Формовочные и стержневые смеси

Основы технологии машиностроения

Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов очной формы обучения направления 15.03.02 «Технологические машины и оборудование. Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»

 

 

Краснодар

 

Составитель: д-р техн. наук, профессор А.Г. Соколов

 

 

УДК 620.22

 

Основы технологии машиностроении: методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов очной формы обучения направления 15.03.02 Технологические машины и оборудование / Сост.: А.Г. Соколов, – Кубан. гос. технол. ун-т. Каф. Машиностроения и автомобильного транспорта. – Краснодар, 2015 – 114 с. Режим доступа: htt://moodle.kubstu.ru (по паролю).

 

Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. кафедры МСАТ КубГТУ Л.Ф Мелехин.;

ген. директор ООО «Биметалл плюс» С.А. Шашерина.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ В РАЗОВОЙ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТОЙ

ФОРМЕ

Цель работы – научиться по чертежу готовой детали разрабатывать чертёж от­ливки, модели, стержневого ящика и формы в сборе.

Задание

Для заданного чертежа детали выполнить следующее:

а) выбрать плоскость разъёма модели и формы с указанием положения отливки в форме - В (верх) и Н (низ);

б) выполнить эскиз отливки с обозначением размеров припусков,
уклонов, усадки металла и стержней;

в) выполнить эскиз модели с указанием габаритных размеров;

г) начертить эскиз стержневого ящика без указания размеров;

д) привести эскиз собранной литейной формы в разрезе с указанием её элементов;

е) дать краткое описание последовательных операций по изготовлению литейной формы и отливки.

Основные положения

Сущность литейного производства заключается в получении от­ливок - литых металлических изделий путём заливки расплавленного металла в специальную литейную форму, в которой он, остывая, за­твердевает и сохраняет её очертания.

Для изготовления литейной формы применяют большое число различных приспособлений, которые называют литейной оснасткой. В её состав входят модели, стержневые ящики, опоки, подмодельные плиты и др.

Модели - приспособления, при помощи которых в формовочной смеси получают отпечатки полости, соответствующие наружной кон­фигурации отливки. Отверстия и полости внутри отливки, а также иные сложные контуры образуют при помощи стержней, устанавли­ваемых в формы при их сборке.

Размеры модели делают больше, чем соответствующие размеры отливки на величину линейной усадки сплава. Если отливки подвер­гаются механической обработке, то в соответствующих размерах модели учитывают размер припусков - слоя металла, удаляемого при механической обработке. Он зависит от размеров отливки и вида сплава. Припуск на верхние поверхности отливки должен быть больше, чем на нижние и боковые поверхности, так как наверху скапливаются шлаки, частички формовочной смеси и газовые включения.

Отверстия небольших размеров, полученные литьем, трудно очи­стить от спёкшейся внутри стержневой смеси, которая отрицательно влияет на стойкость режущего инструмента при последующей меха­нической обработке. Поэтому литьём следует выполнять отверстия, диаметр которых превышает 25...30 мм.

Чтобы легче удалить модель из формы, поверхности её, располо­женные параллельно направлению движения при извлечении из фор­мы, выполняют с формовочными уклонами, зависящими от высоты отливки до линии разъема. Без уклонов при извлечении модели может быть разрушение формы и осыпание формовочной смеси.

Для получения в форме отпечатков знаковых частей стержней, ко­торыми стержень крепится в форме, модель имеет знаки - выступаю­щие части. Сопряжение стенок в отливках должны быть плавными, без острых углов. Скругление внутренних углов называется галтелью, наружных - закруглением.

Модели делают из древесины, металлических сплавов и пластмасс. Деревянные модели изготавливают из плотной хорошо просушенной древесины (сосна, ясень, бук и др.). Для предотвращения коробления модель делают не из целого куска древесины, а склеивают из отдель­ных брусочков так, чтобы направление волокон было различным. Преимущество деревянных моделей - дешевизна, простота изготовле­ния, небольшая масса; основной недостаток - недолговечность.

Во избежание деформирования модели во влажных формовочных смесях и для лучшей вытяжки из формы деревянные модели окраши­вают модельным лаком; для чугунных отливок принят красный цвет, для стальных - синий, для цветных - желтый.

Металлические модели имеют значительно большую долговеч­ность, высокую точность и чистую рабочую поверхность. Такие моде­ли чаще всего делают из алюминиевых сплавов, которые имеют ма­лую плотность, не окисляются, хорошо обрабатываются резанием.

Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги, не подверга­ются короблению, имеют небольшую массу. Перспективным является применение моделей из вспененного полистирола, газифицирующегося при заливке металла, и их не надо вынимать из формы перед заливкой.

Стержневые ящики служат для изготовления стержней и должны обеспечивать равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня. Как и модели, они имеют уклоны; при назначении размеров ящика учитывают усадку сплава и припуск на обработку. Стержневые ящики делают из тех же материалов, что и модели, а по конструкции -неразъёмными (вытряхными) и разъёмными.

Опоки - прочные металлические рамы различной формы, предна­значены для изготовления литейных полуформ из формовочных сме­сей. Их изготовляют из серого чугуна, стали, алюминиевых сплавов, и могут быть литыми, сварными или сборными из отдельных литых частей. Стенки опоки часто делают с отверстиями для уменьшения их массы, удаления газов из формы и для лучшего скрепления формовоч­ной смеси с опокой. Соединяют опоки штырями и центрирующими отверстиями в приливах. Для скрепления опок применяют скобы или другие приспособления.

Формовочные и стержневые смеси

В литейном производстве наиболее распространено получение от­ливок в разовых формах, изготовленных из песчано-глинистых и дру­гих смесей. Разовая форма пригодна для получения только одной от­ливки. При выемке (выбивке) готовой детали форму разрушают.

Формовочные и стержневые смеси должны обладать определен­ными механическими, технологическими и теплофизическими свой­ствами, основными из которых являются: прочность, поверхностная прочность, пластичность, податливость, непригораемость, газопрони­цаемость и др.

Прочность - способность смеси обеспечивать сохранность формы (стержня) без разрушения при её изготовлении и использовании. Формы не должны разрушаться от толчков при сборке и транспорти­ровке, выдерживать давление заливаемого металла.

Поверхностная прочность (осыпаемость) - сопротивление исти­рающему воздействию струи металла. Если она недостаточна, то про­исходит отделение частиц формовочной смеси, которые попадают в отливку.

Пластичность - способность смеси воспринимать очертания мо­дели (стержневого ящика) и сохранять полученную форму.

Податливость - способность смеси сокращаться в объёме под действием усадки металла. При недостаточной податливости в отлив­ке возникают напряжения, которые могут привести к образованию трещин.

Непригораемость - способность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого сплава без оплавления и химического с ним взаимодействия. Плёнки пригара ухудшают качество поверхности и затрудняют последующую обработку. При оплавлении смеси резко снижается её газопроницаемость.

Газопроницаемость - способность пропускать газы через стенки формы вследствие пористости. В расплавленном металле всегда со­держатся растворённые газы, выделяющиеся при его охлаждении и за­твердевании. Большое количество водяных паров и газов выделяется также из самих формовочных материалов при их нагревании. При не­достаточной газопроницаемости в теле отливки могут образоваться газовые пузыри - раковины.

Для приготовления формовочных и стержневых смесей использу­ют как природные, так и искусственные материалы.

Песок - основной исходный материал смесей. Наиболее часто применяют кварцевый песок, в основном состоящий из кремнезема, обладающего высокой прочностью, твёрдостью, огнеупорностью (t_пл =1713 °С). Мелкозернистые пески используют для мелкого литья, что обеспечивает получение гладкой поверхности отливок. Для круп­ных отливок применяют крупнозернистые пески, обеспечивающие бо­лее высокую газопроницаемость формовочной смеси.

Реже для формовочных смесей применяют цирконовый песок (t_пл = 2000 °С), хромит (хромистый железняк t_плl= 1850 °С) и некоторые другие материалы. Они превосходят кварцевый песок по термохими­ческой устойчивости, теплопроводности, но они более дорогие их ис­пользуют в особо ответственных случаях, например, для получения крупных стальных отливок с чистой поверхностью.

Глина - второй основной исходный материал в формовочных сме­сях. Она является связующим веществом, обеспечивающим их проч­ность и пластичность. На практике наиболее широко используют каолинитовые или бентонитовые глины. При наличии влаги на поверхно­сти глинистых частиц образуются гидратные оболочки из молекул во­ды, которые обеспечивают сцепление частиц и вместе с тем лёгкое скольжение между ними. Чем больше глина удерживает на поверхно­сти воды, тем выше её связующая способность, а также и пластич­ность формовочной смеси. При нагревании (сушке) по мере удаления влаги прочность смеси возрастает.

Кроме глины в качестве связующих веществ в формовочные, а особенно стержневые смеси, вводят жидкое стекло, синтетические смолы, декстрин, сульфитно-спиртовую барду и др. Их вводят в состав смеси в количестве 1...3%, но они значительно сокращают продолжи­тельность затвердевания.

Для улучшения свойств песчано-глинистых смесей в них вводят добавки. В качестве противопригарных материалов для стального литья используют пылевидный кварц (маршалит), хромистый железняк, для чугунного и цветного литья – каменноугольную пыль, мазут. С целью увеличения податливости и газопроницаемости литейных форм в сме­си добавляют древесные опилки.

По характеру использования формовочные смеси подразделяются на облицовочные, наполнительные и единые, а по состоянию литей­ной формы при её изготовлении и перед заливкой - на сырые и сухие.

Состав формовочной смеси выбирается в зависимости от литейно­го сплава с учётом его температуры плавления и усадки, а также мас­сы, размеров и конфигурации отливки.

Для предотвращения пригара и улучшения чистоты поверхности отливок формы и стержни покрывают тонким слоем противопригар­ных материалов. Для сырых форм применяют припылы.

В формах для чугунных отливок используют порошкообразную смесь оксида магния, древесного угля и бентонита, порошкообразный графит. В формах для стальных отливок применяют порошкообраз­ную смесь оксида магния и огнеупорной глины, пылевидный кварц, циркон и другие материалы. Для сухих форм применяют противопри­гарные краски, водные суспензии этих материалов с добавками свя­зующих.

Литниковые системы

Литейную форму заливают металлом через литниковую систему, под которой понимают совокупность каналов и резервуаров, по кото­рым расплав поступает из ковша в полость формы. Литниковая систе­ма должна обеспечивать непрерывное поступление металла в форму, питание отливки для компенсации усадки, предотвращать разрушение формы, попадание шлака и воздуха со струёй расплава.

Основными элементами литниковой системы являются литниковая чаша, стояк, шлакоуловитель, питатели (рис. 1.1). Чаша уменьшает размывающее действие струи расплава, задерживает всплывающий шлак. Для лучшего задержания шлаковых включений в литниковые чаши или другие элементы литниковой системы иногда устанавлива­ют фильтры (например, керамические сетки, либо фильтры из специ­альной стеклоткани).

Стояк представляет собой вертикальный конический, обычно су­живающийся к низу канал круглого сечения, по которому металл из литниковой чаши или воронки попадает в шлакоуловитель.

Шлакоуловитель служит для задержания попавших в металл шла­ка и других включений и представляет собой горизонтальный канал, обычно трапециевидного сечения, располагающийся в верхней полу­форме.

Питатели представляют собой каналы прямоугольного или трапе­циевидного сечения, которые примыкают к нижней части шлакоулови­теля и предназначаются для подвода металла непосредственно в по­лость формы. Их располагают в нижней полуформе на некотором рас­стоянии от стояка и концов шлакоуловителя, так как в противном слу­чае в них, а, следовательно, и в полость формы, может попасть шлак. Для лучшего задержания шлака в литниковой системе выдерживается следующее соотношение размера сечения стояка, шлакоуловителя и питателей: F_CT> F_шл> F_nHT.

Над самым высоким местом полости формы, на стороне, противо­положной месту подвода в неё металла, делают выпоры - каналы для выхода из формы воздуха и газов и всплывающих неметаллических включений. Они содействуют нормальной усадке застывающего спла­ва и позволяют контролировать полноту заполнения формы металлом.

При изготовлении отливок из стали у наиболее массивных частей делают прибыли - наполненные жидким металлом полости, предна­значенные для предупреждения образования в отливках усадочных ра­ковин и рыхлот. Они должны всё время пополнять затвердевающую отливку жидким металлом и сами затвердевают последними.

В зависимости от формы, размера отливки, состава и свойств ли­тейного сплава применяются верхняя, нижняя (сифонная) и ярусная литниковые системы. Верхняя система наиболее проста, её применяют для мелких деталей небольшой высоты.

С увеличением высоты про­исходит размывание формы струёй металла, разбрызгивание и окис­ление его, увеличивается количество неметаллических включений в теле отливки.

Нижнюю систему применяют для средних и толстостенных отли­вок значительной высоты. Она обеспечивает спокойное заполнение формы металлом, но она более сложна.

Рисунок 1.1 – Элементы литниковой системы:

1 - литниковая чаша; 2 - стояк; 3 - шлакоуловитель; 4 - питатели; 5,6 - чаша

и стояк выпоров (прибылей); 7 - фильтр из специальной стеклоткани

 

Ярусная система обеспечивает последовательное питание отливки снизу вверх, и её применяют для крупных отливок. Недостатки ярус­ной системы - сложность в изготовлении и значительный расход ме­талла на литники.