Важнейшие технологические процессы заготовительного производства в машиностроении

 

Важнейшими технологическими процессами заготовительного производства в машиностроении являются обработка металлов давлением и литейное производство, при этом основным исходным сырьем машиностроительного производства являются металлы и сплавы на их основе.

Металлами называются непрозрачные кристаллические вещества, обладающие такими характерными свойствами как прочность, пластичность, электропроводность, теплопроводность, блеск. Металлы традиционно подразделяются на две большие группы: черные и цветные.

К черным металлам относят железо и сплавы на его основе – сталь и чугун, а также иногда марганец и хром.

К цветным относят все остальные металлы и сплавы на их основе, среди которых наибольшее применение нашли в машиностроении алюминий, медь, титан, никель.

Огромное преимущество металлических материалов перед остальными состоит в возможности целенаправленного изменения их состава и структуры исходя из конкретных потребностей деталей и изделий машиностроения, а также в том, что по набору своих физических, химических, механических, технологических свойств, а также приемлемости их стоимости они превосходят другие конструкционные материалы, в частности полимерные материалы. При этом необходимо отметить, что в последнее время наблюдается тенденция вытеснения металлов и сплавов на их основе более технологичными полимерными и особенно композиционными материалами, стоимость которых по мере развития технологии их изготовления постепенно снижается.

Важной задачей технологических процессов заготовительного производства является получение заготовок, приближающихся по форме и размерам к готовым деталям.

Обработка материалов давлением является одним из распространенных и прогрессивных способов обработки, так как по сравнению с другими методами она обеспечивает меньшие потери металла, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, увеличение прочности металла, широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов. Заготовки, получаемые обработкой давлением, имеют минимальные припуски на механическую обработку, а иногда и не требуют такой обработки.

При обработке металлов давлением вызывается пластическая деформация, изменяющая форму заготовки без изменения ее массы.

На формообразование заготовок из конструкционных материалов влияет их пластичность, т. е. способность изменять форму под воздействием внешних сил не разрушаясь и сохранять полученную форму после прекращения действия силы. Природная пластичность различных материалов неодинакова и зависит в первую очередь от их структуры и химического состава. Одни материалы обладают высоко пластичностью в холодном состоянии и могут изменять свою форму без предварительного нагрева. Другие для повышения пластичности нагревают и подвергают пластической деформации в горячем состоянии. Исходя из этого, различают холодную и горячую обработку материалов давлением.

При обработке металлов давлением широко применяются следующие технологические методы: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка и др. (рис. 7.2).

Прокатка является наиболее распространенным и экономичным способом обработки металлов давлением. Более 80% выплавляемой стали поступает в прокатное производство, продукция которого стандартизирована и включает более 1000 наименований различного профиля: прокат простого профиля (круг, квадрат, шестигранник и др.), прокат фасонного профиля (швеллер, двутавр, уголок и др.), листовой прокат, трубы, периодический прокат и прокат специального профиля. Перечень прокатываемых изделий с указанием формы профилей и их размеров называется сортаментом проката.

Рис. 2. Виды обработки металлов давлением:

а – прокатка; б – волочение; в – прессование; г – свободная ковка;

д – объемная штамповка; е – листовая штамповка

Сущность процесса прокатки (рис..2, а) заключается в деформировании металла (заготовки) путем обжатия между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего происходит изменение формы заготовки (уменьшается поперечное сечение заготовки и увеличивается ее длина).

Волочение – процесс протягивания (рис.2, б) на волочильном стане прутка через отверстие волочильной доски, при этом поперечное сечение прутка уменьшается, длина увеличивается, а обрабатываемый металл получает форму и размеры этого отверстия. Волочением получают проволоку диаметром от 4 до 0,01 мм и менее, калиброванные валки, прутки различного профиля. Волочение применяют также для уменьшения диаметров труб.

Для получения тонкой проволоки требуется последовательное протягивание исходного материла через несколько отверстий (от 4 до 12), которое называют многократным.

Волочение обеспечивает получение точных размеров заготовок с высоким качеством их поверхности, весьма тонких профилей, в том числе тонкостенных труб, а также различных фасонных изделий.

Прессование – процесс выдавливания металла, заключенного в замкнутый объем цилиндра-матрицы через отверстие в матрице, в зависи­мости от формы и размеров которого получают изделия любой, даже самой сложной формы (рис.2, в). Прессование осуществляется на специальных прессах.

Методом прессования получают прутки различного профиля и размером (5 – 200 мм), трубы с внутренним диаметром до 80 мм. Процесс прессования по сравнению с прокаткой обеспечивает более точные размеры изделий, большую производительность, а также возможность обработки менее пластичных материалов. К недостаткам прессования относят наличие пресс-остатка (отходов), а также ограниченность размеров и массы получаемых изделий.

Свободная ковка (рис.2, г) – процесс горячей обработки металлов давлением, в ходе которого имеет место свободное течение металла в стороны. Исходным материалом при свободной ковке служат слитки, прокат различных профилей и прессованный металл. Изделие, полученное ковкой, называют поковкой.

Свободную ковку применяют преимущественно в единичном и мелкосерийном производствах, а также для получения поковок большой массы. К недостаткам ковки следует отнести в первую очередь низкую производительность процесса, невысокое качество изделий и зависимость качества продукции от квалификации кузнеца.

Штамповка – процесс деформации металла в горячем или холодном состоянии, когда течение металла ограничено стенками рабочей поверхности специального инструмента – штампа. Штамповка может быть объемной и листовой.

Для объемной штамповки (рис.2, д) в качестве исходных материалов служат прутки или штучные заготовки. Штампы для горячей объемной штамповки состоят из двух частей – верхней и нижней. Полости штампа называют ручьями. Одноручьевые штампы применяются при изготовлении простых поковок. В многоручьевых штампах имеется ряд последовательно расположенных ручьев, в которых производят заготовительные и штамповочные операции.

Изделие, полученное объемной штамповкой, называют поковкой.

Листовая штамповка (рис.2, е) является прогрессивным методом обработки металлов давлением, характеризующимся высокой производительностью, простотой технологического процесса, точностью получаемых размеров и низкой себестоимостью. Исходным материалом для нее служат листы, ленты, полосы. Для изготовления изделий толщиной свыше 8 мм применяют горячую листовую штамповку.

Так как при штамповке металл деформируется в заранее изготовленных формах (штампах), то получают более точную и чистую заготовку, чем при свободной ковке.

Штамповку экономически целесообразно применять в серийном и массовом производствах, так как штампы являются дорогим инструментом. Очевидно, что каждый штамп предназначен только для получения определенного типа заготовок.

Технологическое оборудование для обработки металлов давлением делят на основное, дополнительное и вспомогательное.

Основное – оборудование, на котором выполняют технологические операции деформирования металла при прокатке, волочении, прессовании, ковке, штамповке (прокатные и волочильные станы, молоты, прессы и др.).

Дополнительное – оборудование и машины для резки заготовок из сортового проката (пресс-ножницы, зубчатые и фрикционные пилы, ножовочные станки, отрезные фрезерные станки и фрезерные автоматы), нагревательные печи и электронагревательные устройства, посадочные машины, кантователи, манипуляторы.

Вспомогательное – машины и механизмы для транспортировки заготовок от нагревательных устройств к основному оборудованию (мостовые краны, конвейеры, кран-балки, электротали, монорельсы, консольные краны, напольные транспортеры и др.), машины и оборудование для очистки воздуха и газов (вытяжные зонты, вентиляторы, воздуходувки и др.).

Другим широко используемым методом получения заготовок в машиностроении является литье.

Литейное производство – совокупность технологических процессов получения фасонных изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в полую форму, воспроизводящую очертания и имеющую размеры будущей детали. После затвердевания металла в форме получается заготовка или деталь, называемая отливкой.

Литье является одним из важнейших и распространенных способов изготовления заготовок, деталей и готовой продукции. Литьем получают продукцию различных конфигураций, размеров и массы из различных металлов и сплавов: чугуна, стали, сплавов меди, алюминия, магния и т. д. Литье наиболее простой и дешевый, а иногда и единственный способ изготовления заготовок. Точные методы литья позволяют получать отливки с высокой воспроизводимостью размеров и малой шероховатостью поверхностей, часто не требующие дальнейшей механической обработки. Наряду с достоинствами литье имеет и недостатки, основным из которых является неоднородность химического состава и низкие механические качества получаемых отливок.

Сущность процесса литья заключается в том, что расплавленный металл определенного химического состава заливается в заранее приготовленную литейную форму, полость которой по своим размерам и конфигурации соответствует форме и размерам требуемой заготовки. После остывания заготовки, детали или готовые изделия извлекают из форм. Литейные формы могут быть разового и многократного применения.

Для получения отливок высокого качества литейные сплавы должны обладать определенными литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью, низкой усадкой, иметь химическую однородность структуры, низкую температуру плавления и т.д.

Плавление металлов перед заливкой в формы выполняют на различном оборудовании, например: чугун—в вагранках и шахтных печах; углеродистые и легированные стали — в мартеновских и электропечах; медные сплавы — в дуговых, индукционных и пламенных отражательных печах, а также в тиглях; алюминиевые сплавы — в электрических и пламенных печах. Многообразие применяемых технологических процессов литейного производства можно объединить в две группы:

1. получение отливок в одноразовых (разрушаемых) формах;

2. получение отливок в формах многоразового применения.

Рассмотрим особенности технологических процессов литейного производства в разрезе указанных групп.

Получение отливок в одноразовых формах осуществляются при следующих технологических процессах литейного производства: литье в песчано-глинистые формы, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и др.

Литье в песчано-глинистые формы. Несмотря на то, что отливки, полученные этим методом, наименее точны, имеют грубую поверхность, а технологический процесс отличается высокой трудоемкостью и многоэтапностью, литье в песчано-глинистые формы по-прежнему является основным технологическим методом получения отливок на отечественных предприятиях. До 60% от общего объема чугунных и стальных отливок получают методом литья в песчано-глинистые формы. Широкое распространение метода литья в песчано-глинистые формы объясняется таким его технико-экономическим преимуществом, как низкая себестоимость. Она определяется дешевизной и относительной доступностью исходных материалов для литейных форм (кварцевый песок, глина, вода), простейшими по устройству и обслуживанию технологической оснасткой и оборудованием, использованием наиболее дешевого литейного сплава для отливок – серого чугуна. Разовые литейные формы позволяют получать практически любые по конфигурации, сложности и массе отливки.

Технологический процесс получения отливок методом литья в песчано-глинистые формы включает следующие этапы:

· изготовление технологической оснастки;

· приготовление формовочных и стержневых смесей;

· изготовление разовых и литейных форм и стержней;

· расплавление металла и заливка литейных форм;

· охлаждение, выбивка отливок из форм, обрубка, очистка и контроль качества отливок и др.

На рис. 3. проиллюстрирован процесс получения отливок методом литья в песчано-глинистые формы; в подрисуночных надписях приведены название и назначение основных элементов технологической оснастки.

Рис. 3 Изготовление отливки в опоках по разъемной модели

а – отливка; б – разъемная модель; в – стержень; г – формовка в нижней опоке; д – формовка в верхней опоке; е- готовая литейная форма;

1 – верхняя половина разъемной модели; 2 – нижняя половина разъемной модели; 3 – литниковая система; 4 – подмодельная плита; 5 – выпоры;

I – верхняя опока; II – нижняя опока

 

Литейная технологическая оснасткавключает следующие элементы:

· модель – копия будущей детали с некоторыми изменениями, учитывающими припуск на механическую обработку и удобство извлечения модели из формы;

· стержень – элемент литейной оснастки, воспроизводящий очертания внутренних полостей и отверстий в будущей отливке. Стержень изготавливается из песчано-глинистой смеси и в дальнейшем извлекается из отливки;

· литниковая система – каналы, через которые обеспечивается непрерывное поступление расплава металла в полость литейной формы и питание отливки для компенсации усадки;

· опоки – технологическое приспособление в виде жесткой рамы прямоугольной формы, которые служат для удержания формовочной смеси при ее уплотнении;

· выпоры – каналы, через которые из полости формы вытесняется воздух при заливке расплавленного металла.

Литье в оболочковые формы — это способ получения отливок и изделий свободной заливкой расплава в оболочковые формы из термореактивных смесей, представляющих собой смесь кварцевого песка с термореактивной смолой.

Для получения оболочковых форм широко применяется насыпной (бункерный) способ, основанный на использовании поворотного бункера (рис. 4). При данном способе на предварительно нагретую рабочую поверхность модельной оснастки наносится разделительный состав (быстро затвердевающая силиконо­вая жидкость), образующей разделительную пленку, которая предотвращает прилипание к оснастке формовочной смеси и тем самым упрощает последующее отделение оболочки от модели. Модельная оснастка 1 устанавливается на приемной рампе бункера (рис. 4, а), который наполнен песчано-смоляной смесью 2. Засыпка модели и модельной плиты смесью осущест­вляется поворотом бункера на 180° (рис. 4, б). Для формирования оболочки толщиной 5—15 мм пли­ту выдерживают под смесью в те­чение 15—20 с. При этом смола быстро плавится и затвердевает, образуя полутвердую оболочку. Затем бункер возвращают в исход­ное положение (рис.4, в). С него снимают модельную плиту с налипшей оболочкой и помещают в печь для доотверждения оболочки.

Способом литья в оболочковые формы получают отливки массой от 0,2 до 200 кг практически из любых литейных сплавов. Этим способом изготав­ливают ребристые мотоциклетные цилиндры, коленчатые валы автомобиль­ных двигателей.

Преимущества способа литья в оболочковые формы: возможность по­лучения тонкостенных отливок сложной формы; гладкая и чистая поверх­ность отливок; небольшой расход смеси; качественная структура металла за счет повышенной газопроницаемости форм; широкая возможность автома­тизации; небольшие допуски на обработку резанием. Недостатки: ограни­ченный размер отливок (до 1500 мм); высокая стоимость смесей; выделение вредных паров и газов из смесей при изготовлении форм.

Литье по выплавляемым моделям представляет собой процесс получения отливок в неразъемных разовых огнеупорных формах, изготовляемых из легко плавящихся, выжигаемых или растворяемых составов. Являясь одним из древнейших методов художественного и производственного литья, получил в последние годы большое распространение в промышленности из-за высокой точности получаемых отливок.

Рис. 4. Схема изготовления оболочковой формы с помощью поворотного бункера.

 

Литье по выплавляемым моделям применяется для получения различных фасонных отливок из тугоплавких сплавов и отличается высокой точностью размеров и низкой шероховатостью поверхностей получаемых изделий. Поэтому изделия, полученные по данной технологии, практически не подвергаются последующей механической обработке. По выплавляемым моделям отливают, например, металлорежущий инструмент (резцы, сверла, фрезы, метчики и др.), лопатки газовых турбин, колеса насосов и другие сложные по конфигурации изделия.

Для изготовления моделей используют материалы, имеющие низкую температуру плавления (парафин, стеарин, воск, канифоль и др.). Выплавляемые модели изготавливаются в пресс-формах, комплектуются на общую литниковую систему и покрываются несколькими слоями огнеупорного покрытия на основе керамической суспензии. Затем при нагревании модельный материал вытапливается из керамической оболочки, которая в свою очередь заформовывается в песчано-глинистую смесь в опоке. В полученную пустотелую оболочку заливается жидкий металл.

Литье по выплавляемым моделям наиболее целесообразно использовать в условиях серийного и массового производства.

В настоящее время на машиностроительных предприятиях литье в песчано-глинистые формы постепенно вытесняется наиболее прогрессивными способами литья - литьем в оболочковые формы и литье по выплавляемым моделям, а также, литьем в формах многоразового действия, которые называют специальными способами литья.

Тенденции перехода от традиционного литья в песчано-глинистые формы к специальным способам литья объясняется тем, что последние способствуют резкому снижению трудозатрат и металлоемкости получаемых отливок, достижению высоких физико-механических свойств литых деталей. Однако их использование экономически оправдано в условиях серийного и массового производства. При этом заметим, что переход к специальным методам литья представляет собой революционное развитие технологии литейного производства.

Основные технико-экономические показатели специальных технологических процессов литья: получение отливок более точных размеров с высокой чистотой поверхности; повышение коэффициента использования металла и уменьшение объема механической обработки; улучшение качества металла отливок; уменьшение потерь от брака; сокращение производственных площадей; улучшение санитарно-гигиенических условий, повышение производительности труда и др.

Рассмотрим специальные способы литья при получении отливок в формах многоразового использования (литье в кокиль, центробежное литье, литье под давлением и др.).

Литье в кокиль. В кокилях (металлических формах) изготовляют отливки из цветных и черных сплавов самой разнообразной конфигурации. Конструкция и материал кокилей отличается в зависимости от металла получаемой отливки.

Технологический процесс литья в кокиль включает следующие операции:

· подготовку кокиля: подогрев половинок газовыми горелками; нанесение пульверизатором быстротвердеющей теплоизоляционной окраски; простановка стержня; сдвигание и зажим половинок кокиля;

· заливку, затвердевание и охлаждение расплавленного металла; раскрытие половинок кокиля, удаление стержня из отливки и отливки из кокиля;

· обрубка, очистка и контроль качества отливок.

Для крупносерийного и массового производства отливок наиболее целесообразно применение специальных (четырех- и более многопозиционных) машин. По сравнению с универсальными для этих машин характерны:

· высокая производительность, благодаря совмещению во времени всех операций технологического цикла (эволюционное развитие технологии);

· минимальная занимаемая площадь, наименьшие энергетические затраты, удобство обслуживания и наиболее рациональная организация работы;

· возможность механизации и автоматизации основных и вспомогательных операций и на этой основе возможность встраивания в автоматические линии производства отливок (рационалистическое развитие технологии).

При технико-экономической оценке кокильного литья следует учитывать достоинства и недостатки этого технологического метода получения отливок.

Достоинства: возможность многократного использования кокилей; повышенная точность размеров и малая шероховатость поверхности отливок; улучшение механических свойств металла отливок; высокая производительность труда; снижение стоимости отливок; сокращение потребности в производственных площадях и улучшение условий труда; сокращение трудоемких и энергоемких операций очистки отливок; широкие возможности комплексной механизации и автоматизации процесса литья.

Недостатки: трудоемкость и сравнительно высокая стоимость изготовления кокилей; быстрое охлаждение расплава при заполнении металлической формы, которое может привести к образованию внутренних напряжений и трещин в отливках; ограниченные возможности отвода воздуха и газов из полости металлической формы.

Центробежное литье — высокопроизводительный способ изготовления отливок тел вращения с центральным отверстием — труб, втулок и др., а также фасонного литья из чугуна, стали и цветных сплавов. Сущность центробежного литья заключается в том, что расплавленный металл заливается во вращающуюся форму. Под действием центробежных сил он отбрасывается к стенкам формы, затвердевает, получая плотную структуру без усадочных раковин. Неметаллические включения собираются на внутренней стороне отливки и удаляются при дальнейшей механической обработке.

Для центробежного литья применяют два типа машин: с горизонтальной и вертикальной осями вращения формы (рис. 5).

В машинах с горизонтальной осью вращения (рис. 5, а) металл из ковша 1 через желоб 2 заливается во вращающуюся форму 3, где затвердевает. После охлаждения готовая отливка с помощью специальных приспособлений извлекается из формы.

Отливки получаются точной конфигурации, с малой шероховатостью поверхностей и имеют плотную мелкозернистую структуру металла.

 

Рис. 5. Центробежное литье на машинах с

а) горизонтальной осью вращения формы; б) вертикальной осью вращения формы;

 

Машины с горизонтальной осью вращения применяют для изготовления чугунных и стальных труб, втулок и других тел вращения с отверстием.

Машины с вертикальной осью вращения (рис. 7.5, б)— для получения фасонного литья малой высоты.

Центробежным способом получают канализационные трубы, корпуса полых валов из коррозионностойких сталей диаметром (массой до 60 т), биметаллические втулки (сталь–чугун, чугун–бронза) диаметром более 1 м для подшипников скольжения и другие крупногабаритные цилиндрические изделия ответственного назначения для бумагоделательных машин, оборудования химической и металлургической промышленности, тепловой и атомной энергетики и др.

При оценке эффективности центробежного литья необходимо иметь в виду также его преимущества перед кокильным: уменьшается расход металла вследствие отсутствия литниковой системы; исключается потребность в стержнях; улучшается заполняемость литейной формы сплавом с пониженной жидкотекучестью; повышаются точность и механические свойства отливок. Процесс механизируется и автоматизируется, что обеспечивает высокую производительность, улучшаются санитарно-гигиенические условия работы литейщиков. К недостаткам центробежного литья относят в первую очередь ограниченность габаритов и номенклатуры получаемых отливок, а также высокую стоимость используемого оборудования.

Литье под давлением является наиболее производительным и экономичным процессом в массовом производстве тонкостенных от 0,8 мм и выше отливок с массой от нескольких граммов до 25–50 кг любой сложности и конфигурации с большой точностью размеров и высоким качеством поверхности, исключающим механическую обработку. Литьем под давлением изготовляют главным образом детали из легкоплавких цветных сплавов: алюминиевых, магниевых, цинковых и реже – медных. Литье под давлением находит применение в автомобильной, авиационной, электротехнической, приборостроительной, сантехнической и других отраслях промышленности. Сущность процесса состоит в том, что металл под высоким давлением (от 200 до 2000 МПа) в расплавленном или полужидком состоянии со скоростью 0,5…140 м/с запрессовывается через систему литниковых каналов в рабочую полость разъемной пресс-формы. В пресс-форме металл кристаллизуется, затвердевшая отливка выталкивается из нее. Пресс-формы устанавливают на специальных машинах литья под давлением. Производительность литейных машин – от 60 до 3000 отливок в час.

На рис. 6 показана последовательность стадий получения отливки под давлением.

Рис.6. Схема получения отливки на гидравлической поршневой машине с холодной вертикальной камерой сжатия

 

Расплавленный металл подается порцией в камеру прессования 2, в результате чего открывается питательный канал 3 и металл поступает в полость пресс-формы 5. После заполнения пресс-формы и выдержки в течение 3…30 с поршень 1 и пята 4 поднимаются, при этом пята отрезает литник и выталкивает пресс-остаток 6. Подвижная часть пресс-формы 8 отходит вправо, и отливка 7 легко извлекается. Перед началом работы пресс-форму подогревают и смазывают. В процессе работы поддерживается необходимая температура. Для съема и удаления отливок из пресс-формы используют различные механизмы, в том числе роботы-манипуляторы. Устанавливают также роботы заливки жидкого металла в камеру прессования.

В условиях массового производства экономически оправдано применение литья под давлением, так как этот способ позволяет снизить трудоемкость получения отливок в 10–12 раз, а трудоемкость механической обработки – в 5–8 раз.

Технологическое оборудование литейного производства подразделяется на основное, дополнительное и вспомогательное.

Основное оборудование – машины и оборудование для подготовки исходных материалов (сушила, мельницы, дробилки, сита), приготовления формовочных и стержневых смесей (смесители), изготовления литейных форм и стержней (формовочные и стержневые машины, пескометы, пескодувные машины), оборудование для специальных методов литья, для плавки металлов (вагранки, дуговые и индукционные печи и др.).

Дополнительное оборудование – транспортирующие, грузоподъемные и грузонесущие машины и механизмы (конвейеры различных типов, мостовые краны, кран-балки, электротали и др.).

Вспомогательное оборудование – оборудование для очистки воздуха, удаления газов в литейных цехах (вентиляторы, воздуходувки, вытяжные зонты и др.)

Помимо обработки давлением и литья, в заготовительном производстве используется также технология сварки (рис.1). В зависимости от вида изделий машиностроения данный технологический процесс используется также и в сборочном производстве. Поэтому технология сварки наряду с другими технологическими процессами создания неразъемных соединений будет рассмотрена в шестом вопросе.