Метод центробежного литья. Методы обработки металлов давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный технический университет»

Кафедра технологии материалов

Семестровое задание на тему

«Метод центробежного литья. Методы обработки металлов давлением»

Волгоград, 2013.

Центробежное литьё

Центробежный метод литья (центробежное литье) используется при получении отливок, имеющих форму тел вращения. Подобные отливки отливаются из чугуна, стали, бронзы и алюминия. При этом расплав заливают в металлическую форму, вращающуюся со скоростью 3000 об/мин.

Принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение формы расплавом и формирование отливки происходят при вращении формы вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси, либо при ее вращении по сложной траектории. Этим достигается дополнительное воздействие на расплав и затвердевающую отливку поля центробежных сил. Процесс реализуется на специальных центробежных машинах и столах.

Чаше используют два варианта способа, в которых расплав заливается в форму с горизонтальной или вертикальной осью вращения. В первом варианте получают отливки - тела вращения малой и большой протяженности, во втором - тела вращения малой протяженности и фасонные отливки.

Наиболее распространенным является способ литья пустотелых цилиндрических отливок в металлические формы с горизонтальной осью вращения. По этому способу (рисунок 1) отливка 4 формируется в поле центробежных сил со свободной цилиндрической поверхностью, а формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав 1 из ковша 3 заливают во вращающуюся форму 5 через заливочный желоб 2. Расплав растекается по внутренней поверхности формы, образуя под действием поля центробежных сил пустотелый цилиндр. После затвердевания металла и остановки формы отливку 4 извлекают. Данный способ характеризуется наиболее высоким технологическим выходом годного (ТВГ = 100%), так как отсутствует расход металла на литниковую систему.

Рисунок 1. Схема получения отливки при вращении формы вокруг горизонтальной оси: 1 - расплав; 2 - заливочный желоб; 3 - ковш; 4 - отливка; 5 - форма

При получении отливок со свободной параболической поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рисунок 2) расплав из ковша 1 заливают в форму 2, закрепленную на шпинделе 3, приводимом во вращение электродвигателем 4. Расплав 5 под действием центробежных и гравитационных сил распределяется по стенкам формы и затвердевает, после чего вращение формы прекращают и извлекают из нее затвердевшую отливку 6.

Рисунок 2 - Схема получения отливок при вращении формы вокруг вертикальной оси: 1 - ковш; 2 - форма; 3 - шпиндель; 4 - электродвигатель; 5 - расплав; 6 - отливка

Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней (рисунок 3,а) в формах с вертикальной осью вращения. Так отливают, например, венцы зубчатых колес. Расплав из ковша через заливочное отверстие и стояк 1 поступает в центральную полость формы 2, выполненную стержнями 3 и 4, а затем под действием центробежных сил через щелевые питатели - в рабочую полость формы. При этом избыток металла в центральной полости формы 5 выполняет роль прибыли, обеспечивая питание отливки при затвердевании.

Мелкие фасонные отливки можно получать центробежным литьем в песчаные формы (рисунок 3, б). Части формы 1 и 2 устанавливают на центробежный стол и крепят на нем. При необходимости используют стержни 4. Рабочие полости 3 должны располагаться симметрично относительно оси вращения для обеспечения балансировки формы. Расплав заливают через центральный стояк, из которого по радиальным каналам он попадает в полости формы. Технологический выход годного при таком способе литья приближается к выходу годного при литье в песчаные формы. При центробежном литье можно использовать песчаные, металлические, оболочковые и объемные керамические, а также комбинированные формы.

Рисунок 3. Схема получения фасонных отливок: а - венец шестерни: 1 стояк; 2 - центральная полость формы; 3 и 4 - стержни; 5 - прибыль; б - мелкие фасонные отливки: 1 - нижняя полуформа; 2 - верхняя полуформа; 3 рабочая поверхность формы; 4 - стержень

Особенности формирования отливки. Главная особенность формирования отливок при центробежном способе литья заключается в том, что заполнение формы металлом и затвердевание отливки происходят в поле действия центробежных сил, во много раз превосходящих силу тяжести.

В этих условиях если твердые частицы соприкасаются со стенкой формы, они оказываются прижатыми к стенке и уже не всплывают. На этом основано использование сыпучих покрытий для металлических форм при центробежном литье.

Действие центробежных сил необходимо учитывать и при конструировании систем шлакозадержания и питания отливки, например, при получении стальных фасонных отливок центробежной заливкой в песчаные формы.

При изготовлении отливок со свободной поверхностью расплав охлаждается в изложнице неравномерно по объему. Часть теплоты отводится от расплава через стенку изложницы и ее крышку, а часть - конвекцией и излучением со стороны свободной поверхности. Количество теплоты, отводимое в воздушное пространство от свободной поверхности отливки, значительно. Воздух, находящийся в полости отливки, вовлечен в процесс вращения и находится в постоянном движении. Вдоль оси вращения на смену нагретому воздуху поступают порции холодного. Более интенсивная циркуляция воздуха наблюдается в случае вращения формы с расплавом вокруг вертикальной оси вследствие естественного подъема горячего воздуха вверх.

Подобная неравномерность охлаждения, особенно толстостенных отливок, приводит к возникновению конвективных потоков в расплаве: охлажденный и более плотный расплав перемещается от свободной поверхности внутрь затвердевающей отливки, а горячий и менее плотный - наружу. Поэтому конвективные потоки в расплаве циркулируют в радиальном направлении (рисунок 4,а). В условиях центробежного литья это явление наблюдается даже при небольшом различии температур и плотностей металла, так как действующие в этой системе силы возрастают пропорционально величине гравитационного коэффициента. Это способствует направленному затвердеванию отливки в радиальном направлении, которое выражено тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения формы.

При направленном затвердевании от стенок изложницы фронт растущих в радиальном направлении кристаллов находится под значительным избыточным давлением расплава, обусловленным действием поля центробежных сил. Вследствие этого кристаллы растут в направлении поступающего расплава (рисунок 4,б), поэтому они несколько наклонены в сторону по направлению вращения. Давление, развиваемое при вращении расплава, способствует прониканию его в межкристаллитные пространства, что улучшает питание затвердевающей отливки и увеличивает ее плотность. Свободная поверхность расплава затвердевает в последнюю очередь и при горизонтальной оси его вращения форма свободной поверхности остается геометрически правильной - цилиндрической.

Рисунок 4. Схема возникновения конвективных потоков (показаны фигурными стрелками) во вращающемся затвердевающем расплаве (а) и схема кристаллического строения отливки (б): ?l0 - глубина расположения усадочной пористости; стрелкой показано направление вращения изложницы

Инородные частицы (газы, шлак и т.д.), плотность которых меньше плотности расплава, при центробежном литье с большой скоростью всплывают на свободную поверхность расплава. Это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку свободных поверхностей отливок, что является недостатком данного способа литья.

Таким образом, при направленном затвердевании можно получить отливки с плотным строением тела, без усадочных дефектов и инородных включений. Однако центробежные силы способствуют направленному затвердеванию только в тех случаях, если выделяющиеся на свободной поверхности кристаллы твердой фазы имеют большую плотность, чем плотность остального расплава.

Для большинства литейных сплавов это условие соблюдается. Исключение составляют два случая:

когда сплав затвердевает с увеличением объема, например, серый чугун;

когда выделяющиеся из жидкого металла кристаллы обогащены компонентами сплава, имеющими меньшую плотность, чем оставшийся расплав.

Такое явление наблюдается, например, при затвердевании заэвтектических силуминов. В этом случае при содержании кремния в силуминах более 11,7 %, первичные кристаллы обогащены кремнием, плотность которого меньше плотности алюминия. Если эти более легкие кристаллы зародились и выросли на свободной поверхности, то они там и останутся. Если кристаллы зародились в переохлажденном расплаве, за счет разности плотностей расплава и твердой фазы они всплывают. В результате отливка затвердевает от стенок изложницы и со стороны свободной поверхности, и к концу затвердевания вследствие недостатка питания внутри отливки образуются усадочные поры. В этом случае, чем быстрее вращается форма, тем интенсивнее выносятся кристаллы на свободную поверхность и тем глубже располагается усадочная пористость.

Усадочная пористость под свободной поверхностью наблюдается также при изготовлении толстостенных отливок (рисунок 4, б). В тонкостенных отливках большой протяженности глубина расположения зоны усадочной пористости l меньше. Это объясняется соотношением скоростей охлаждения со стороны наружной и внутренней поверхностей отливки. Чем меньше скорость охлаждения внутренней поверхности отливки и больше скорость охлаждения ее со стороны наружной поверхности - тем меньше глубина l.

Скоростью охлаждения отливки можно управлять. Так, с наружной стороны это достигается путем изменения толщины слоя или теплофизических свойств огнеупорного покрытия, изменением скорости охлаждения формы. Со стороны внутренней поверхности с этой целью можно использовать сыпучие огнеупорные материалы или экзотермические смеси.

Таким образом, особенности формирования обливки при центробежном литье сопряжены как с большими преимуществами, так и с недостатками. К преимуществами этого способа можно отнести: возможность улучшения заполняемости форм расплавом под действием давления, развиваемого центробежными силами; повышение плотности отливок вследствие уменьшения количества усадочных пор, раковин, газовых, шлаковых и неметаллических включений; уменьшение расхода металла и повышение выхода годного, благодаря отсутствию литниковой системы при изготовлении отливок типа труб, колец, втулок или уменьшению массы литников при изготовлений фасонных отливок; исключение затрат на стержни при изготовлении отливок типа втулок и труб.

Недостатками способа являются: трудности получения отливок из сплавов, склонных к ликвации; загрязнение свободной поверхности отливок неметаллическими включениями; неточность размеров и необходимость повышенных припусков на обработку свободных поверхностей отливок, вызванная скоплением неметаллических включений в материале отливки вблизи этой поверхности и отклонениями точности дозы расплава, заливаемого в форму.

Наивысшие технико-экономические показатели центробежного способа литья достигаются при получении пустотелых цилиндрических отливок с различными размерами и массой (длиной до нескольких метров и массой до нескольких тонн): труб разного назначения из чугуна, стали, цветных и специальных сплавов; втулок и гильз для стационарных и транспортных дизелей; колец подшипников качения и др. Большое распространение получило центробежное литье для изготовления биметаллических изделий, изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением, при необходимости получения тонкостенных отливок со сложной геометрией и микрорельефом поверхности. К ним относятся, например, турбинные диски с лопатками, отливки художественного и ювелирного назначения.

По сравнению с литьем в неподвижные формы центробежное литье имеет ряд преимуществ: повышаются заполняемость форм, плотность и механические свойства отливок. Однако для его организации необходимо специальное оборудование; недостатки, присущие этому способу литья: неточность размеров свободных поверхностей отливок, повышенная склонность к ликвации компонентов сплава, повышенные требования к прочности литейных форм.

литье отливка центробежный сплав

Способы обработки металлов давлением

Обработкой металлов давлением называют такой вид обработки, при которой заготовке (в нагретом или холодном состоянии) придают заданную форму, размеры и прочностные свойства под действием внешних сил.

Обработка металлов давлением основана на использовании пластичности металлов, т. е. способности их под действием внешних сил необратимо изменять форму и размеры без разрушения. Пластические изменения формы тела называют пластической деформацией.

Пластичность металлов и сплавов зависит от химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации и других факторов. У чистых металлов более высокая пластичность, чем у их сплавов. Пластичность литого металла ниже, чем деформированного, так как структура их различна. При повышении температуры пластичность металлов обычно увеличивается, а прочность снижается, что позволяет легче придать металлу необходимую форму и размеры. Низкая прочность металлов при нагреве снижает затраты механической работы на его деформирование.

С увеличением скорости деформирования до определенной величины пластичность понижается, а при дальнейшем увеличении этой скорости пластичность металла возрастает. Превышение предельной для каждого конкретного случая степени деформирования приводит к появлению трещин, надрывов и других дефектов, связанных с нарушением целостности металла.

В процессе пластического деформирования объем деформируемого металла практически остается неизменным. Деформируемый металл течет (перемещается) главным образом в ту сторону, где он встречает наименьшее сопротивление. Деформирование осуществляется за счет внутренних напряжений, возникающих в металле на так называемых поверхностях скольжения при приложении внешних сил.

В зависимости от формы изготовляемых изделий, свойств обрабатываемого металла и масштабов производства применяют следующие способы обработки металлов давлением: прокатка, волочение, прессование, ковка, объемная и листовая штамповка.

Прокатка заключается в пластическом деформировании металла в горячем или холодном состоянии при пропускании его между вращающимися валками. Заготовка, имеющая большую толщину Н по сравнению с зазором между валками h, силами трения втягивается в зазор, толщина ее уменьшается, а ширина и длина увеличиваются. Прокатку выполняют на специальных машинах -- прокатных станах. Форму поперечного сечения проката называют профилем. Прокаткой изготовляют профили круглой и квадратной формы, рельсы, швеллеры, двутавры, листы и др. Совокупность различных профилей называют сортаментом.

Волочением называют процесс протягивания заготовки с усилием Р через отверстие в матрице, размеры поперечного сечения которого меньше размеров исходной заготовки. Волочение осуществляют на волочильных станках обычно без нагрева заготовки, что позволяет получать изделия с хорошим качеством поверхности. Волочением получают разнообразные пустотелые профили, высококачественные трубы диаметром от 0,2 до 20 мм, проволоку диаметром до 16 мм

Прессование заключается в выдавливании металла, помещенного в замкнутую полость, через отверстие меньшего сечения, чем сечение исходной заготовки. Выдавливание металла нагретой заготовки осуществляется усилием Р пуансона. Металл из контейнера выдавливается через отверстие в матрице, сечение которого определяет профиль полученного изделия.

Рисунок 5. Схемы основных способов обработки металлов давлением: а прокатка, 6 -- волочение, в -- прессование, г -- ковка, д -- объемная штамповка, е -- листовая штамповка; 1, 3, 5, 9, 11 -- заготовки, 2 -- валки, 4, 8, 13 -- матрицы, 6 -- пуансон, 7 -- контейнер, 10 -- бойки, 12, 14 -- штампы.

Прессование применяют при изготовлении прутков, труб и изделий сложных профилей. Прессованию подвергают алюминий, медь и их сплавы, цинк, олово, свинец, а также стали. Прессование сталей осуществляют при температурах горячей обработки давлением. Прессование обычно производят на гидравлических горизонтальных прессах, развивающих усилие до 15 000 кН.

Ковкой называют процесс деформирования горячей заготовки ударами молота, нажатием пресса или ударами кузнечных инстру­ментов вручную. При этом заготовке придают необходимую форму иразмеры. В процессе ковки течение металла заготовки происходит в направлениях V, не ограниченных поверхностями бойков или универсального кузнечного инструмента.

Ковку используют для получения простых и сложных по форме изделий с повышенными механическими свойствами массой от долей килограмма до 300 т, не имеющих точных размеров и высококачественной поверхности. Большинство изготовляемых поковок подвергают механической обработке на металлорежущих станках.

Ковку подразделяют на ручную и машинную. Ручная ковка применяется в мелкосерийном и индивидуальном производстве, при ремонтных работах, изготовлении мелких поковок массой до 8 кг. Производительность при ручной ковке очень низкая.

Ручную ковку выполняют ударами ручника и кувалд, наносимых кузнецом и молотобойцами вручную, без использования каких-либо механизмов и машин для деформирования металла. При этом нагретую заготовку укладывают на наковальню и под ударами ручника и кувалд металл перемещается, принимая заданные форму и размеры. При ручной ковке требуется высокая квалификация кузнеца. Машинная ковка осуществляется на кузнечнопрессовом оборудовании и является основным способом, применяемым в машиностроении, а при обработке поковок массой до 300 т -- единственным способом их изготовления. Ковку мелких (массой до 100 кг) и средних (массой до 2000 кг) поковок выполняют на ковочных молотах с массой падающих частей до 5 т. Крупные (массой более 2000 кг) поковки куют на ковочных гидравлических и парогидравлических прессах, развивающих усилие до 98,1 МН и более.

Машинная ковка осуществляется ударами падающих частей ковочного молота или давлением пресса, под воздействием которых металл пластически деформируется. В этом случае роль наковальни выполняет нижний неподвижный боек молота, а верхний под­вижный при падении ударяет (на молоте) или нажимает (на прессе), выполняя роль кувалды и ручника. Под воздействием ударов или нажатия верхнего бойка металл заготовки деформируется и в процессе ковки принимает заданные размеры и форму.

Штамповкой называют процесс деформирования металла в штампах. Различают объемную и листовую штамповку.

При объемной штамповке предварительно нагретую заготовку деформируют в замкнутой полости специализированного инструмента -- штампов, имеющих специальные полости-ручьи, по форме соответствующие форме будущей поковки. В процессе деформирования заготовки металл заполняет полости штампов и принимает их форму. Горячую объемную штамповку осуществляют штампах, устанавливаемых на молотах, прессах или горизонтально-ковочных машинах.

При объемной штамповке получают поковки, точность размеров и качество поверхности которых значительно выше, чем при ковке, а производительность горячей штамповки в несколько раз выше, чем при ручной и машинной ковке. Изготовлять поковки объемной штамповкой может кузнец-штамповщик более низкой квалификации по сравнению с квалификацией кузнеца ручной и машинной ковки. Объемная штамповка является одним из наиболее прогрессивных способов обработки металлов давлением. Однако объемную штамповку целесообразно применять в серийном, крупносерийном и массовом производствах и нецелесообразно -- в мелкосерийном и индивидуальном, так как затраты на изготовление штампов окупаются только в случае производства большого количества поковок.

При листовой штамповке изделия и детали изготовляют с помощью штампов из листового материала, ленты или полосы. В процессе листовой штамповки заготовке обычно в холодном состоянии изменяют форму или разрезают ее с помощью штампов. Листовая штамповка обеспечивает высокую производительность труда, позволяет автоматизировать штамповочные работы, обеспечивает получение деталей с высокой точностью и хорошим качеством поверхности, которые поступают на сборку, как правило, без дополнительной механической обработки.

Список литературы

1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.

2. Юдин С.Б., Розенфельд С.Е., Левин М.М. Центробежное литье. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1972. 279 с.

3. Основы производства и обработки металлов. / Под редакцией проф. И.Б. Куманина: М.: Машиностроение, 1971.

4. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов.- 4-е изд.-М.: Машиностроение,1977

Размещено на Allbest.ur