Разработка и совершенствование технологии производства блока цилиндров двигателя Камаз-740

" Разработка и совершенствование технологии производства блока цилиндров двигателя Камаз-740"

Блок цилиндров, можно назвать основой любого двигателя. К нему крепятся головка блока, агрегаты, коробка передач, а внутри расположены поршневая группа и кривошипно-шатунный механизм. Очевидно, каждый из этих узлов испытывает нагрузки, а, значит, на блок действуют большие силы, переменные по величине и направлению.

И, чтобы противостоять им, блок должен быть достаточно жестким, т. е. не деформироваться под действием этих сил. Сами цилиндры в блоке цилиндров могут являться как частью отливки блока цилиндров, так и быть отдельными сменными втулками, которые могут быть «мокрыми» или «сухими». Помимо образующей части двигателя, блок цилиндров несет дополнительные функции, такие как основа системы смазки — по отверстиям в блоке цилиндров масло под давлением подается к местам смазки, а в двигателях жидкостного охлаждения основа системы охлаждения — по аналогичным отверстиям жидкость циркулирует по блоку цилиндров.

Цель исследования: изучить технологию производства блока цилиндра.

Объект исследования: процесс технологии производства блока цилиндра.

Предмет исследования: технология производства блока цилиндра.

Задачи исследования:

1. Изучить научную литературу по теме.

2. Описать деталь.

3. Проанализировать условия работы блока цилиндра.

4. Составить требования к деталям блока цилиндра.

5. Проанализировать, какие материалы необходимы для изготовления блока цилиндра.

6. Описать каждый технологический этап производства детали.

7. Определить тип производства детали

8. Составить технологическую схему производства.

1. Теоретический анализ блока цилиндра и условия его работы

1.1 Описание детали

Блок цилиндров — литая деталь, служит основой двигателя внутреннего сгорания. К его верхней части крепится головка блока, нижняя часть является частью картера, в ней имеются опорные поверхности для установки коленчатого вала.

Блок цилиндров (или блок-картер) воспринимает нагрузки от вращающихся и поступательно движущихся деталей. Наиболее распространенные рядные четырехцилиндровые двигатели обычно имеют блок, отлитый из серого легированного чугуна, реже — алюминия, блок показан на Рисунке 1. При этом гильзы цилиндров отлиты за одно целое с блоком, образуя рубашку охлаждения между гильзами и наружными стенками. Блок цилиндров имеет в нижней части отверстия — т. е. постели для вкладышей подшипников коленчатого вала. Постели обрабатываются на специальном прецизионном оборудовании с высокой точностью.

Рисунок 1 — Блок цилиндров Камаз-740

Сами цилиндры могут являться частью отливки (негильзованный блок), а могут иметь отдельные сменные гильзы, которые могут быть «мокрыми» или «сухими». Сухие гильзы чаще всего запрессовывают в корпус блока, а мокрые гильзы дополнительно уплотняют кольцами из различных материалов таких, как резина, или меди. Отвод теплоты через гильзы к охлаждающей жидкости зависит от свойств материала гильзы и её толщины (чем выше теплопроводность материала и тоньше стенки гильзы, тем лучше теплоотвод).

Применение гильзованных цилиндров, несколько увеличивает стоимость двигателя и усложняет его сборку, но упрощает ремонт блока, так как в этом случае достаточно заменить гильзы и поршневую группу.

В то же время у негильзованных блоков при износе зеркала цилиндра его необходимо растачивать и хонинговать, что существенно усложняет ремонт, так как требуется обязательная практически полная разборка двигателя. Кроме того, к негильзованным блокам предъявляются очень высокие требования по качеству материала и технологии отливки.

Вокруг каждого цилиндра выполнены резьбовые отверстия для болтов крепления головки блока. Резьбовые отверстия не связываются напрямую с гильзой (что уменьшает деформацию гильзы при затяжке болтов головки. Небольшая деформация гильз при затяжке все равно проявляется, но обычно не превышает 0,010−0,015 мм, хотя может значительно увеличиться при излишнем затягивании болтов головки.

Рабочие поверхности цилиндров и гильз, которые называют зеркалом цилиндра, обрабатываются с высокой точностью и имеют очень высокую чистоту. Иногда на зеркало цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению трения боковой поверхности поршня и колец о зеркало цилиндра.

Зеркало цилиндра находится в постоянном контакте с поршнем и смазывается моторным маслом, которое разбрызгивается вращающимися элементами кривошипно-шатунного механизма. Высокие технологические свойства металла и качество его обработки обуславливают необходимое сопротивление поверхности.

Рубашка охлаждения предназначена для отвода тепла от стенок цилиндров и от головки двигателя. Целью применения водяной система охлаждения двигателя является не только отвод тепла от стенок цилиндров, но и поддержание расчетной рабочей температуры.

На картере блока цилиндров предусмотрены места креплений таких элементов, как генератор, компрессор кондиционера, кронштейнов крепления, насоса гидроусилителя руля и др. Картер коленчатого вала может быть отлит с блоком цилиндров в едином корпусе, а может присоединяться к нему болтами. К нижней части картера блока крепится масляный поддон, который предназначен для хранения моторного масла. Поддон обычно изготавливается из стали или алюминиевого сплава.

1.2 Анализ условий работы блока цилиндра

Цилиндр двигателя предназначен для направления возвратно поступательного движения поршня, восприятия энергии, выделяющейся при сгорании топлива, восприятия и отвода тепла от камеры сгорания к охлаждающей жидкости, а так же для крепления коленчатого вала для этого в блоке цилиндров выполнены каналы для смазки и охлаждения. В картере блока цилиндров выполнены постели для крепления коленчатого вала. Из этого следует, что блок-картер подвергается:

— воздействию давления газов;

— силе воздействия газов, которые воспринимаются резьбовыми соединениями головки блока цилиндров и опорами коленчатого вала;

— внутренним силам инерции (изгибающие силы), являющиеся результатом сил инерции при вращении и колебаниях;

— внутренним силам кручения (скручивающие силы) между отдельными цилиндрами;

— крутящемуся моменту коленчатого вала и, как результат, силе реакции опор двигателя;

— свободным силам и моментам инерции, как результат сил инерции при колебаниях, которые воспринимаются опорами двигателя;

— боковым силам трения, возникающим при движении поршня;

— изгибающим нагрузкам от сил давления газов и сил инерции, передаваемых через шатуны от поршней, от коленчатого вала нагрузки передаются на коренные опоры коленчатого вала и изгибают блок;

— трениям с элементами поршня (вызывает механический износ);

— высоким температурам (вызывает выжигание и коррозию металла).

В том случае, если блок цилиндров изготавливается из алюминиевого сплава, зеркало цилиндра выполняется в специальной чугунной вставке (гильзе).

Упругие деформации блока или вала приводят к искривлению осей постелей и шеек коленчатого вала. В этом случае появляется износ, неравномерный по ширине шейки;

Нагрузка, передаваемая от вкладышей к постели, при периодическом искривлении осей приводит к износу поверхностей самих постелей (такая ситуация характерна, например, для шатунных подшипников длинных валов с малым количеством опор (например, четырехопорный вал рядного шестицилиндрового двигателя);

1.3 Составление требований к деталям блока цилиндра

Изучив условия работы блока-картера, можно выдвинуть требования к свойствам блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, а именно:

— жесткость — характеристика блока, которая определяет упругие деформации блока под действием различных сил. При работе двигателя коленчатый вал испытывает изгибающие нагрузки от сил давления газов и сил инерции, передаваемых через шатуны от поршней. От коленчатого вала нагрузки передаются на коренные опоры коленчатого вала и изгибают блок. При его недостаточной жесткости это может привести к ускоренному износу подшипников и выходу двигателя из строя. Жесткость блока на изгиб обычно увеличивается при увеличении расстояния от плоскости разъема коренных подшипников до нижней плоскости разъема блока и поддона картера как показано на рисунке 2, а также с увеличением ширины блока, толщины стенок. Особенно это важно для рядных многоцилиндровых двигателей (с числом цилиндров 5−6).

Рисунок 2 — Увеличение жесткости блок-картера (а) путем увеличения размера Н (б)

— сносность отверстий всех постелей блока;

— одинаковый размер (диаметр) всех постелей (за исключением специальных конструкций);

— перпендикулярность осей постелей и цилиндров;

— параллельность плоскости разъема блока с головкой и оси постелей;

— параллельность осей постелей вспомогательных и распре делительного валов (если они установлены в блоке) оси постелей коленчатого вала;

— отклонения от перпендикулярности и параллельности не должны превышать половины рабочего зазора деталей. При зазоре 0,04+0,06 мм это составляет не более 0,02+0,03 мм.

1.4 Материалы для изготовления блока цилиндра

Блок-картер является одной из самых тяжелых деталей всего автомобиля и занимает самое критичное место для динамики движения: место над передней осью. Поэтому именно здесь делаются попытки полностью использовать потенциал для уменьшения массы. Серый чугун, который в течение десятилетий использовался в качестве материала для блок-картера, все больше и больше заменяется как в бензиновых, так и в дизельных двигателях алюминиевыми сплавами. Это позволяет получить значительное снижение массы.

1.4.1 Серый чугун

Чугун — это сплав железа с содержанием углерода более 2% и кремния более 1,5%. В сером чугуне избыточный углерод содержится в форме графита. Для блок-картеров дизельных двигателей использовался и используется чугун с пластинчатым графитом, который получил свое название по расположению находящегося в нем графита. Другие составляющие сплава — это марганец, сера и фосфор в очень маленьких количествах.

Чугун с самого начала предлагался как материал для блок-картеров серийных двигателей, т. к. этот материал не дорог, просто обрабатывается и обладает необходимыми свойствами. Легкие сплавы долго не могли удовлетворить этим требованиям. Автопроизводители используют для своих двигателей чугун с пластинчатым графитом вследствие его особенно благоприятных свойств, а именно:

— хорошая теплопроводность;

— хорошие прочностные свойства;

— простая механообработка;

— хорошие литейные свойства;

— очень хорошее демпфирование.

Выдающееся демпфирование — это одно из отличительных свойств чугуна с пластинчатым графитом. Оно означает способность воспринимать колебания и гасить их за счет внутреннего трения. Благодаря этому, значительно улучшаются вибрационные и акустические характеристики двигателя.

Хорошие свойства, прочность и простая обработка делают блок-картер из серого чугуна и сегодня конкурентоспособным. Благодаря высокой прочности, бензиновые двигатели и дизельные двигатели и сегодня делаются с блок-картерами из серого чугуна. Возрастающие требования к массе двигателя на легковом автомобиле в будущем смогут удовлетворить только легкие сплавы.

1.4.2 Алюминиевые сплавы

Блок-картеры из алюминиевых сплавов пока еще относительно новые и используются только для дизельных двигателей.

Плотность алюминиевых сплавов составляет примерно треть по сравнению с серым чугуном. Но преимущество в массе имеет такое же соотношение, т. к. вследствие меньшей прочности такой блок-картер приходится делать массивнее. Другие свойства алюминиевых сплавов:

— хорошая теплопроводность;

— хорошая химическая стойкость;

— неплохие прочностные свойства;

— простая механообработка.

Чистый алюминий не пригоден для литья блок-картера, т. к. имеет недостаточно хорошие прочностные свойства. В отличие от серого чугуна основные легирующие компоненты добавляются здесь в относительно больших количествах.

Сплавы делятся на четыре группы, в зависимости от преобладающей легирующей добавки. Эти добавки:

— кремний (Si);

— медь (Си);

— магний (Мд);

— цинк (Zn).

Для алюминиевых блок-картеров двигателей используются исключительно сплавы AlSi. Они улучшаются небольшими добавками меди или магния.

Кремний оказывает положительное воздействие на прочность сплава. Если составляющая больше 12%, то специальной обработкой можно получить очень высокую твердость поверхности, хотя резание при этом осложнится. В районе 12% имеют место выдающиеся литейные свойства.

Добавка меди (2−4%) может улучшить литейные свойства сплава, если содержание кремния меньше 12%.

Небольшая добавка магния (0,2−0,5%) существенно увеличивает значения прочности.

Для бензиновых и дизельных двигателей используют алюминиевый сплав AISi7MgCuO, 5. Как видно из обозначения AISi7MgCuO, 5, этот сплав содержит 7% кремния и 0,5% меди.

Он отличается высокой динамической прочностью. Другими положительными свойствами являются хорошие литейные свойства и пластичность. Правда, он не позволяет достичь достаточно износостойкой поверхности, которая необходима для зеркала цилиндра. Поэтому блок картеры из AISI7MgCuO, 5 придется выполнять с гильзами цилиндров.

Прогрессивные исследователи задумываются об использовании еще более легкого материала — магниевого сплава. Были созданы прототипы двигателей, в которых металлические гильзы цилиндров устанавливались в легковесные пластиковые блоки, хотя эти двигатели оказывались ужасно шумными.

Таким образом, для алюминиевого блока-картера двигателя необходимо использовать исключительно сплавы AlSi, а именно АЛ4. Они улучшаются небольшими добавками меди или магния. Кремний оказывает положительное воздействие на прочность сплава. Если составляющая больше 12%, то специальной обработкой можно получить очень высокую твердость поверхности, хотя резание при этом осложнится. В районе 12% имеют место выдающиеся литейные свойства.

Добавка меди (2−4%) может улучшить литейные свойства сплава, если содержание кремния меньше 12%. Небольшая добавка магния (0,2−0,5%) существенно увеличивает значения динамической прочности. Другими положительными свойствами являются хорошие литейные свойства и пластичность. Правда, он не позволяет достичь достаточно износостойкой поверхности, которая необходима для зеркала цилиндра. Поэтому блок картеры из АЛ4 придется выполнять с гильзами цилиндров.

1.4.3 Анализ материалов

Чугунный блок наиболее жёсткий, а значит — при прочих равных выдерживает наиболее высокую степень форсировки и наименее чувствителен к перегреву. Теплоёмкость чугуна примерно вдвое ниже, чем алюминия, а значит двигатель с чугунным блоком быстрее прогревается до рабочей температуры. Однако, чугун весьма тяжёл (в 2,7 раза тяжелее алюминия), склонен к коррозии, а его теплопроводность примерно в 4 раза ниже, чем у алюминия, поэтому у двигателя с чугунным картером система охлаждения работает в более напряжённом режиме.

Алюминиевые блоки цилиндров лёгкие и лучше охлаждаются, однако в этом случае возникает проблема с материалом, из которого выполнены непосредственно стенки цилиндров. Если поршни двигателя с таким блоком сделать из чугуна или стали, то они очень быстро износят алюминиевые стенки цилиндров. Если же сделать поршни из мягкого алюминия, то они просто «схватятся» со стенками, и двигатель мгновенно заклинит. Плотность алюминиевых сплавов составляет примерно треть по сравнению с серым чугуном. Но преимущество в массе имеет такое же соотношение, т. к. вследствие меньшей прочности такой блок-картер приходится делать массивнее. Другие свойства алюминиевых сплавов:

— хорошая теплопроводность;

— хорошая химическая стойкость;

— неплохие прочностные свойства;

— простая механообработка.

Механические свойства приведены в таблице 1:

Таблица 1 — механические свойства материалов

_Sв — Предел кратковременной прочности, МПа

_ST — Предел пропорциональности, МПа

HB — Твердость по Бринеллю, МПа Вывод: в данной главе проведен анализ материалов, из которых изготавливается блок цилиндров. Блок цилиндров двигателя Камаз-740 изготавливается из чугуна, так как чугун выдерживает наиболее высокую степень форсировки и наименее чувствителен к перегреву. Теплоёмкость чугуна примерно вдвое ниже, чем алюминия, а значит, двигатель с чугунным блоком быстрее прогревается до рабочей температуры.

2. Разработка технологии производства детали

2.1 Технологическая схема производства детали

блок цилиндр технологический схема

Рисунок 3 — технологическая схема производства

2.2 Доменное производство

Доменное производство, производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных концентратов в доменных печах. Доменное производство — отрасль чёрной металлургии.

Исходными материалами (шихтой) в доменном производстве являются: железная руда, марганцевая руда, агломерат, окатыши, а также горючее и флюсы. Широкое применение в шихте доменных печей получил офлюсованный агломерат (свыше 90%), который содержит 50−60% Fe при основности 1,1−1,3; расширяется применение офлюсованных окатышей. Важнейшие свойства железосодержащих шихтовых материалов, определяющие технико-экономические показатели доменной плавки: содержание железа, состав пустой породы, количество вредных примесей, а также гранулометрический состав, прочность и восстановимость. Получает распространение плавка с заменой части кокса газообразным, жидким или твёрдым топливом, вдуваемым в горн доменной печи. В качестве флюсов используется известняк, иногда доломит.

Основные виды чугуна, выплавляемого в доменных печах: предельный чугун, используемый для производства стали в сталеплавильных агрегатах; литейный, идущий для чугунных отливок; специальные чугуны. Побочные продукты: доменный газ теплота сгорания 3,6−4,6 Мдж/м3 (850−1100 ккал/м3) после очистки от пыли используется для нагрева дутья в воздухонагревателях, а также в заводских котельных установках, коксохимических, агломерационных и некоторых др. цехах; доменный шлак находит применение главным образом в промышленности строительных материалов; колошниковая пыль, выносимая из печи и улавливаемая системой газоочистки, содержащая 30−50% Fe, возвращается в шихту доменных печей после её предварительного окускования (главным образом путём агломерации).

Доменная печь Рисунок 4 представляет собой шахтную печь круглого сечения; футерована огнеупорной кладкой (верхняя часть шамотным кирпичом, нижняя — преимущественно углеродистыми блоками). Для предотвращения разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются колоннами, установленными на фундаменте.

Шихта подаётся на колошник печи скипами, реже ленточными конвейерами. Скипы разгружаются в печь через приёмную воронку и засыпной аппарат, установленный на колошнике. Воздух (дутьё) от воздуходувных машин подаётся в печь через воздухонагреватели (в которых нагревается до 1000−1200°С) и фурменные приборы, установленные по окружности горна. Через фурмы вводится также дополнительное топливо (природный газ, мазут или угольная пыль).

Продукты плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через лётки, расположенные в нижней части горна. Образующийся в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе печи.

Расстояние между осью чугунной лётки и нижней кромкой большого загрузочного конуса в опущенном состоянии называется полезной высотой доменной печи, а соответствующий объём — полезным объёмом доменной печи. Мощные доменные печи имеют полезный объём 2000;3000 м3 и являются одними из крупнейших в мире. Директивы по 9-му пятилетнему плану предусматривают строительство доменных печей объёмом 5000 м³.

Работа доменной печи начинается с её задувки. При этом горн и заплечики загружаются коксом, а шахта — так называемой задувочной шихтой. В полностью загруженную печь подаётся нагретое дутьё (уменьшенное количество), кокс воспламеняется, и начинается опускание материалов. Первый выпуск чугуна и шлака производится через 12−24 ч, после чего количество дутья и рудная нагрузка (отношение массы руды к массе кокса в подаче) постепенно увеличиваются, и через несколько дней после задувки доменная печь достигает нормальной производительности.

Рисунок 4 — Доменная печь ШПД-39

Непрерывная работа (кампания) доменной печи от задувки до выдувки (остановки на капитальный ремонт) продолжается 5−6, а в некоторых случаях 8−10 лет и более, в течение которых печь 1−2 раза останавливается на так называемый средний ремонт для замены изношенной кладки шахты. Выплавка чугуна на мощных печах за одну кампанию достигает 5−8 млн. т чугуна и более.

Управление работой (ходом) доменной печи заключается в регулировании (в соответствии с качеством сырых материалов и видом выплавляемого чугуна) состава шихты, количества, температуры и влажности дутья, а также величины подачи или последовательности загрузки отдельных компонентов шихты и уровня засыпи. Ход доменной печи контролируется измерительными приборами, регистрирующими основные параметры загрузки, дутья, колошникового газа, температуру кладки печи на разных горизонтах.

Получили распространение плавка с вдуванием дополнительных видов топлива, обогащением дутья кислородом и работа с повышенным давлением колошниковых газов. При повышении давления на колошнике уменьшается перепад давлений между низом и верхом доменной печи; это обусловливает более ровный сход шихты, улучшает восстановительную работу Иллюстрации к статье на тему «Доменное производство». газов, уменьшает вынос пыли.

Доменное производство характеризуется высокой степенью автоматизации. На современной доменной печи автоматически осуществляются все операции шихтоподачи: набор компонентов шихты с отсевом мелочи, взвешивание, транспортировка на колошник и загрузка в печь по заданной программе. Автоматически поддерживаются оптимальный уровень засыпи и распределение шихтовых материалов на колошнике, давление колошникового газа, расход воды на охлаждение, температура и влажность дутья, а также содержание в нём кислорода и расход природного газа. Автоматизировано переключение воздухонагревателей и управление режимом их нагрева. Автоматические анализаторы обеспечивают непрерывную регистрацию состава колошникового газа и дутья. Внедряются системы автоматического регулирования подачи дутья и природного газа как по общему расходу, так и по отдельным фурмам.

Новые доменные печи оснащаются системами централизованного контроля и управления, которые обеспечивают усреднение показателей приборов и подсчёт комплексных показателей работы печи. Ведутся работы по комплексной автоматизации Доменное производство, в том числе управления тепловым режимом доменной печи с помощью ЭВМ.

2.3 Вторичное расплавление

Вагранка представляет собой шахтную печь, основой которой является сварной металлический кожух 1, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом 2. Щель между кожухом и футеровкой засыпается сухим кварцевым песком 3. В верхней части вагранки находится загрузочное окно 4. Часть шахты вагранки, расположенная ниже загрузочного окна, футеруется чугунными пустотелыми кирпичами 5, которые предохраняют ее от разрушения при загрузке шихты 7.

Загружают вагранку Рисунок 4 с помощью скипового подъемника или консольного крана. Верхняя часть вагранки заканчивается искрогасителем 6.

Рисунок 4-Вагранка Для поддержания горения в вагранке через специальные отверстия 8, называемые фурмами, подается воздух (дутье), нагнетаемый вентилятором. Расплавленный чугун по поду 9, расположенному в нижней части шахты, стекает через специальное отверстие и желоб в копильник 10. В начале работы в вагранку загружают слой кокса высотой 500—1500 мм и поджигают его. Этот слой кокса называется холостой колошей. Затем на холостую колошу загружают рабочую коксовую колошу, флюс и первую порцию металлической шихты. После загрузки материалов через фурмы подают воздух, необходимый для горения топлива. В плавильном поясе чугун и шлаки расплавляются и стекают в горн вагранки. Образующиеся газы, поднимаясь вверх, нагревают металлическую шихту и топливо, а затем уходят в трубу. По мере сгорания кокса и плавления чугуна загружаемая в вагранку шихта опускается вниз, а на ее место загружают новые порции шихтовых материалов. В процессе плавки жидкий чугун скапливается в горне вагранки. Шлак всплывает на поверхность чугуна и периодически выпускается через шлаковую летку. Накопившийся чугун сливается через летку по желобу в специальный копильник, а затем в ковш. Производительность вагранок 0,5—30 т чугуна в час.

В целях пожарной безопасности и предохранения от загрязнения окружающей местности вагранки снабжают искрогасителями, которые одновременно являются и пылеуловителями.

2.4 Литье детали по выплавляемым моделям

Для данной детали выберем литье по выплавляемым моделям.

Применяется в случаях изготовления деталей высокой точности (например лопатки турбин и т. п.) Из легкоплавкого материала: парафин, стеарин и др., (в простейшем случае — из воска) изготавливается точная модель изделия и литниковая система. Наиболее широкое применение нашёл модельный состав П50С50 состоящий из 50% стеарина и 50% парафина, для крупногабаритных изделий применяются солевые составы менее склонные к короблению. Затем модель окунается в жидкую суспензию на основе связующего и огнеупорного наполнителя. В качестве связующего применяют гидролизованный этилсиликат марок ЭТС 32 и ЭТС 40, гидролиз ведут в растворе кислоты, воды и растворителя (спирт, ацетон). В настоящее время в ЛВМ нашли применения кремнезоли не нуждающиеся в гидролизе в цеховых условиях и являющиеся экологически безопасными. В качестве огнеупорного наполнителя применяют: электрокорунд, дистенсилиманит, кварц и т. д. На модельный блок (модель и ЛПС) наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоёв. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняются для формирования плотной поверхности оболочковой формы. Сушка каждого слоя занимает не менее получаса, для ускорения процесса используют специальные сушильные шкафы, в которые закачивается аммиачный газ. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав: в воде, в модельном составе, выжиганием, паром высокого давления. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000 для удаления из оболочковой формы веществ способных к газообразованию. После чего оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000. Нагретый блок устанавливают в печь и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики, далее отрезка ЛПС. Таким образом получаем отливку.

Преимущества этого способа: возможность изготовления деталей из сплавов, не поддающихся механической обработке; получение отливок с точностью размеров до 11 — 13 квалитета и шероховатостью поверхности Ra 2,5—1,25 мкм, что в ряде случаев устраняет обработку резанием; возможность получения узлов машин, которые при обычных способах литья пришлось бы собирать из отдельных деталей. Литье по выплавляемым моделям используют в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства.

В силу большого расхода металла и дороговизны процесса ЛВМ применяют только для ответственных деталей.

Процесс литья по выплавляемым моделям базируется на следующем основном принципе:

* Копия или модель конечного изделия изготавливаются из легкоплавкого материала.

* Эта модель окружается керамической массой, которая затвердевает и образует форму.

* При последующем нагревании (прокалке) формы модель отливки расплавляется и удаляется.

* Затем в оставшуюся на месте удалённого воска полость заливается металл, который точно воспроизводит исходную модель отливки.

2.5 Слесарно-механическая обработка

Фрезерование (фрезерная обработка) — обработка материалов резанием с помощью фрезы.

Фреза совершает вращательное, а заготовка — преимущественно поступательное движение.

В процессе фрезерования участвуют два объекта — фреза и заготовка. Заготовка — это будущая деталь.

В данном случае так как нам нужна расточка, сверление отверстий то используем концевое фрезерование.

Рисунок 6-Оборудование для фрезеровки VB 182 M

Финишная обработка блока цилиндров — фрезеровка наружной поверхности, сверление и расточка отверстий.

Для обеспечения точности, блока обрабатываются за минимальное число переустановок. Процесс полностью автоматизирован (Рисунок 6) — программа управления станками отдает последовательные команды роботу.

Из процесса финишной обработки головки цилиндров человек исключен.

После фрезеровки детали отправляется в магазины.

Вывод: в данной главе была разработана технология производства блока цилиндров двигателя Камаз-740, которая состоит из четырех основных этапов:

1. Доменное производство

2. Вторичное расплавление

3. Литье по выплавляемым моделям

4. Слесарно-механическая обработка.

3. Определение типа производства блока цилиндров двигателя КМЗ- 740

І. Процесс производства чугунного блока цилиндров будет разбит на доменный процесс, процесс литья по выплавляемым моделям, слесарно-механическую обработку.

Процесс доменного производства при изготовлении блока цилиндров:

— Подача шихтовых материалов в бункера

— Подача шихты в колошник доменной печи

— Горячее дутье

— Разливка чугуна

— Разливка шлака

1) Операция подачи шихтовых материалов в бункера — 15 рабочих мест

2) Операция подачи шихты в колошник доменной печи- 6 рабочих мест

3) Операция подачи горячего дутья- 3 рабочих места

4) Операция разливки чугуна — 9 рабочих мест

5)Операция разливки шлака — 5 рабочих мест Операции — 5

Рабочие места — 38

КЗО 5/38=0,13 — массовое производство Объем производства за смену равен: 12 136 т.

ІІ. Процесс литья по выплавляемым моделям

— Изготовление модели

— Сборка формы

— Прокаливание

— Заливка форм

— Зачистка отливки

— Выбивка

1)Операция изготовления модели — 4 рабочих места

2)Операция сборки формы — 5 рабочих мест

3) Операция прокаливание — 2 рабочих места

4) Операция заливки — 2 рабочих места

5) Операция зачистки отливки — 3 рабочих места

6)Операция выбивки — 3 рабочих места Операции — 6

Рабочих мест — 19

КЗО 6/19=0,3 — массовое производство Объем производства за смену равен: 163 шт.

ІІІ. Слесарно-механическая обработка

— Слесарно-механическая обработка на станке

— Фрезеровка наружной поверхности концевым фрезерованием

— Сверление необходимых отверстий концевым фрезерованием

— Расточка имеющихся отверстий концевым фрезерованием

1)Операция слесарно-механической обработки на станке — 2 рабочих места

2)Операция фрезеровка наружной поверхности концевым фрезерованием — 1 рабочие место

3)Операция сверление необходимых отверстий концевым фрезерованием — 1 рабочих места

4)Расточка имеющихся отверстий концевым фрезерованием — 1 рабочее место Операций — 4

Рабочих мест — 5

КЗО 4/5= 0,8 — массовое производство.

Объем производства за смену равен: 53шт.

Значения коэффициентов закрепления операций доменного процесса, процесса литья по выплавляемым моделям, слесарно-механической обработки соответствуют массовому производству, следовательно, производства блока цилиндров относится к массовому производству.

3.1 Разработка требований к технологичности конструкции изделия

3.1.1 Требования технологичности конструкции литой детали

1. При разработке конструкции литой детали необходимо беспрепятственное извлечение модели из формы. Это обеспечивается назначением соответствующих уклонов, которые устраивают на стенках отливок, перпендикулярных плоскости разъема. Модель без уклонов при извлечении разрушает форму.

2. Отливка должна иметь равномерную толщину стенок, избегать локального скопления металла, так называемых горячих мест или термических узлов. Термический узел — место локального скопления металла, которое дольше остается горячим, и больше вероятность образования усадочных рыхлости и раковин. Так же толщина стенок оказывает влияние на массу готового изделия. Однако уменьшение толщины конструктивных элементов отливки допустимо только в определенных пределах, ограниченных условиями прочности, литейными свойствами сплавов и возможностями выбранного способа литья.

3. Отливка не должна иметь острых углов и резких переходов от толстых стенок к тонким. Стенки, расположенные под углом друг к другу, а также стенки различной толщины должны сопрягаться плавными переходами. Это создает условия для более равномерного охлаждения отливки, уменьшает остаточные напряжения, предотвращает коробление и трещины. Для отливок из серого чугуна рекомендуются следующие радиусы закруглений: 1, 2, 3, 5, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40 мм.

4. Конструкция отливки должна быть такой, чтобы количество стержней в форме было минимальным. Это упрощает изготовление и сборку формы. Для изготовления блока цилиндра необходимо 2 стержня.

5.Обеспечение минимальной шероховатости поверхностей отливки, для снижения объема работ по механической обработке детали. Минимальная шероховатости поверхности при литье по выплавляемым моделям составляет Rz =80…40 мкм.

6. Отливка должна обладать максимальной степенью точности, для снижения объема работ по механической обработке детали. При литье по выплавляемым моделям точность отливки грубее 14.16 квалитета.

7. При конструировании отливок должен быть применен принцип направленного затвердевания отливки. Направленное затвердевание способствует получению качественных плотных отливок без усадочных дефектов.

3.1.2 Требования технологичности слесарно-механической обработки

1. Своевременная заточка или замена режущего инструмента для снижения погрешности обработки, вызываемые размерным износом инструмента, и как следствие снижение брака продукции. Предельно допустимый радиус затупления зубьев фрез составляет p = 30…40 мкм.

2. Использование станков повышенной точности, для снижения погрешностей обработки, вызываемые наладкой станка.

3. Привлечение высококвалифицированных наладчиков, от которых будет зависеть точность обработки при автоматическом получении размера на предварительно настроенном станке. Привлечение механиков 5 разряда.

4. Использование встречного фрезерования, при котором фрезерование осуществляется при противоположных направлениях движения фрезы и обрабатываемой заготовки в месте их контакта. При встречном фрезеровании процесс резания происходит спокойнее, так как толщина среза нарастает плавно, следовательно, нагрузка на станок возрастает постепенно.

5. Выбор рационального метода обработки, для сокращения машинного времени. Осуществляется за счет: увеличения количества одновременно обрабатываемых заготовок; увеличения одновременно работающих фрез.

6. Использование торцевых твердосплавных фрез, которые обеспечивают более жесткое крепление на оправке или шпинделе, являются более производительными, чем фрезерование цилиндрическими фрезами.

7. Применение хонингования вместо суперфиниширования, производительность при этом по сравнению с суперфинишированием в 2—4 раза выше вследствие большего количества брусков и больших давлений. Цилиндры хонингуются до шероховатости 0,32 мкм. Число оборотов при хонинговании 250- 350 об/мин.

3.1.3 Требования технологичности для доменного процесса

1. Использование кокса с высокой механической прочностью в горячем состоянии, вследствие нахождения кокса в нижней части шихты, который воспринимает большие нагрузки от столба шихты.

2. Отсутствие содержания мелких и больших фракций в коксе. Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 25—40 мм и не более 80 мм.

3. Использование кокса с высокой пористостью, чем выше пористость, тем интенсивнее происходит горение кокса. Пористость колеблется в пределах 35 — 50% от объема всего куска.

4. Низкое содержание серы и фосфора, снижающих качество чугуна. Содержание серы не должно превышать 2%, а фосфора 0,02%.

5.Обеспечение минимального колебания влажности в коксе, для обеспечения заданного теплового режима печи, при загрузке кокса по массе. Содержание влаги в коксе при сухом тушении не превышает 1%.

6. Использование железной руды с высоким содержанием железа (50−60%), для повышения производительности и экономичности работы печи.

7. Использование флюсов, для понижения температуры плавления пустой породы, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака с высокой серопоглатительной способностью. В качестве флюсов используют доломит, известняк и известь в соотношении 1,0:(3,5−3,6):(0,5−0,6).

8. Применение высоконагретого дутья для снижения расхода кокса. При повышении температуры дутья от 1000 до 1200 °C, расход кокса снижается на 4,5%.

9. Автоматизация распределение дутья и природного газа, при этом производительность печей увеличивается на 2—4% и расход кокса снижается на 1— 3%.

10. Повышение давления газа на колошнике до 0,18 МН*м, для улучшения условий восстановления железа, снижения расхода кокса и уменьшения выноса колошниковой пыли.

Вывод: в данном разделе были сформулированы основные требования технологичности к трем процессам производства головки блока цилиндров КМЗ из серого специального чугуна, а именно требования к детали, получаемой литьем по выплавляемым моделям, требования к процессу слесарно-механической обработки детали, полученной литьем, и требования к доменному процессу литья чушек из серого чугуна.

Так же в данном разделе был рассчитан коэффициент закрепления операций, которые соответствуют массовому производству, следовательно, производства блока цилиндров относится к массовому производству.

4. Совершенствование технологии производства блока цилиндров

В прошлой работе при изготавлении блока цилиндров двигателя Камаз-740 была использована технология литья по выплавляемым моделям, но в процессе модернизации литья был заменен старый способ, на способ литья по газифицируемым моделям из пенопласта.

Литье по газифицируемым моделям — одна из последних современных и перспективных технологий, позволяющих значительно снизить себестоимость готовой продукции предприятий машиностроительного профиля.

4.1 Литье по газифицируемым моделям

Для повышения рентабельности любого производства главным резервом является поиск надежной, простой и высокопроизводительной замены для устаревшей технологии, используемой на предприятии.

Сравнительно недавно появившаяся в России технология литья по газифицируемым моделям, или сокращенно ЛГМ, в наибольшей степени отвечает этим критериям, если говорить о литейном производстве.

В технологии литья по пенопластовым моделям создание модели отливки означает уже наполовину получить саму отливку. Материал, из которого сделана модель отливки, — пенополистирол. Такой же материал применяется для изготовления упаковок, разовой посуды, а также в качестве теплоизоляции при утеплении наружных стен зданий.

Пенополитирол относится к твердым пенам, которые в физической химии определяются как дисперсия газа в твердом веществе, или, точнее, ячеисто-пленочная дисперсная система. В случае технологии ЛГМ матрицей служит полистирол, а диспергируется («дробится» и «рассеивается») газ.

Пенопластовую матрицу изготавливают для серии отливок модели «задуванием» гранул полистирола в легкие алюминиевые пресс-формы, не имеющие особых сложностей в изготовлении, часто многоместные, с последующим вспениванием гранул при нагреве пресс-форм.

Для разовых и крупных отливок (иногда весом до нескольких тонн) применяют вырезание моделей из плит пенополистирола нагретой нихромовой проволокой или фрезой, по шаблонам.

Модель и полученная по ней отливка имеют высокую точность. Для фрезеровки используют специальное оборудование, речь о котором пойдет ниже. В процессе литья расплавленный металл, вследствие высокой температуры, испаряет материал модели и замещает ее.

Именно в этом и состоит основной принцип технологии литья по газифицируемым моделям, который определяет ее название по принятой терминологии в литейном производстве и делает ее уникальной. Традиционно применяемый способ получения отливок имеет предварительную операцию по удалению модели перед заливкой. Это приводит, во-первых, к снижению производительности процесса, а во-вторых, к снижению качества получаемых деталей.

В ЛГМ модель остается в форме, в этом и кроется «секрет» точности получаемых отливок, поскольку литье происходит в неподвижном окружающем песке. Для целей безопасности и улучшения условий труда из контейнера с формой газы откачивают насосом — разрежение поддерживают примерно пол-атмосферы.

Для уникальных отливок (крупногабаритных штампов для кузовов автомобильного производства и т. п.) используют трубчатые газовыводные каналы с поджиганием выходящего из них газа от термодеструкции моделей, чем практически полностью переводят этот газ путем горения в двуокись углерода и пары воды.

Модели отливок производятся на специальных участках с автоклавным оборудованием. Применяются различные варианты вспенивания, специальные позволяют сократить время спекания моделей до 1,52 мин. при толщине стенки получаемой по моделям в последующем отливки 5.10 мм и выше.

Для серийного производства поставляются полуавтоматы, цикл производства моделей на которых составляет около 23 мин. и которые пригодны также для производства фасонной упаковки, легкой тары, декоративных, шумои теплоизолирующих панелей с торцевым замком.

Цех для литья изделий по технологии ЛГМ обычно имеет следующие участки: модельный, формовочный, плавильный, очистной.

Они имеют примерно одинаковые площади и оснащаются относительно простым оборудованием. Вся формовка состоит из засыпки сухого песка с вибрацией контейнера до одной минуты.

При этом нет необходимости в применении массивных высокоточных машин прессования, встряхивания, устройств сборки форм, свойственных традиционным видам формовки. Акцент внимания перенесен на производство моделей с плотностью материала 2 527 кг/куб. м, поскольку качество выполнения модели в основном определяет качество отливки.

После заливки металла и удаления готовой отливки из разрушаемой формы производят оборотное охлаждение песка. Для этого используют пневмопоток. Повторное использование находит примерно 97% песка, потери этого оборота составляют просыпи и отсев мелкой фракции, который выполняют во избежание его запыления. Кроме того, применяют осаждение в циклонах пыли при прохождении отсасываемых газов из формы и дожигание отходящих газов. Для черных и цветных сплавов используется одинаковое оборудование, которое благодаря своей простоте может быть изготовлено в обычных механических мастер ских.

Технология литья по газифицируемой модели возникла во второй половине прошлого века наряду с такими процессами, как вакуумная формовка, непрерывное литье, литье под низким давлением, импульсная формовка и другими современными литейными технологиями. Они широко востребованы на машиностроительных производствах.

В частности, ЛГМ используется в США и Китае, широко применяется на заводах General Motors, Ford Motors, Fiat в составе полуавтоматических и автоматических линий. Сейчас в мире, по оценке экспертов, по пенополистироловым моделям производят ~1,4% от всего количества литья — свыше 1 млн т/год, по прогнозам в ближайшем будущем эта технология займет до 20% мирового литья. В России, тем не менее, ЛГМ все еще остается новым и «многообещающим» способом литья. Например, в 2005 году этим способом произведено 0,1% литья.

Тем временем, применение технологии ЛГМ подтвердило свою высокую эффективность во всем мире. Существенное снижение затрат на единицу продукции происходит за счет следующих факторов.

Прежде всего, это снижение себестоимости за счет используемых материалов. Это экономит не менее 100 долларов с одной тонны литья, а размещение отливок по всему объему контейнера дает экономию по шихте металла и электроэнергии.

Трудоемкость финишных операций сокращается на 1 020% при единичном и на 60% при серийном производстве.

Очень выгодно применение этой технологии при литье партий сложных отливок из износостойких сталей, например, шнеки для машин производства кирпича, зубила, молотки и детали дробилок, вследствие существенного снижения затрат на их механообработку. Также льют без ограничений колеса, звездочки, корпуса, сантехнику, головки и блоки цилиндров бензиновых и дизельных двигателей, художественные, парковые и другие отливки.

Новый способ позволил сделать двигатель легче, изготовленного по традиционной технологии, на 5 кг. Простота и доступность оборудования позволяет легко разместить участки по газифицируемым моделям при кузнях, участках термообработки, ремонтных и других цехах.

4.1.1 Преимущества литья по газифицируемым моделям

Главные достоинства этого метода — возможность получения отливок высокого качества при существенном сокращении трудоемкости и себестоимости процесса.

Суть данного способа литья заключается в следующем. Модель детали, предварительно изготовленную из пенопласта, засыпают песком. Жидкий металл заливается в форму, превращая пенополистирол в газ.

При этом металл замещает собой пенопластовую модель и принимает форму модели. Технология литья по газифицируемым моделям не требует изготовления прессформ, и это позволяет изготавливать единичные отливки при невысокой стоимости.

Эта технология позволяет использовать для литья различные металлы: бронза, чугун, сталь, латунь, алюминий. Поскольку модели из пенополистирола не ограничены ни по размеру, ни по форме, технологию литья по газифицируемым моделям используют для отливок любой массы.

Этот способ литья позволяет сократить затраты на оборудование и материалы, уменьшить число технологических операций и снизить отходы производства.

Более того, качество изготовленной модели позволяет снизить затраты на финишную обработку и даже отказаться от нее.

Зачастую литьем по газифицируемым моделям получают точные и сложные отливки, которые иногда другими способами получить невозможно.

Именно поэтому этот способ очень эффективен для изготовления различной машиностроительной продукции, например, впускные и выпускные патрубки, головки и блоки цилиндров автомобильных двигателей (Рис.6).

Рисунок 7- впускные и выпускные патрубки, головки и блоки цилиндров автомобильных двигателей.

4.1.2 Применение ЛГМ

Применение ЛГМ — недорогой способ перехода к технологии производства высокотехнологичной наукоемкой продукции. Использование эффективных технологий литья позволяет, например, немецким машиностроителям экспортировать до 27% отливок, импортируя руду и металл, в том числе и из России.

Ниже приводится расчет затрат на организацию цеха литья по газифицируемым моделям, составленный на основе рекомендаций специалистов института ФТИМС.

4.1.3 Стоимость организации литейного цеха ЛГМ

Подобный цех позволяет отливать любые детали, максимальная масса отлитой детали ограничена лишь объемом печей и ковшей, толщина стенок не ограничена, к примеру, изготовление многотонных штампов. Качество поверхности обеспечивается огнеупорными красками из недефицитных материалов.

Масса необходимого жидкого металла, например, для получения 2 500 тонн в год отливок соответствует показателю для традиционных технологий литья (в случае применения ЛГМ выше выход годного на 10−20%), поэтому:

¦ коэффициент годных отливок — 0,96,

¦ на литники, прибыли и остатки в ковше теряется около 1 части изготавливаемой детали,

¦ объем производства 5 000 т/год, соответственно 416,7 т/мес.; 17,4 т/сутки, в том числе возвратные собственные отходы металла переплавляются повторно.

Для деталей массой от 0,2 до 20 килограммов используют печи типа ИСТ-0,5, двухтигельные, при работе минимум в 2 смены в сутки. Сменная производительность такой печи в среднем составляет 3,5−4,0 т/смену — 7−8 т/сутки. Минимальное количество печей составит — 3 штуки.

Технология ЛГМ предполагает наличие минимально 2-хучастков/цехов:

¦ модельного, который может быть размещен на втором этаже, так как плотность моделей около 26 кг/куб. м,

¦ формовочно-заливочного.

Модельный участок имеет площад ки:

¦ предварительного подвспенивания и хранения пенополистирола;

¦ сборки и задувки пресс-форм;

¦ спекания пресс-форм;

¦ хранения и сборки моделей в «кусты»;

¦ покраски и сушки моделей и «кустов»;

¦ хранения готовых к заливке моделей.

Формовочно-заливочный участок должен иметь следующие участки:

¦ сборки и формовки моделей в контейнерах,

¦ заливки,

¦ охлаждения,

¦ удаления деталей из контейнеров и высыпки песка,

¦ хранения, подготовки и регенерации формовочного песка,

¦ нейтрализации газов и пыли,

¦ разделки, очистки и хранения отливок,

¦ подготовки и хранения шихты,

¦ площадки печей,

¦ системы водооборота (при необходимости)

5. Анализ двух технологий