Исследовательская работа "Преимущества технологии литья методом ЛГМ"

СОГБПОУ «Рославльский многопрофильный колледж»

Научно-практическая студенческая конференция

«Наука, творчество, молодежь – Россия будущего»

Направление Перспективы моей будущей профессии в современной России.

Тема: «Преимущества технологии литья методом ЛГМ по сравнению с традиционными методами литья»

Выполнили: Ильин Андрей Сергеевич,

Райков Александр Викторович,

Симонов Артем Александрович,

Савин Дмитрий Викторович,

Касаткин Дмитрий Павлович,

Чертков Михаил Владимирович

Сафоновский филиал ОГБПОУ

«Смоленская академия

профессионального образования»

Курс 3

Специальность 15.02.08

Технология машиностроения

Руководитель:

Савельева Людмила Николаевна

2018 г.

Содержание

Введение

Технология машиностроения – это интересная, востребованная и перспективная специальность в современной России. Эта самая уникальная и выгодная профессия! В ней можно получить очень много возможностей и способностей, новых интересных знаний, которые всегда будут востребованы в жизни. С одной стороны, это технические специалисты, занимающиеся проектированием и расчетами, с другой – это творцы, которые изобретают и придумывают необыкновенные механизмы и устройства.  Эта интересная профессия, позволяющая ее обладателю полностью реализовать свой потенциал и получить заслуженное признание.

Среди промышленности ведущее место занимает машиностроение. Это определяется тем, что все процессы в материальном производстве, транспорте, строительстве и сельском хозяйстве связаны с использованием машин разного назначения. Конструкции машин беспрерывно совершенствуются согласно с требованиями производства и эксплуатации, а также на основе введения эффективных результатов научно-технических исследований, появления новых материалов и способов получения из них нужных форм и свойств.

Создание новых машин, которые отвечали бы современным требованиям, связано с необходимостью подготовки высококвалифицированных инженерных кадров машиностроительного профиля. Основным заданием данной дисциплины есть развитие знаний, которые обеспечивают беспрерывное совершенствование технологических методов производства и повышения продуктивности труда в машиностроении.

Технология изготовления заготовок является комплексным курсом, в котором излагается теория построения и методы расчета технологических процессов машиностроительного производства, включающим в себя получение заготовок, механическую обработку резаньем и построения машин и их элементов, а также требования к конструктивному оформлению.

3

Данная исследовательская работа предполагает выбор наиболее рационального технологического процесса получения литой заготовки, который определяется конструктивной сложностью детали, ее габаритами, требованиями к качеству, условиями эксплуатации, видом сплава, объемом и серийностью производства, степенью механизации и автоматизации используемого на данном предприятии оборудования. Основным фактором, определяющим выбор технологического процесса, является обеспечение минимальных припусков под механическую обработку, что в свою очередь зависит от точности изготовления отливки.

Среди специальных способов литья в последние годы широкое распространение получил технологический процесс производства отливок по газифицируемым моделям. Достоинствами данного способа литья являются:

• применение в качестве материала формы сыпучих материалов и упрочнение формы вакуумом;

• использование неизвлекаемой из формы модели, обеспечивающей прочность формы при ее заливке металлом;

• значительно уменьшается, а иногда и полностью исключается стержневое, формовочное и смесеприготовительное оборудование;

• существует возможность комплексной автоматизации всего технологического процесса.

Все перечисленные достоинства, а также повышение коэффициента использования металла, уменьшение массы литых заготовок, снижение трудоемкости изготовления отливки определяют рациональную область использования литья по газифицируемым моделям.

Способ может использоваться как в единичном, так и в серийном и массовом производствах отливок из различных сплавов массой от нескольких грамм до десятков тонн. [ 1 ]

4

Существует несколько разновидностей технологических процессов производства отливок по газифицируемым моделям, которые отличаются в основном способом изготовления литейной формы. Выбор того или иного технологического процесса зависит главным образом от объемов производства, массы и конфигурации отливки, технических требований к качеству литья.

Цель работы:

- Теоретически и экспериментально исследовать технологические методы получения отливок по газифицируемым моделям, определить преимущества технологии литья методом ЛГМ по сравнению с традиционными методами литья.

Задачи:

- Выполнить анализ процессов производства литых заготовок по газифицируемым моделям и факторов, влияющих на их качество;

- Проанализировать преимущества и недостатки литейного производства.

Объект исследования: литые заготовки, методы производства литых заготовок.

Методы исследования:

Работа выполнена совместно с предприятием ОАО «Теплоконтроль» с применением комплекса исследований, включающих аналитические и экспериментальные испытания. В процессе проведения работы экспериментально получены литые заготовки по газифицируемым моделям.

5

1 Сущность и технологические схемы процесса. Анализ процессов, происходящих в литейной форме.

В отличие от традиционных способов литья, получение литых заготовок погазифицируемым моделям заключается в том, что модель удаляется (газифицируется) не до заливки, а в процессе заливки формы металлом, который, замещая испаряющуюся модель, занимает освободившееся пространство в полости формы. Разовые пенополистирольные модели изготавливают засыпкой в специальные металлические пресс-формы суспензионного полистирола в виде подвспененных гранул, сложные модели делают по частям. Отдельные части и литниковую систему соединяют в единый блок склеиванием.

Собранную модель окрашивают слоем огнеупорной краски и сушат на

воздухе. В итоге получается огнеупорная газопроницаемая оболочка, прочно связанная с пенополистирольной моделью.

Готовую модель устанавливают в специальную опоку-контейнер, засыпают зернистым огнеупорным песком.

При изготовлении отливок контейнер после подачи опорного материала закрывают сверху полиэтиленовой пленкой,создают вакуум.Приготовленную форму заливают жидким металлом, под действием теплоты заливаемого расплава модель газифицируется. При этом полость формы постепенно освобождается и заполняется металлом.

1.1 Литейный пенополистирол

Материалом для изготовления газифицируемых моделей служит вспенивающийся полистирол, который представляет собойсинтетический полимерный продукт суспензионной полимеризации стирола в присутствии эмульгатора, стабилизатора и порообразователя.

6

Применяемые гранулы вспенивающегося полистирола представляют собой полупрозрачные или белые непрозрачные шарики диаметром до 3,2 мм с внешней твердой полистирольной оболочкой, внутри которой находится жидкая фаза – изопентан. Чем тоньше стенки модели, тем мельче должны быть гранулы вспенивающегося полистирола. При нагреве изопентан закипает и превращается в газ с увеличением объема, а при 80 – 90оС полистирольная оболочка размягчается и под действием давления газа деформируется. При этом объем гранул увеличивается в 10-40 раз.

Этот процесс называется «вспениванием гранул полистирола». При вспенивании гранул в замкнутом объеме, они спекаются в монолитную массу, точно воспроизводящую конфигурацию ограничивающей ее рост конструкции.

Для изготовления отливок по газифицируемым моделям, пенополистирол должен обладать следующими свойствами:

- при плотности 20 – 30 кг/м3 иметь достаточную технологическую прочность (0,1 – 0,2 МПа), чтобы сохранять размеры и конфигурацию моделей в процессе их изготовления, хранения, транспортирования и формовки;

- на всех стадияхтехнологического процесса иметьминимальную и стабильную усадку (0,15 – 0,2%);

- обладать достаточной скоростью газификации, чтобы заливаемый металл успел заполнять полость формы до начала его затвердевания;

- при газификации разлагаться с минимальным содержанием коксообразующихпродуктов во избежание появления засоров в отливках.

1.2 Изготовление моделей в пресс-формах.

Процесс получения моделей состоит из двух стадий; предварительное вспенивание исходных гранул вспенивающегося полистирола в свободном состоянии и окончательное вспенивание гранул в замкнутой полости пресс-формы – получение модели.

7

Вспенивающая способность гранул заданной дисперсности определяется температурой и временем тепловой обработки.

При экспериментальных испытаниях предварительное вспенивание полистирола проводилось в камере парового спекателя, который разогревался до температуры 125-1300С.

Гранулы полистирола при вспенивании увеличиваются при этом в 7-9 раз.

Вес вспененного полистирола не менее чем в 30 раз легче веса исходного.

Предварительное вспенивание гранул исходного полистирола производили в камере парового спекателя, рассыпав один стакан (250 мл) равномерным слоем на сите. Предвспенивание полистирола происходило в закрытой камере спекания при температуре 110ºС в течение 60 секунд: подача пара в камеру - 30 секунд, выдержка в после подачи пара 30 секунд. В процессе предвспенивания контролируется насыпной вес: производили рассев полистирола через сито, затем определение взвешиванием насыпного веса (0,02 – 0,03 г/см³), как показано на рисунках 1, 2 и 3. Вспененный полистирол обрабатывается антистатиком для снятия статического электричества при задувке гранул в форму, сушится в течение 0,5-2 часов.

Рисунок 1, 2 - Предварительное вспенивание полистирола

8

Рисунок 3, – Контроль режимов предварительного вспенивания полистирола

При остывании полистирола, оболочка гранул, охлаждаясь, вновь переходит в стеклообразное твердое состояние, а пары изопентана конденсируются, что приводит к возникновению вакуума в гранулах. В процессе выдержки происходит диффузия воздуха внутрь гранул и давление выравнивается.

Изготовление моделей в пресс-формах заключается в повторном нагреве подвспененных гранул полистирола, помещенных в пресс-форму, в результате которого они окончательно вспениваются и спекаются между собой, образуя пенополистирольную модель отливки.

Подготовленные гранулы задувают сжатым воздухом в рабочую полость пресс-формы так, чтобы они полностью заполнили ее объем. (Рис. 5,6). Нагрев производят способом «теплового удара», перегретый пар (температура 124-127 градусов) подают под давлением 1,4-1,45 кг/см2, проходя между гранулами, поток пара вытесняет воздух, равномерно нагревая полимерный материал, который окончательно вспенивается. По окончанию процесса пресс-форму охлаждают, извлекают модель. Качество моделей проверяют визуально, а затем их сушат. Модели представлены на рисунках 9 и 10.

9

Рисунок 5, 6 – Установка для задувки полистирола и пресс-форма, помещенная в паровом спекателе

Рисунок 7,8 – Контроль режимов вспенивания полистирола и охлаждение пресс-форм

Рисунок 9,10 – модели из полистирола

10

1.3 Сборка, склейка и покраска моделей

Перед сборкой модели сушат не менее 24 часов, затем производят сборку склеиванием (наносят клей на разъем модели кистью), сушат от 2 до 4 часов. Вырезают питатели, приклеивают к модели. Производят сборку модельных блоков припайкой, выдерживая расстояние от литниковой чаши до моделей не менее 100 мм, между моделями не менее 50 мм, проводят визуальный контроль качества сборки. Схемы сборок моделей в блоки представлены в приложениях 3 и 4.

Согласно технологическому процессу готовят противопригарное покрытие на водной основе, производят окраску блоков моделей окунанием (обливом) моделей в емкость, затем сушат на воздухе от 2 до 4 часов при температуре 18-20 градусов, затем в сушильном шкафу при температуре 50º С в течение 12 часов, контролируют качество покрытия.

После сушки покрытие предохраняет отливку от пригара и повышает прочность модели.

Готовые окрашенные блоки с участка изготовления газифицируемых моделей переносят на участок формовки.

11

2 Подготовка к формовке. Формовка.

Перед формовкой наполняют бункер песком, проверяют температуру песка (более или 40 градусов). Опоку устанавливают на вибрационный стол по упорам. Засыпают в опоку формовочный сухой песок толщиной 150-250 мм. Включают вибростол и уплотняют постель. Уплотнение песка проверяют деревянным датчиком (трамбовкой). На песчаную постель по уровню (деревянной линейке или планке) устанавливают модельные блоки. Перед установкой визуально проверяют качество всех блоков на отсутствие отслоения противопригарного покрытия, щелей в местах склейки частей моделей, стояка, питателей. Схемы формовки представлены в приложениях 5 и 6.

Литниковые чаши накрывают металлическими крышками, расстояние от стенок опок до блока моделей и между блоками должно быть не менее 60-70 мм. Заполняют опоку песком за 2-3 приема, уплотняя вибрацией каждый слой песка, как показано на рисунках 13 и 14. Проверяют качество уплотнения песка деревянным датчиком.

Перемещают и устанавливают опоку в зону заливки металлом. (Рис.15)

Рисунок 13, 14 - Заполнение опоки формовочным песком

12

Рисунок 15 – Готовая опока к заливке, подключение вакуума

13

3 Плавка металла. Заливка металла. Получение металлических отливок

Опока устанавливается в зоне заливки металлом. С блоков снимают металлические крышки, продувают стояки сжатым воздухом. Полиэтиленовой пленкой накрывают опоку с напуском 100-150 мм.

К опоке подключают вакуумный рукав и подают вакуум 0,55-0,6 кгс/см² в опоку.

Плавку металла производят с помощью индукционной печи согласно технологической инструкции, перед заливкой проверяют и замеряют температуру расплава (пирометр, термоизмерительТПЦ-1800- до 1800 градусов). Индукционная печь представлена на рисунке 18.

При разливке применяют таль канатную электрическую. Расплавленный металл выпускают в ковш и перемещают ковш с металлом в зону заливки. Металл заливают в формы непрерывной струей, в начале, умеренной (высота от носка ковша до литниковой чаши не более 200 мм), затем ускоряют до предельного заполнения литниковой чаши. Остаток металла сливают в сухие изложницы. После заливки опоку под вакуумом выдерживают в течение 5 минут, затем отключают вакуумный насос и отключают от опоки вакуумный рукав. Отливку в опоке выдерживают в зависимости от вида сплава: чугун- 40 минут, сталь - от 2 до 10 часов (в зависимости от веса и марки стали). Что представляет собой опока после заливки, можно увидеть на рисунке 19.

Залитые блоки отливок удаляют из опоки вручную ломиком или клещами. Отливки перемещают на тележке или вручную на обрубку.

Опоку с помощью подъемника перемещают в зону действия электротельфера, затем ее перемещают на выбивную решетку, включая элеватор и выбивную решетку, удаляют песок из опоки, и с помощью тельфера и подъемника перемещают ее на место хранения или для формовки на вибростол.

14

Отливки отделяют от литниковой системы молотком или на отрезном станке. (Рис.20)

Наружные и внутренние поверхности отливок очищают струей дроби, удаляют неровности, приливы, мелкие дефекты. Производят контроль отливок как визуально, так и по размерам, подлежащим механической обработке, после этого перемещают на обработку в механический цех.

Рисунок 18 – Индукционная печь

Рисунок 19 – Опока после заливки

15

Рисунок 20 – Металлические отливки

16

Заключение

При анализе производства отливок по газифицируемым моделям, сопоставляя их с традиционными способами литья, можно констатировать, что новый способ производства отливок перевернул устоявшиеся представления о требованиях к литейной форме. Модели, изготовленные из легких пеноматериалов, не удаляются из формы после формовки. Они остаются в литейной форме и во время заливки газифицируются за счет тепла расплавленного металла, заливаемого в форму. Эта особенность позволяет увеличить точность получаемых отливок, она возрастает в 2-5 раз, за счет отсутствия формовочных уклонов, уменьшения припуска на механическую обработку, масса отливок при литье по газифицируемым моделям уменьшается на 10–12%. Трудоемкость формовки и финишных операций снижается на 10– 20% при единичном и на 40–60% при серийном производстве отливок, значительно сокращается цикл производства литья и его себестоимость. ЛГМ – процесс, позволяющий выполнить внутреннюю конфигурацию отливки полностью в модели, исключая использование стержней. Это также повышает точность отливок.

Свойства пенополистирола, из которого изготавливается модели для ЛГМ-процесса, позволяют производить сборку моделей, состоящих из нескольких частей, сборку моделей в модельные блоки путем склеивания, это значительно расширяет возможности технолога по конструированию литниковой системы, подводу металла в наиболее благоприятное место без привязки к разъему формы. Неразъемная литейная форма позволяет расположить модели наиболее рациональным способом по всему объему опоки, или расположить несколько модельных блоков, значительно повысив коэффициент выхода.

При освоении данного способа производства отливок изменилось

представление о требованиях к формовочному материалу: появилась

17

возможность использовать сыпучие несвязанные материалы, такие как сухой кварцевый песок без связующих материалов. Процесс формовки при этом значительно упростился и сократился. Изготовление литейной формы уже не требует такого квалифицированного труда литейщика, как при литье в песчано-глинистые формы. Отпадает необходимость в использовании различных смол и крепителей, отпадает операция подготовки формовочной смеси, сокращаются затраты на материалы и их транспортировку, уменьшаются производственные площади, снижается себестоимость литья.

Формовочный песок, как правило, находится в обороте и понятие «расход формовочных материалов на 1 т годного литья» сводится исключительно к понятию «безвозвратные потери песка» - включающие в себя потери при формовке, транспортировке, выбивке и регенерации песка, не превышающие 50-60 кг на 1 т литья.

Использование в технологическом процессе литья по газифицируемым моделям всего 4 материалов (пенополистирол – для изготовления моделей, кварцевый песок – формовочный материал, противопригарное покрытие, полиэтиленовая пленка – для вакуумирования контейнеров) и недорогого оборудования и оснастки дает возможность комплексной механизации и автоматизации технологического процесса.

Таким образом, в ходе выполнения исследовательской работы были изучены процессы, происходящие в литейной форме, при изготовлении отливок по газифицируемым моделям, особенности формирования физико-механических свойств отливок по ЛГМ-процессу, процесс термодеструкции модели в полости формы под воздействием тепловой энергии расплавленного металла, скорректированы основные детали литейной оснастки и технологические параметры процесса.

Использование полученных результатов в производстве позволит получить высококачественные литые детали с заданным уровнем свойств при значительном снижении литейного брака.

18

Список литературы:

1 . Озеров В.А., Шуляк В.С., Плотников Г.А. Литье по газифицируемым моделям. - М: Машиностроение, 1970. – С.165.

2. Степанов Ю.А. и др. Литье по газифицируемым моделям. - М: Машиностроение, 1976. – С. 231.

3. Чуркин Б.С. и др. Специальные способы литья: учебник. - Екатеринбург: Издательство Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2010. – С.731.

4. Шинский О.И. Новое в теории и практике литья по газифицируемым моделям// Литейное производство . 1991 . № 1 . – С.102.

5. Шуляк В.С., Рыбаков С.А., Григорян К.А. Производство отливок по газифицируемым моделям. - М : Изд-во РИЦ МГИУ, 2002. – С.132.

6. Шуляк В.С. Литье по газифицируемым моделям. - СПб .: Профессионал, 2007. – С.26.

7. Шуляк В.С., Шинский О.И., Хвостухин Ю.И. Экологические аспекты литья по газифицируемым моделям // Литейное производство . 1993 . № 7 .- С.12.

19

Приложение 1

Карта ТТП на деталь «Крышка СНИЦ 711. 142. 02 »

20

Приложение 2

Карта ТТП на деталь «Корпус СНИЦ. 731.270.06»

21

Приложение 3

Сборки крышки в блок

22

Приложение 4

Сборка корпуса в блок

23

Приложение 5

Схема формовки корпуса

24

Приложение 6

Схема формовки крышки

25