кг/отл,

т.е. на 156 % массы отливки.

Показатель ВГ достаточно хорошо отражает металлоемкость ЛПС без учета брака. Это позволяет сравнивать варианты до реализации их в производстве. Однако, ВГ недостаточно полно отражает металлоемкость ЛПС с учетом брака или изменения G0. ВГ может быть улучшен путем снижения не только удельной массы ЛПС, но и массы бракованных отливок, или путем задания излишних напусков и припусков на механическую обработку. Также увеличение высоты стояка закономерно приводит к снижению трудоемкости изготовления отливок благодаря сокращению числа спаев при звеньевой сборке моделей.

1.6.7 Отработка литниково-питающей системы

Даже тщательно спроектированная ЛПС требует доработки по результатам изготовления пробных отливок. При отработке технологического процесса следует исходить из того, что ЛПС с отливкой «диффузор» представляет собой уникальный комплекс, в котором небольшие, на первый взгляд, изменения размеров могут существенно отразиться на качестве отливки. Отметим некоторые практические приемы, направленные на устранение характерных дефектов в отливках.

Неметаллические включения могут заноситься в форму при заполнении ее потоком высокой турбулентности, характеризуемой известным числом Рейнольдса Re=v/4R/v. Уровень поражения отливок неметаллическими включениями может быть снижен путем сокращения Re в 1,2-1,5 раза. При этом во избежание увеличения брака отливок по недоливу и усадочной раковине, необходимо соблюдать удельную скорость заливки Qзал. При отработанной технологии условные значению Re, рассчитанные по скорости подъема расплава в полости формы соответствующей отливке, обычно не превышают 2300.

Коробление отливок. При этом виде дефекта влияние ЛПС носит частный характер - при горизонтальном расположении модели 50 % отливок прогибаются под действием силы тяжести.

1.7 Выбор модельных составов

Для получения моделей отливок и литниково-питающих систем используют различные модельные составы, которые должны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать свойствами, обеспечивающими высокое качество моделей и, следовательно отливок, т.е. быть механически однородными, иметь минимальные: усадку при охлаждении, расширение при нагревании (температура размягчения должна быть выше 40С? и зольность менее 0,02%); иметь высокую жидкотекучесть и в вязкопластичном состоянии; не взаимодействовать с материалом пресс-формы и суспензий, хорошо смачиваться суспензией; обладать свойствами, обеспечивающими возможность применения наиболее простых и экономических режимов изготовления и эксплуатации моделей, то есть иметь температуру плавления 50…90 С?, высокие теплопроводность и жидкотекучесть, как в расплавленном так и пастообразном состоянии, минимальное время затвердевания в пресс-форме, не должны прилипать к её поверхности, хорошо спаиваться при сборке моделей в блоки; должны быть безвредными, а входящие в их состав компоненты - дешевыми, недефицитными.

Исходя из указанных требований для моделей отливок используется модельная масса А7-FR/60, для моделей литниковых систем КС2683.

Таблица 1.7 - Модельные составы для отливки «Диффузор»

Модельный состав	Описание	Растворимость в воде	Плавление, °С
А7-FR/60	Воск в зеленых гранулах	Не растворим	70-73
КС2683	Твердый воск с легким запахом	Не растворим	145 ±6

1.8 Выбор связующего и огнеупорного покрытия

Связующие должны обладать следующими свойствами:

1) смачивать поверхность модели;

2) не растворять модель и не вступать в химическое взаимодействие с составляющими модельного состава;

3) иметь достaтoчно высокую вязкость;

4) оксиды связующего и обсыпочных материалов должны быть инертны к зaливaемым сплавам и присутствующим в них оксидам.

Таблица 1.8 - Исходные материалы для гидролизата этилсиликата

Наименование материала	ТУ или ГОСТ	Содержание материала в гидролизованном этилсиликате
		л	объемный,%	кг	% по массе
ЭТС-40	ГОСТ 51174-71	1,0	33,2	1,05	39,7
Этиловый спирт	ГОСТ 18300-72	2,0	66,3	1,58	59,7
Кислота соляная	ГОСТ 3118-77	0,015	0,5	0,018	0,6
Вода дистиллированная		-	-	-	-

Таблица 1.9 - Исходные материалы для приготовления суспензии

Наименование материала	Марка, ТУ или ГОСТ	Содержание, % по массе
ЭТС-40 гидролизованный	ГОСТ 51174-71	30-40
Дистенсиллиманит порошкообразный	«ДСК-П» ТУ48-4-307-74	60-70

Для обсыпки используется электрокорунд:

1) 1-й слой - зерно № 12;

2) 2-й слой - зерно № 20…32;

3) 3-й слой - зерно № 40…50;

4) 4-й слой - зерно № 50;

5) 5-й слой - зерно № 50…63;

6) 12-й слой - без обсыпки.

Для изготовления оболочковой формы используют следующие огнеупорные материалы: мелкодисперсную основу суспензии, обсыпку и опорный материaл.

Общими требованиями к огнеупорным материалам для оболочковых форм являются:

1) высокая огнеупорность (как правило, не ниже 1500 °С);

2) низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР);

3) отсутствие полиморфных превращений при нагревании и охлаждении;

4) химическая стойкость при нагревании.

1.10 Выбор материала отливки

Для исследования была выбрана фасонная отливка «Диффузор» из сплава ВХ4Л-ВИ, химический состав которого представлен в таблице 1.10.

Таблица 1.10 - Химический состав сплава ВХ4Л-ВИ

Элемент	Массовая доля элемента, %
Никель	Основа
Хром	32,00-35,00
Вольфрам	4,30-5,50
Железо	не более 0,50
Молибден	2,30-3,50
Ниобий	0,70-1,30
Марганец	не более 0,50
Кремний	не более 0,30
Титан	0,70-1,30
Алюминий	0,70-1,30
Углерод	0,03-0,10
Фосфор	не более 0,015
Сера	не более 0,01

Свойства сплава ВХ4Л-ВИ представлены в таблицах 1.11 - 1.14.

Тлик=1350 °С

Тсол=1305 °С

Таблица 1.11 - Теплоемкость, С

t, °С	600	1000	1400
С, Дж/(кг•°С)	470	550	630

Таблица 1.12 - Теплопроводность, л

t, °С	л, Вт/(м•°С)
600	23,0
800	25,5
900	28,0
1000	29,0
1200	32,0
1400	35,0

Таблица 1.13 - Плотность, с

t, °С	с, кг/м3
600	8100
800	8050
1000	7950
1200	7900
1500	7420

Таблица 1.14 - Коэффициент линейного расширения

t, °С	КЛР, 10-6/°С
800	16,4
1000	16,7
1200	22,5

1.11 Контроль и исправление дефектов отливок

Отливки из жаропрочных сплавов относятся к группе особо ответственных, работающих при максимально возможных для данного сплава нагрузках, поломка которых ведет к аварии машины. Для обеспечения заданной надежности «Диффузора» должен проводиться контроль на самом высоком уровне требований к качеству. Для таких отливок предусмотрены следующие виды контроля качества:

1) контроль химического состава сплава;

2) визуальный контроль поверхности отливок;

3) контроль геометрии;

4) определение механических и специальных свойств сплава;

5) выявление внутренних и поверхностных дефектов, невидимых невооруженным взглядом.

При осуществлении контроля выявляются исправимые и неисправимые дефекты отливок. Отливки с неисправимыми дефектами бракуются и поступают на шихтовой двор для переплава.

Заварка дефектов. Наружные раковины могут быть поправлены заваркой. Трещины и спаи исправлять заваркой не рекомендуется. Заварку проводят методом электросварки, используя электроды из того же сплава, из которого выполнена отливка. Дефектное место отливки слесарным методом зачищают на всю глубину залегания дефекта до чистого металла, а затем заваривают с последующей зачисткой места заварки вровень с поверхностью отливки. Отливки из жаропрочных сплавов перед заваркой нагревают до 600-6500С. Отливки после зачистки и заварки термически обрабатывают для снятия напряжений.

1.12 Анализ брака при отливке деталей

Общий брак при изготовлении отливки «Диффузор» составил 50%.

Если весь брак принять за 100%, то распределение по виду дефекта представлено на рисуноке 1.4:

На основе анализа представленных данных можно сделать вывод о том, что большая часть отливок бракуется по причине наличия засоров, рыхлоты и несоответствия геометрии. Поэтому, необходимо разработать мероприятия по устранению данных видов дефектов.

Рисунок 1.4 - Диаграмма брака отливки-представителя

2 Разработка мероприятий повышения качества отливок типа «Диффузор» на основе методов статистического анализа

2.1 Анализ литературных и производственных данных

В соответствии с ГОСТ 15467-79, качество продукции - это совокупность свойств продукции, обусловливающих ее способность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Это определение является общим и вполне приемлемо для отливок. Из него следует, что качество отливок должно оцениваться комплексом показателей, которые устанавливают и назначают, исходя, прежде всего, из условий эксплуатации изделий. Наряду с качеством продукция (отливки) должна обладать необходимой надежностью. Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах, условиях применения (эксплуатации) и технического обслуживания. Основными показателями надежности являются безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Следовательно, показатели надежности определяют реальную эффективность эксплуатации изделий.

Таким образом, качество и надежность - это два взаимодополняющих понятия, которые, наряду с экономическими показателями, определяют эффективность эксплуатации и конкурентоспособность современной техники, в частности, газотурбинных двигателей. Учитывая специфику эксплуатации авиационных ГТД и жесткие требования по обеспечению безопасности полетов, проблема обеспечения и повышения их качества и надежности является актуальной и требует постоянного внимания на всех этапах технологического процесса изготовления ГТД и его эксплуатации.

В соответствии с рекомендациями ИКАО (международная организация гражданской авиации) [2], уровень безопасности полетов может быть обеспечен при достижении вероятности катастрофической ситуации не выше 10-7, что допускает одну катастрофу на десять миллионов полетов. Решение проблемы безопасности полетов в гражданской авиации возможно только на основе комплексного подхода обеспечения качества изделий и использования систем диагностики состояния ГТД в процессе эксплуатации. Высокий уровень требований, предъявляемых к качеству фасонных отливок, обусловливает необходимость проведения тотального, всеобщего технического контроля на всех стадиях производственного цикла литья по выплавляемым моделям. Это предусматривает:

1) входной контроль исходных материалов и оснастки;

2) пооперационный контроль параметров технологических процессов;

3) окончательный контроль качества отливок.

Разнообразие применяемых в процессе ЛВМ технологических материалов, сложность, многооперационность данного процесса (25-30 подготовительных и технологических операций, не считая операций контроля), требуют применения большого количества как стандартных, так и специальных, созданных непосредственно для ЛВМ, методик контроля.

В связи с высокими требованиями к размерной точности и качеству поверхности отливок, получаемых ЛВМ, систематическому контролю должны подвергаться исходные модельные и формовочные материалы и их композиции. Модельные композиции должны обладать свойствами, обеспечивающими высокое качество моделей и, следовательно, отливок. Процесс охлаждения моделей от температуры окружающей среды сопровождается изменением размеров моделей вследствие усадки. При этом из-за низкой теплопроводности модельного состава длительность охлаждения от температуры 100 °С до температуры 20 °С составляет от 2 до 8 часов. Недостаточная выдержка приводит к короблению моделей после нанесения на них оболочки. Это приводит к отслоению и растрескиванию оболочек, поэтому при производстве ответственных фасонных отливок должен проводиться стопроцентный контроль геометрии моделей перед сборкой в блок. Целесообразно так же организовать контроль технологического процесса и технологической оснастки, что обеспечит необходимое качество моделей и уменьшит количество дефектных отливок. В настоящее время для оценки качества исходных модельных материалов и их композиций используется более 15 показателей - свойств [3, 4, 5]. Все эти свойства можно разделить на три основные группы: технологические (температура плавления, каплеобразования, размягчения, усадка, жидкотекучесть, время затвердевания); реологические и физико-механические (плотность, вязкость, пластичность, прочность, твердость); показатели химической активности (коксуемость, зольность, кислотное число, число омыления) и содержания примесей (воды, масла, воздуха).

Основные принципы и методы определения показателей качества модельных материалов и их композиций изложены в работах [3, 4]. Некоторые из рекомендуемых методик стандартизованы. Например, вязкость определяют ГОСТ 9070-75, ГОСТ 7163-84, усадку по ГОСТ 18616-80, температуру плавления по ГОСТ 4255-75 и ГОСТ 23683-89, зольность по ГОСТ 1461-75, коксуемость по ГОСТ 8852-74, кислотное число по ГОСТ 5985-79, число омыления по ГОСТ 21749-76, содержание воды по ГОСТ 2477-65, содержание масла ГОСТ 9090-81, содержание водорастворимых кислот и щелочей по ГОСТ 7-75. Поэтому при разработке систем контроля и управления качеством отливок необходимо руководствоваться требованиями и рекомендациями ГОСТ. В настоящее время в условиях рыночной экономики и требований, предъявляемых к экологии, одной из наиболее важных проблем в литейном производстве является проблема регенерации и вторичного использования материалов, в числе и модельных композиций. Поэтому, кроме перечисленных требований, к модельным композициям должны предъявляться требования по регененерируемости. Эта проблема впервые обсуждалась на международном симпозиуме по точному литью "ПРЕКАСТ-91" [5].

Одним из условий получения качественных моделей является контроль и регулирование основных технологических режимов запрессовки - температуры модельного состава, давления запрессовки, времени выдержки модели в пресс-форме, температуры пресс-формы.

Контроль качества моделей и модельных блоков включает в себя визуальный и инструментальный контроль геометрии, акустический контроль по ГОСТ 25714-83 [3].

Технологические операции по изготовлению керамических оболочковых форм для ЛВМ занимают центральное место в общей схеме технологического процесса, являются наиболее сложными и ответственными. Доля брака отливок по вине формы составляет более 50 % от общего уровня брака [3]. Это обусловливает необходимость тщательного и всестороннего контроля материалов и параметров технологических процессов при изготовлении керамических форм. Основными исходными материалами для изготовления форм для фасонных отливок являются материалы огнеупорной основы - электрокорунд белый, дистенсиллиманит марок КДСП и КДСЗ, циркон, высокоглиноземистый шамот; связующие - растворы на основе этилсиликата, марок ЭТС-32, ЭТС-40, ЭТС-50 с добавками ацетона и соляной кислоты или готовые связующие марок ГС20Э, ГС 127.

В общей системе контроля и управления качеством продукции все исходные материалы для изготовления форм должны проходить входной (нулевой) контроль в соответствии с требованиями ГОСТ или ТУ (таблица 2.1).

Огнеупорные материалы для изготовления форм контролируют общеизвестными методами - определение зернистости (сухое и мокрое рассеивание, оптические методы, методы седиментации) и содержание примесей. Порошковые материалы (электрокорунд, дистенсиллиманит, циркон, высокоглиноземистый шамот) необходимо характеризовать по гранулометрическому составу путем рассеивания (ГОСТ 26421-85).

Действующими техническими условиями ТУ 6-02-1-583-88 определен только один показатель готовности связующих - время гелеобразования (для ЭТС-40 ГОСТ 26371-84). Однако, предлагаемая стандартом методика оценки этилсиликата длительна (3-5 часов), весьма субъективна и не позволяет достаточно достоверно прогнозировать технологические свойства [6].

Таблица 2.1 - Свойства исходных формовочных материалов

Материал	Основные свойства
(химическая формула)	ГОСТ, ОСТ,	tпл, °С	с, кг/м3	б•106,	S,
	ТУ			1/°С	мм2/кг
Белый электрокорунд	ГОСТ	2050	3900	806	600-700
(бА2О3)	3647-80
Дистенсиллиманит	ТУ	1545	3250	5,6	500-600
(А12О3-SiO2)	48.4.307-74
Циркон (ZrO2-SiO 2)	ОСТ	1800	4570	5,1	600-800
	48-82-81
Высокоглиноземистый	ТУ	1810	3000	5,3	-
шамот (ЗА12О3- SiO 2)	37.002.0010-80
Этилсиликат ЭТС40	ГОСТ	-	1050 -	-	-
	26371-84		1070
Этилсиликат ЭТС32	ТУ	-	-	-	-
	6.02.895-78
Готовое связующее	ТУ	-	-	-	-
ГС20Э, ГС127	6.02.1.583-88

Один из показателей качества этилсиликата - содержание в нем диоксида кремния. Сущность метода определения диоксида кремния заключается в выделении из этилсиликата в кислой среде осадка диоксида кремния с последующим его прокаливанием. Анализ этилсиликата проводится с использованием хроматографии. Для определения содержания хлористого водорода в этилсиликате используется объемный метод с применением нитрата серебра (РД 37-002).

Все связующие в зависимости от способности к высыханию на воздухе делятся на три группы [7]: невысыхающие, высыхающие, длительно высыхающие. Критерием принадлежности к той или иной группе является значение показателя времени ге...