Литейное дело

1. Как измеряется и записывается твердость по Виккерсу. Достоинства и недостатки способа

Метод Виккерса — метод измерения твёрдости металлов и сплавов по Виккерсу. При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине a=136⁰ (Рис. 1). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d₁. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки З к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 — 15 с, а для цветных металлов — 30 с.

Рис. 1

Достоинства метода Виккерса заключается в том, что метод достаточно универсален, так как позволяет измерять практически, твердость любого металла и сплава. Этим методом можно измерять твердость тонких пластин и слоев (до 6,05 мм).

Основным недостатком метода является зависимость измеряемой твердости от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора (явление размерного эффекта, часто называемого в англоязычной литературе indentation size effect). Особенно сильно эта зависимость проявляется при малых нагрузках.

2. Приведите сравнительную характеристику способов разливки стали

Ответ поясните эскизами.

Основные способы разливки стали:

Ш В изложницы

Ш Непрерывная разливка

Существует два способа разливки стали в изложницы: разливка сверху и разливка сифоном (снизу). При разливке сверху (рис. 1.1.б) каждую изложницу заполняют отдельно, для чего устанавливают отверстие стакана ковша по центру изложницы (прибыльной надставки). При разливке сифоном (рис. 1.1а) сталь из ковша поступает в центровой литник (стояк), футерованный шамотными трубками, протекает по каналам, составленным из шамотных кирпичей, и снизу поступает в изложницы, установленные на чугунном поддоне. При этом одновременно отливается несколько десятков слитков.

а) б) Рис. 1.1 Разливка стали в изложницы

На большинстве заводов сталь разливают в изложницы — высокие чугунные формы. После того как металл застывает, слитки «раздевают», т. е. с них снимают изложницы. Масса слитков может быть различной — от нескольких килограммов до десятков тонн.

Остывая, металл кристаллизуется, но процесс кристаллизации протекает неравномерно. Поэтому и кристаллы получаются разные: у самой стенки изложницы кристаллы небольшие, в глубине — крупные. Поскольку объем металла при затвердевании уменьшается, в верхней части слитка возникают пустоты — усадочные раковины, которые перед последующей обработкой слитка — обжимом — необходимо отрезать. При этом получаются очень большие отходы (обрезь), достигающие 8−15% от массы слитка.

Все эти недостатки заставили металлургов искать лучший способ разливки металла. В 50-х годах в нашей стране была пущена первая в мире промышленная установка для непрерывной разливки стали. Много лет затратили советские ученые, прежде чем разработали новый способ разливки, который позволяет регулировать ход кристаллизации и избавляет слитки стали от присущих им пороков. Непрерывная разливка стали широко применяется во многих странах.

Непрерывный способ разливки стали — один из наиболее прогрессивных способов. Наиболее распространены установки непрерывной разливки стали вертикального типа Прогрессивным способом является непрерывная разливка стали. Металл из ковша 1 (рис. 1.2) заливается непрерывной струей в промежуточное устройство 2, а из него поступает в охлаждаемые водой кристаллизаторы 3, в которые предварительно закладываются стальные заготовки, образующие дно. При соприкосновении жидкого металла с этими заготовками (затравками) и стенками кристаллизаторов начинается быстрое затвердевание его, еще более усиливающееся при проходе через зону 4 вторичного охлаждения. Затвердевшая заготовка вытягивается роликами 5, действующими от специального механизма к тележкам газорезок 6, разрезается на куски, а затем по конвейеру поступает в прокатный цех.

Применение способа непрерывной разливки стали позволяет сократить отходы металла с 15—20% при обычной разливке до 3—5%, т. е. в 5 раз.

Рис. 1.2 Схема установки непрерывной разливки стали:

3. По эскизу детали (рис. 1) разработайте эскиз отливки с модельно-литейными указаниями, приведите эскизы металлических модельных плит, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе)

Опишите последовательность изготовления формы одним из методов машинной формовки.

Рис. 1. Фланец, сталь 30 Л

3.1 Выбор плоскости разъема

Во избежание перекоса в полости разъема отливку располагаем в одной полуформе, т. е. разъем формы совпадет с поверхностью модели.

Рис. 2.2

3.2 Определение припусков на механическую обработку

В зависимости от способа литья (в нашем случае литье в песчаные формы), максимального размера отливки и материала, из которого она изготавливается, выбираем по таблице класс точности 7 и ряд припусков 2.

Для отливки 7-го класса точности с номинальным размером Н56 допуск находится также из таблиц и будет равен 1,00 мм.

Из таблицы припусков для допуска 1,00 мм и 2-го ряда припуски будут равны для низа и бока 2,4 мм. Припуск на верхние поверхности допускается увеличивать до значения, соответствующего следующему ряду, поэтому припуск для верха будет 3 мм. Для диаметра 36 мм для допуска размера отливки 0,9 мм для 2-го ряда припуск на механическую обработку для низа и бока равен 2 мм, а для верха 2,8 мм. Для диаметра 16 мм для допуска размера отливки 0,7 мм для 2-го ряда припуск на механическую обработку для низа и бока равен 1,8 мм, а для верха 2,4 мм.

Н56+(2,4+3) = 61,4

Н20+(2,4+3) = 25,4

Н36-(2+2,8) = 31,2 Н16-(1,8+2,4) = 11,8

3.3 Литейные уклоны и выбор их направления

Литейные уклоны назначаются на наружные и внутренние поверхности отливок, перпендикулярные плоскости разъема. Величина литейного уклона определяется высотой вертикальной поверхности, перпендикулярной плоскости разъема, материалом модели и методом формовки. Величина уклона определяется по ГОСТ 3212–92. Для нашего случая получаем уклоны 50' (0,60мм) для Н36 и 1010' (0,5мм) для Н20.

Радиусы скруглений при переходе одной поверхности модели к другой выбирают из соотношения Гдеполусумма толщин сопрягаемых стенок отливки. Коэффициенты 1/3 применяются в том случае, если? 50 мм, 1/5 — при >50 мм, радиусы скруглений для литых деталей могут быть равны 1, 2, 3, 5, 8, 10, 15, 20, 25, 30 и 40 мм.

В нашем случае:

Выбираем радиусы скругления 5, 15 и 15 мм. Чертеж отливки изображен на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Чертеж отливки

3.4 Разработка чертежа модели

Разработка чертежа модели начинается с установления конфигурации стержня. Конфигурация стержня определяется размерами и формой внутренней полости отливки и размерами его знаковых частей.

Стержневые знаки на модели предназначаются для фиксации стержня в форме путем получения в ней соответствующих отпечатков, также называемых знаками. В полученные отпечатки (знаки) вставляется стержень опорными поверхностями (знаками) при сборке литейной формы.

3.5 Определение знаковых частей модели

Знаковые части стержня предназначаются для установки его в литейную форму и фиксирования стержня в процессе заполнения формы жидким металлом. Конфигурацию и размеры знаковых частей назначают по ГОСТ 3606–80 с учетом размеров стержня, его положения в форме и способа формовки.

Для вертикальных стержней высоту нижних знаков стержней круглого сечения hH назначают в зависимости от его длины и диаметра. В нашем случае имеется два стержня диаметром до 30 мм и высотой до 50 мм, и один стержень диаметром 30…50 мм и высотой в пределах 50…80 мм. Тогда

hH1, hH2 = 20 мм hH3 = 35 мм Высоту верхних стержней знаков hВ принимают равной не более 0,5 от высоты нижних знаков. В нашем случае

hB1, hB2 = 10 мм hB3 = 17 мм Формовочные уклоны на знаковых частях назначают по ГОСТ 3606–80 в зависимости от высоты знака и его расположения в форме (низ или верх относительно разъема). В таблице указаны уклоны для нашего случая.

При определении размеров знаков на моделях (длины, высоты, сечения знаков) необходимо учесть сборочные зазоры между знаком литейной формы и знаком стержня, т.к. практически нельзя установить стержень, размер знака которого сделан с размером знака формы без зазора.

Размеры зазоров выбираем из таблиц. При определении размеров по длине или высоте знаков модели величина усадки не прибавляется.

3.5.1 Определение размеров модели

После определения конфигурации стержней и величин их знаков вычерчиваются отдельно верхняя и нижняя часть модели с учетом размеров знаков и уклонов. Затем проставляются все размеры моделей с учетом усадки сплава и величины сборочных зазоров в знаках. Величина усадки для стали составляет 2%. Размеры модели (за исключением величины знаков) определяются по формуле где B — размер модели, мм; A — размер отливки, мм; бусадка сплава Чертеж модели представлен на рис. 2.4.

Рис. 2.4 Чертеж модели

3.6 Расчет элементов литниковой системы и выбор места ее подвода

Литниковую систему размещают в литейной форме по ее разъему. Она служит для подвода жидкого металла в рабочую полость литейной формы.

Рис. 2.5. Схема литниковой системы и сборочные зазоры Основные элементы литниковой системы показаны на рис. 2.5. Здесь 1 — воронка или чаша; 2 — стояк; 3 — шлакоуловитель; 4 — питатели. Литниковую систему рассчитаем по площади минимального сечения, которым в нашем случае является сечение питателей. Площадь поперечного сечения питателей определяется по формуле:

где G — черновая масса отливки в кг, вычисляемая по формуле G=P (a+b), где P — чистовая масса детали в кг; a — коэффициент, учитывающий массу металла припусков на механическую обработку. В зависимости от величины припусков на обработку детали принимают а=1,05…1,50; b — коэффициент, учитывающий массу металла на литниковую систему, выпоры или прибыли (для стали b=0,4…0,3); µ- коэффициент расхода в литниковой системе, определяемый по таблицам (в нашем случае выберем µ = 0,32); - оптимальная продолжительность заливки в секундах, определяемая по формуле

где — средняя толщина стенок отливки, G — черновая масса отливки, литников, кг, S — коэффициент, учитывающий жидкотекучесть сплава и тип литниковой системы (для стальных отливок этот коэффициент выбираем из таблицы — S = 1,5); Hcp — средний металлостатический напор в см, определяемый по эмпирической формуле:

где Hcm — высота стояка в см, считая от уровня заливочной чаши до плоскости разъема литейной формы.

Если неизвестна высота верхней опоки, то приближенно Hcm можно вычислить по формуле:

Hcm = (Hв + 4) см,

где Hв — высота части отливки от разъема до наивысшей точки в верхней опоке, см; H0 — общая высота в опоке.

Площадь поперечного сечения шлакоуловителя Fшл и сечение стояка Fcm определяют из соотношения (для мелких стальных отливок):

Fпит: Fшл: Fcm = 1: 1,2: 1,4

Место подвода металла в полость литейной формы выбирается в зависимости от следующих условий:

— обеспечить наиболее короткий путь течения жидкого металла в литейной форме к полости отливки

— обеспечить спокойное заполнение литейной формы

— предупредить местные разрушения формы

сталь ковка отливка эскиз

3.7 Разработка чертежа литейной формы в сборе

По конфигурации моделей и отливки вычерчивается литейная форма в сборе (вертикальный разрез), состоящая из верхней и нижней полуформ с уплотненной формовочной смесью. На этом чертеже показывается стержень (заштриховать в квадрат), элементы литниковой системы, выпоры (прибыли), вентиляционные наколы. Обозначаются все элементы литейной формы и специфицируются соответствующим элементу названием. Чертеж литейной формы приведен на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Литейная форма в сборе

1. литниковая воронка

2. стояк

3. шлакоуловитель

4. полость верхней полуформы

5. стержень

6. выпор

7. вентиляционные наколы

8. верхняя полуформа

9. верхняя опока

10. крепежная скоба

11. нижняя опока

12. нижняя полуформа

13. полость нижней полуформы

14. питатель

4. Технология, оборудование и область применения свободной ковки

Технологические процессы весьма разнообразны, но все они представляют различные сочетания основных кузнечных операций: осадка (высадка), вытяжка, прошивка, гибка, закручивание, рубка и кузнечная сварка.

Осадкой (рис. 1, а) называется операция, посредством которой увеличивают поперечное сечение исходной заготовки за счет уменьшения ее высоты. Осадкой получают шестерни, фланцы, турбинные диски с большим поперечным сечением при относительно малой высоте из заготовок меньшего поперечного сечения. Осадку как предварительную операцию перед прошивкой применяют при изготовлении пустотелых поковок (кольца, барабаны), а иногда как предварительную операцию для уничтожения дендритной структуры слитка, повышения его качества, вскрытия пороков слитка перед его обработкой и для повышения степени уковки при последующей вытяжке.

Рис. 1. Схемы: а — осадки; б — вытяжки; в — вытяжки с оправкой; г — вытяжки на оправке.

Местная осадка, осуществляемая на части заготовки, называется высадкой. Примером высадки может служить операция получения головки болта из прутка диаметром, равным диаметру болта.

Вытяжкой (рис. 1, б) называют операцию, с помощью которой увеличивают длину заготовки за счет уменьшения поперечного сечения (валы прямые и с уступами, дышла и др.). Для вытяжки применяют бойки (плоские, вырезные и др.), обжимки. При вытяжке крупных поковок применяют патроны для удерживания и кантовки заготовки, а также и другой инструмент.

Вытяжку осуществляют последовательными ударами или нажатиями с подачей заготовки вдоль оси и поворотом ее вокруг этой оси. Два последовательных обжима с промежуточной кантовкой на 90° называют переходом, за которым следует подача. Отношение площади поперечного сечения заготовки к полученной площади сечения поковки называют степенью уковки.

Разновидностями вытяжки могут быть разгонка, вытяжка с оправкой, вытяжка на оправке. Разгонка применяется тогда, когда необходимо металл раздать в стороны. Вытяжка с оправкой (рис. 1, в) увеличивает длину пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины стенок.

Внутренний диаметр определяется диаметром оправки. Вытяжка на оправке (раздача отверстия) увеличивает одновременно наружный и внутренний диаметры пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 1, г). Позиции приведенного рисунка обозначают: 1 — верхний боек, 2 — цепь кантователя, 3 — оправку, 4 — подставку, 5 — полую поковку.

Прошивка (рис. 2, а) позволяет в заготовке получать отверстие (сквозная прошивка) или углубление (глухая прошивка). Прошивни применяются как цилиндрической формы, так и фасонные. До диаметра 400 мм они выполняются сплошными, а свыше 400мм — пустотелыми. Если высота прошивки недостаточна, пользуются надставками, которые для исключения трения делаются размером на 20 — 30 мм меньше наружного.

Рис. 2. Схемы: а — прошивки односторонней с подкладным кольцом; б — двухсторонней; в — прошивки слитка пустотелым прошивнем; г, д — гибки; 1 — прибыльная часть; 2 — прошивень; 3, 4 — надставки; 5 — боек.

При прошивке отверстий больших диаметров у заготовок в виде слитка прибыльную часть располагают внизу (рис. 2, в). Отход при прошивке называют выдрой.

Гибка позволяет менять направление оси заготовки с целью получения продукции заданной формы (рис. 2, г). Гибка сопровождается искажением поперечного сечения исходной заготовки и уменьшением ее площади. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Для получения в зоне изгиба сечения заданных размеров заготовке заранее придают на этом участке увеличенные поперечные размеры (рис. 2, д).

При закручивании одну часть заготовки поворачивают по отношению к другой вокруг общей оси. Закручивание применяется при изготовлении коленчатых валов с расположением колен в различных плоскостях (рис. 3), спиральных сверл и т. д. Инструментом для закручивания служат вилки, воротки и др.

Рис. 3. Схема закручивания с помощью вилки.

Рубка (рис. 4, а) дает возможность разделить на части или только частично подразделить (надрубка). Рубка осуществляется при подготовке мерных заготовок или при удалении донной и прибыльной частей слитка. К рубке прибегают при ковке поковок для удаления излишнего металла, а также при ковке фигурных поковок. Инструментами рубки являются топоры и надставки.

Рис. 4. Схемы: а — рубки; б — внахлестку сварки; в — сварки встык; г — сварки впаз.

Кузнечная сварка с помощью местного нагрева и механического воздействия позволяет соединить в одно целое отдельные части деталей или поковок. Кузнечную сварку применяют для сравнительно мелких поковок.

Кузнечной сваркой хорошо сваривается сталь, содержащая до 0,4% углерода. Примеси в стали снижают ее свариваемость. Способы сварки приведены на рис. 4, б — г. Сварка осуществляется в зоне высоких температур. Для получения качественного соединения при нагреве заготовок применяют флюсы в виде чистого мелкого речного песка, буры или их смеси.

Оборудование для свободной ковки Машинная ковка производится на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты действуют ударом и характеризуются весом падающих частей. Продолжительность деформации при ковке на молотах порядка 10^-3сек, а скорость деформации (6−6,5) м/сек.

Гидравлические прессы развивают статическое усилие и характеризуются усилием в тоннах. Продолжительность деформации доходит до десятков секунд, а скорость деформации составляет 2−3 м/мин.

Для ковки мелких поковок массой до 20 кг используются пневматические ковочные молоты. Для поковок средней массы до 2000 кг — паровоздушные ковочные молоты. На молоте верхний боек крепится к падающей части молота — бабе, а нижний боек — к подушке, закрепленной на шаботе, не связанном со станиной молота. Масса шабота превышает массу падающих частей в 10−15 раз. Масса падающих частей молота составляет 50−1000 кг (для пневматического молота) и 1000−8000 кг для паровоздушного.

Для производства крупных поковок применяют гидравлические прессы. Они развивают усилие до 20 000 тонн. Ковкавид горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется с помощью универсального инструмента. Нагретую заготовку укладывают на нижний боек и верхним бойком последовательно деформируют отдельные её участки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные свободными поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент.

Ковкой получают заготовки для последующей механической обработки. Эти заготовки называют коваными поковками, или просто поковками.

Ковка является единственно возможным способом изготовления тяжелых поковок (до 250 т) типа валов гидрогенераторов, турбинных дисков, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокатных станков и т. д.

Список использованной литературы

1. Технология металлов. Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. и др. М.: Металлургия, 1978.

2. Технология металлов и других конструктивных материалов. Под ред. Н. П. Дубинина. Изд. 2-е, перераб и доп. М.: ВШ, 1969.

3. ГОСТ 3.125−85 Единая система технологической документации. Правила графического выполнения элементов литейных форм и отливок.

4. http://xn—80awbhbdcfeu.su/oborsvkovka

5. http://neudoff.net/info/tex-nauki/oborudovanie-dlya-svobodnoj-kovki/

6. http://ru.wikipedia.org/