2. Разработка технологического процесса изготовления отливки теплообменника

При разработке литейной технологии очень важен обоснованный выбор наиболее рациональных приемов, обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства литых деталей и высокие технико-экономические показатели производства: получение качественных отливок при минимальной их стоимости; высокая производительность; экономия металла в результате уменьшения припусков на обработку; экономия топлива, электроэнергии и вспомогательных материалов; максимальное использование имеющегося оборудования и оснастки.
Проектирование технологического процесса изготовления отливки включает разработку необходимой технологической документации: чертежей, расчетов, технологических карт и др. Объем технологической документации зависит от типа производства (единичное, мелкосерийное, серийное, массовое). В условиях единичного и мелкосерийного производства все технологические указания наносят непосредственно на чертеж детали. При серийном и массовом производстве на основании анализа технический условий на деталь и ее конструкции, расчетов и справочных данных разрабатывают чертеж отливки, чертежи моделей, стержневых ящиков, модельных плит и т.д.
Правила выполнения чертежей элементов литейной формы и отливки установлены ГОСТ 2.423-73.

АНАЛИЗ ЗАКАЗА

Прежде чем приступить к проектированию технологии изготовления отливки, необходимо оценить возможности и целесообразность выполнения заказа на данном предприятии, руководствуясь техническими возможностями различных способов литья, общими принципами классификации отливок по их характерным признакам, сведениям о мощности подъемно-транспортных средств, наличии необходимого технологического оборудования, опок, материалов и др [29].
Деталь теплообменник (рис.2-1) по назначению относится к особоответственным отливкам, т.к. работает под давлением в агрессивной среде. Отливка подвергается испытанию давлением 11 кгс/см2.
Производство отливок единичное. Опытная партия составляет 34 шт. Отливка по массе относится к 1 группе - мелкие отливки, т.к. ее масса составляет 34 кг. По сложности отливка относится к 2 группе сложных отливок.

Рис.2-1 . Труба ребристая
Имеющееся в расположении технологическое оборудование дает возможность отлить опытную партию отливок в сырые песчано-глинистые формы при ручном способе изготовления форм.

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЛИТОЙ ДЕТАЛИ И ВЫБОР СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ

Технологичной называют такую конструкцию изделия или составных ее элементов (деталей, узлов, механизмов), которая обеспечивает заданные эксплуатационные свойства продукции и позволяет при данной серийности изготовлять ее с наименьшими затратами. Технологичная конструкция характеризуется простотой компоновки, совершенством форм. При наличии отклонений от указанных требований должен быть поставлен вопрос о внесении в конструкцию детали необходимых изменений [29].

а

б
Рис.2-2 . Технология: а) первый вариант,
б) второй вариант.
При выборе способа изготовления отливки в первую очередь принимают во внимание результаты предварительного анализа заказа и технологичности детали. При этом, как правило, определяющим фактором является серийность производства, реже - технические требования, предъявляемые к изделию, что влияет на стоимость формы и модельной оснастки. В единичном, мелкосерийном и серийном производстве отливки изготавливают обычно литьем в песчаные сырые формы.
Отливку теплообменник получаем литьем в песчано-глинистые сырые формы. Способ формовки - ручная.
Конструктивные особенности и сложность конфигурации радиатора обусловливают некоторые технологические особенности при литье данной отливки в песчано-глинистые формы. Отличительной особенностью радиатора является конструкция поверхности теплообмена. Традиционные круглые ребра заменены на квадратные, что позволяет при неизменных габаритах увеличить площадь теплообмена почти в 1.5 раза. Это потребовало технологического решения, которое заключается в том, что разъем выбран по диагонали фланца. Это обеспечивает направленный выход газов через вентиляционные каналы для каждого ребра отливки (рис.2-2).

Так как отливка тонкостенная, то возникает проблема проливаемости всех ребер при литье во влажную песчано-глинистую форму. С этой целью в верхней полуформе между ребрами устанавливаются пенополистироловые вставки, соединяющие ребра между собой в их верхней части. После удаления модели вставки остаются в форме и при заливке располагаются так, что образуют подпиточный канал между двумя массивными фланцами (рис.2-3).
Это предотвращает замерзание металла в тонких частях отливки. Образующийся канал также улучшает вентиляцию полости формы, так как соединен с двумя выпорами. Газы, образующиеся во время заливки вместе с продуктами деструкции пенополистироловых вставок удаляются по этому каналу через выпора и наколы.
Внутренняя полость данной отливки формируется протяженным стержнем (отношение длины к диаметру составляет 11.7). Стержень изготавливается на органических связующих. В качестве арматуры применяется труба с отверстиями, обеспечивающими отвод газов в знаковые части (рис.2-3).
В связи с высоким рельефом и большой поверхностной площадью модели ее протяжка затруднена. При протяжке наблюдались обрывы формовочной смеси в межреберном пространстве и массовые засоры полости формы. Так как формовка осуществляется ручным способом, то в результате интенсивного расталкивания происходит износ и разрушение модели. Для снижения износа модели и улучшения качества формовки применили протяжной шаблон и специальное подъемное резьбовое приспособление для извлечения модели из формы (рис.2-4).

Рис.2-3 . Форма в сборе

• Полуформа верха,
• Полуформа низа,
• Наращалка,
• Штырь центрирующий,
• Штырь направляющий,
• Струбцина,
• Полость формы,
• Стержень,
• Арматура,
• Пенополистироловые вкладыши,
• Газоотводные наколы,
• Стояк,
• Питатель,
• Шлакоуловитель,
• Выпор.

Рис.2-4 . Устройство для протяжки модели:

• Опока низа;
• Модель;
• Шаблон;
• Устройство протяжки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОТЛИВКИ В ФОРМЕ ПРИ ЗАЛИВКЕ

При определении положения отливки в форме нужно руководствоваться несколькими правилами, подтвержденными многолетней практикой [29].

• Наиболее ответственные рабочие части, плоские поверхности большой протяженности, места, подлежащие механической обработке, нужно, по возможности, располагать внизу; в крайнем случае - вертикально или наклонно. При вынужденном расположении обрабатываемых поверхностей вверху нужно обеспечить такие условия, при которых песчаные и газовые раковины могли бы образоваться только в удаляемых при обработке частях отливки.
• Формы для отливок, имеющих конфигурацию тел вращения (гильзы, барабаны, шпиндели и др.) с обрабатываемыми наружными и внутренними поверхностями, лучше заливать в вертикальном положении или центробежным способом. Иногда целесообразно формовку выполнять в одном положении, а заливать форму в другом.
• Для отливок, имеющих внутренние полости, образуемые стержнями, выбранное положение должно обеспечивать возможность проверки размеров полости формы при сборке, а также надежное крепление стержней.
• Для предупреждения недоливов тонкие стенки отливки следует располагать в нижней части полуформы, желательно вертикально или наклонно, причем путь прохождения металла от литниковой системы до тонких стенок должен быть кратчайший.
• Отливки из сплавов с большой усадкой располагать в положении, удобном для питания их металлом верхних или боковых отводных прибылей.
• Формы для станин, плит и других отливок с большим числом ребер должны быть при заливке расположены так, чтобы имелась возможность направить металл вдоль стержней и выступов формы.

Важным является определение оптимального числа отливок в форме. В условия единичного и мелкосерийного производства отливок в песчаных формах желательно в форме размещать одну отливку.
Выбор поверхности разъема формы подчинен выбору положения формы при заливке. При определении поверхности разъема формы необходимо руководствоваться следующими положениями:

• форма и модель, по возможности, должны иметь одну поверхность разъема, желательно плоскую горизонтальную, удобную для изготовления и сборки формы;
• модель должна свободно извлекаться из формы;
• всю отливку, если позволяет её конструкция, нужно располагать в одной (преимущественно в нижней) полуформе в целях исключения перекоса;
• при формовке в парных опоках следует стремиться к тому, чтобы общая высота формы была минимальной.

Для повышения технологичности получения данной отливки разъем выбирается по диагонали фланца (см. рис.2-2). Плоскость разъема модели совпадает с плоскостью разъема формы, отливка симметрично располагается в верхней и нижней полуформах (рис.2-2).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УЧАСТКОВ ПОВЕРХНОСТИ ОТЛИВКИ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ СТЕРЖНЯМИ

Предварительно необходимо определить возможность выполнения отверстий в процессе получения отливки и тех частей отливки, которые не могут быть получены с помощью модели. Число стержней, служащих для оформления полости отливки, её отдельных элементов и элементов литниковой системы, определяю с учетом серийности выпуска отливок. В единичном и мелкосерийном производстве целесообразно получать отливки с использованием минимального числа стержней или вовсе без них [29].
При определении участков поверхности отливки, выполняемых стержнями, нужно руководствоваться следующими правилами.

• Обеспечивать минимальные затраты на изготовление стержневых ящиков.
• Обеспечивать удобную установку стержней в форму и контроль всех размеров полостей в ней.
• Газоотводные каналы стержней должны иметь выходы в знаках, они должны быть размещены так, чтобы исключить попадание в них жидкого металла.
• Опорные поверхности стержней должны быть достаточными, чтобы исключить деформацию стержня под действием силы тяжести.

Точность фиксации стержня в форме обеспечивается размерами и конфигурацией его знаковых частей, которые назначают по ГОСТ 3212-92 с учетом размеров стержня, способа формовки и его положения в форме (рис.2-2).
В данной отливке имеется одна внутренняя полость (сквозное отверстие) формируемое одним горизонтальным протяженным стержнем. Стержень армирован. Арматура служит каналами для отвода газов в знаковые части (рис.2-2).

ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДЕЛЬНОГО КОМПЛЕКТА

Основные виды оснастки, применяемые при изготовлении литейных форм из песчано-глинистых смесей, - модели и стержневые ящики, которые классифицируются по следующим признакам:

• виду материала - деревянные, металлические, деревометаллические, гипсовые, цементные, пластмассовые, пенополистироловые;
• способу изготовления форм и стержней - для ручной и машинной формовки;
• компоновке элементов - разъемные и неразъемные модели;
• сложности - простые, средней сложности и сложные;
• размерам модели:

• для ручной формовки - мелкие (до 500 мм), средние (500-5000 мм), крупные (более 5000 мм);
• для машинной формовки - мелкие (до 150 мм), средние (150-500 мм), крупные (более 500 мм);
• конструктивному исполнению - объемные , пустотелые, скелетные модели и шаблоны;
• точности изготовления - модельные комплекты (сколько классов точности);
• прочности - модели 1, 2 и 3 класса прочности.

Так как производство данной отливки единичное то модель и стержневой ящик изготавливаются из дерева (основа - сосна, ребра и фланцы - береза, стержневой ящик полностью сосна).
По способу формовки модель и ящик относятся к ручной формовке.
Модель разъемная стержневой ящик также разъемный
По сложности модель относится к группе сложных, стержневой ящик к группе средних.
По размерам модель для ручной формовки относится к группе средних.
По конструктивному исполнению - объемная.
Класс точности модельного комплекта - 5 ГОСТ 3212-85.
Класс прочности модельного комплекта - 2.

КОНСТРУКЦИЯ И РАЗМЕРЫ МОДЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКТОВ

Для определения конструктивных размеров модельных комплектов в первую очередь необходимо установить припуски на механическую обработку, припуски на усадку и формовочные уклоны.
Припуски на механическую обработку назначают по ГОСТ 26645-85. Этот ГОСТ распространяется на отливки из черных и цветных металлов и сплавов и регламентирует допуски на размеры, массу и припуски на механическую обработку.
Данная отливка получается литьем в песчано-глинистые сырые формы и обозначается по ГОСТ 26645-85:
точность отливки 9-7-5-4;
масса отливки 34-04-0-34.4.
Припуски на механическую обработку представлены на рис.2-2.
Припуски на литейную усадку обычно определяют в зависимости от вида сплава, массы и размеров отливки.
При разработке технологии изготовления сложных отливок можно использовать значение линейной усадки сплавов по спиральной пробе, %. Материал данной отливки серый чугун следовательно усадка составляет 1 %.
Формовочные уклоны модельных комплектов в песчаных формах регламентирует ГОСТ 3212-92. При применении песчано-глинистых смесей уклоны назначают в зависимости от диаметра или минимальной ширины углубления и высоты формообразующей поверхности. В зависимости от требований, предъявляемых к поверхности отливки, формовочные уклоны следует выполнять:
на обрабатываемых поверхностях отливки сверх припуска на механическую обработку за счет увеличения размеров отливки;
на необрабатываемых поверхностях отливки, несопрягаемые по контуру с другими деталями, за счет увеличения и уменьшения размеров отливки;
на необрабатываемых поверхностях отливки, сопрягаемых по контуру с другими деталями, за счет увеличения или уменьшения размеров отливки в зависимости от поверхности сопряжения.
Для данной отливки на обрабатываемых поверхностях уклоны выполнены поверх припуска на механическую обработку за счет увеличения размеров отливки. На необрабатываемых поверхностях отливки уклоны выполняются также за счет увеличения размеров отливки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ И КОНСТРУКЦИИ ОПОК

При выборе размеров опок следует учитывать, что использование чрезмерно больших опок влечет за собой увеличение затрат труда на уплотнение формовочной смеси, нецелесообразный расход смеси, а использование очень маленьких опок может вызвать брак отливок вследствии продавливания металлом низа формы, ухода металла по разъему и.т.п.
Для изготовления данной отливки сконструированы и изготовлены ручные сварные опоки следующих размеров: длина - 1000 мм, ширина - 250 мм, высота - 200 мм. Для уменьшения расхода смеси и обеспечения необходимого гидростатического напора металла применяются наращалки высотой 100 мм.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

Литниково-питающая система - это система каналов для подвода жидкого металла в полость литейной формы, отделения неметаллических включений и обеспечения подпитки отливки при затвердевании [29].

Литниковую систему подводим по разъему формы. Условия заполнения формы металлом за определенное время

Литниковая система сужающаяся. Площадь сечения в самом узком месте = площади питателя.

Расчет стояка и шлакоуловителя производим из соотношения:

т.к. питание отливки мы производим 2 питателями следовательно F_п = 2.5 см².
Окончательно принимаем площади сечений и по таблицам находим геометрические размеры:

Для заливки металла используют нормализованные воронки (рис.2-7), размеры которых выбирают в зависимости от диаметра стояка и с учетом обеспечения нормальной заливки формы.

Рис.2-7 .
т.к. данная отливка делается из чугуна, а прибыли на чугунные отливки не ставятся (т.к. у чугуна усадка самая минимальная), значит я прибыли на данную отливку не проектирую.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЛАВА ПРИ ЗАЛИВКЕ В ФОРМУ

Для обеспечения хорошей заполняемости формы и получения качественных отливок необходимо выдерживать определенную температуру заливаемого расплава, которую выбирают в зависимости от вида сплава и характера отливки [29].
Температура металла необходимая для заливки форм при получении данной отливки составляет при выпуске и индукционной печи 1410 °С - 1420 °С, при заливке в форму 1330 °С.

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ОТЛИВОК В ФОРМЕ

Регламентирование времени охлаждения отливок в формах диктуется необходимостью обеспечения полного затвердевания расплава, исключения образования некоторых усадочных дефектов, получения требуемой структуры металла отливок. Последнее весьма важно для чугунов, структура которых в большой степени зависит от скорости кристаллизации.
Расчет времени затвердевания отливки в форме произведен с помощью программы FOUNDRY (автор Дубовой В.В.)
Исходные данные формы:

Исходные данные материала:

ФОРМОВОЧНЫЕ И СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ

При производстве данной отливки для изготовления
форм и стержней использовались смеси следующего состава и следующими свойствами (таблицы 2-1,2-2) [37,29].
Таблица 2-1
Формовочная смесь для фомовки по сырому (способ формовки ручная)

Массовая доля компонентов в смеси, %

Характеристика смеси

Характеристики получаемых отливок

облицовочной

единой

Оборотная смесь

Свежие материалы

Каменноуголь ный порошок

Оборот ная смесь

Свежие материалы

Каменноуголь ный порошок

Содержание глинистой составляющей, %

Зерновая группа песка

Влажность, %

Газопроницаемость, единицы

Прочность на сжатие во влажном состоянии, кПа

Масса, кг

Толщина стенки, мм

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

20-200

<10

Таблица 2-2
Стержневая смесь (способ формовки ручная)

Назначение и	Состав, %
область применения	Песок 016А	Глина формовочная	Опилки древесные	Крепитель СБ	Прочность, 105 Па		Газопроницаемость, ед.		Влажность, %
				Сверх 100%	По-сырому	По-сухому	По-сырому	По-сухому
Для средних и мелких стержней (ручная формовка)	80.0-81.0	4.0 - 5.0	15.0	6.0	0.13 - 0.15	3.5 - 4.5	80	100	3.2 - 3.6

ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ

При проектировании технологии изготовления трубы ребристой для повышения производительности и качества графической части использовался САПР конструктора Auto CAD 12, также для расчета литейных припусков на механическую обработку бал применен пакет прикладных авторских программ написанных на параметрическом языке GI (см. приложение).