Технико-экономический сравнительный анализ выбора заготовки

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 13Следующая ⇒

Вначале необходимо выбрать целесообразные варианты изготовления заготовок. Далее необходимо определить себестоимость и трудоемкость изготовления детали по всем выбранным вариантам, сопоставить их и выбрать наиболее экономичный.

Производственная себестоимость охватывает все затраты предприятия на изготовление детали.

Для определения себестоимости готовой детали можно использовать графический метод зависимости себестоимости изготовления детали от годовой программы выпуска для различных вариантов техпроцессов. По ординате откладываем себестоимость, по абсциссе – годовую программу. Чем больше деталей в партии, тем более экономичны процессы 3 и 4.

1-литье в песчано-глинистые формы,

2-ковка в подкладных штампах,

3-литье в кокиль,

4-горячая объемная штамповка.

N – числа критической серийности

При выборе способа изготовления заготовки нужно учитывать, какое влияние они оказывают на себестоимость дальнейшей обработки детали. Переход к более точным способам изготовления заготовок нередко бывает, связан с повышением стоимости заготовки, и основной экономический смысл перехода должен заключаться в таком снижении трудоемкости механической обработки, которое делало бы этот переход экономически целесообразным.

Иногда и при небольшом объеме производства возможен переход к более точным и производительным способам изготовления заготовок, т.к. более дорогая заготовка с меньшими припусками и с большей точностью может оказаться, в конечном счете, выгоднее.

Стоимостную оценку адекватных технологических процессов строят на определении для каждого из них или годовой технологической себестоимости, или приведенных затрат, рассчитываемых по всем операциям процесса изготовления заготовок и их обработки.

Получение заготовок литьем

Сущность литейного производства

Литье является одним из наиболее распространенных методов формообразования заготовок. По сравнению с другими методами получения заготовок литье обладает рядом преимуществ: изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы; получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием.

Независимо от того, каким способом получается отливка, сущность литейного производства остается неизменной: получение жидкого сплава требуемого состава и заливка его в заранее приготовленную форму.

Схема литья предусматривает четыре основных этапа. Первый — выплавка металлического сплава требуемого состава и перегрев его до температуры, обеспечивающей качественное заполнение форм. Обычно температура заливки металла в форму не превышает более чем на одну пятую температуру плавления сплава. Для приготовления литейных сплавов применяют самые разнообразные печи: шахтные, пламенные, дуговые, индукционные, оптические печи, печи инфракрасного нагрева и др.

Второй этап — изготовление формы, которая должна возможно более точно воспроизводить контуры изделия, ибо в противном случае существенно увеличиваются затраты труда на обработку отливок. Этот этап наиболее важен, ибо необходимо учитывать особенности поведения металла при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении. Различные металлы ведут себя при кристаллизации по-разному. Одни, например, сталь, дают усадку; другие, как чугун, наоборот, расширяются. Причем величина усадки зависит от множества факторов, учесть которые заранее затруднительно.

Изготовление формы предусматривает предварительное создание модели, в размерах которой учтены особенности затвердевания металла, а конструкция должна обеспечивать легкое извлечение ее из формы. Однако изготовить модель определенных размеров еще недостаточно. Нужно создать вокруг нее достаточноогнеупорную среду, не взаимодействующую с расплавленным металлом и не разрушающуюся при его движении.

К огнеупорной среде, окружающей модель, предъявляется целый комплекс требований. Она должна быть достаточно пластичной, чтобы точно воспроизвести топографию модели, не прилипая к материалу последней; газопроницаемой, чтобы отводились газы, выделяющиеся при охлаждении: а после охлаждения отливки огнеупорная среда (называемая часто литейной землей) должна легко и полно отделяться от металла.

Заключительные стадии технологии: заливка металла в форму, его кристаллизация, охлаждение и извлечение готовой отливки из формы.

Разнообразие приемов литья, сложившихся за длительный период развития технологии, позволяет получать как простые массовые детали, так и сложные узлы весом от десятых долей грамма до отливок, вес которых превышает 600 т. Но во всех случаях одна из главных проблем — повышение геометрической точности отливки.

В пределе вообще возможен переход от выпуска литых заготовок к выпуску литых деталей, пригодных для использования без последующей механической обработки.

Основное отличие точного литья от рядового — высокая геометрическая точность заготовок.

Помимо геометрической точности, особое внимание уделяется чистоте поверхности. Шероховатость ее зависит от способа изготовления, материалов формы, чистоты поверхности моделей пресс-форм и других факторов. Любые нарушения сплошности, особенно надрезы, — это концентраторы напряжений, которые способствуют образованию трещин.

Общепринятая классификация методов точного литья отсутствует, кроме того, существует много разновидностей одного и того же метода, поэтому целесообразно к методам точного литья отнести технологические процессы, ставящие своей задачей максимальное приближение формы отливки к форме детали при предельно высоком уровне свойств металла.

Требования, предъявляемые к литейным сплавам

1) Литейные сплавы должны удовлетворять эксплуатационным требованиям, т.е. обладать достаточными прочностью, твердостью, пластичностью, малой хрупкостью, высокой ударной вязкостью;

2) Их состав должен обеспечивать получение в отливке требуемых физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура их должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации отливки;

3) Если это необходимо литейные сплавы должны обладать особыми физическими и физико-механическими свойствами — электропроводностью, магнитной проницаемостью, жаростойкостью и т.п.;

4) Литейные сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов и т.д.)

5) должны хорошо обрабатываться режущим инструментом;

6) не должны быть токсичными и вредными для здоровья;

7) должны быть экономичными и содержать дешевые, недефицитные материалы. Выполнение этих требований зависит не только от состава и качества сплава, но и от особенностей всего технологического процесса изготовления отливок.

Таким образом, при конструировании литой детали, выборе способа получения отливки особое внимание следует обращать на литейные свойства сплава, без учета которых даже при самом совершенном технологичном процессе литья получить отливку без литейных дефектов невозможно.

Значение технологических свойств литейных сплавов очень велико и должно быть учтено при выборе материала детали при изготовлении ее литьем. Во всех случаях, при прочих равных условиях, следует отдавать предпочтение сплавам с лучшими литейными свойствами.

Особенно важно, чтобы сплав имел невысокую температуру плавление. Чем ниже температура плавления сплава, тем легче его расплавить, а затем нагреть до требуемой для заливки температуры.

Свойства литейных сплавов

Жидкотекучесть

Жидкотекучесть — способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить контуры полостей формы и стержней. Она определяется по специальным технологическим пробам, заполняемым жидким сплавом при некоторой постоянной температуре заливки.

Жидкотекучесть зависит от следующих факторов:

-а)связанных со строением и свойствами металлов в жидком состоянии (природа сплава, вязкость, теплоемкость, теплопроводность и др.). Особенно высокой жидкотекучестью обладают силумины, чугуны, безоловяные бронзы. Из этих сплавов получают сложные тонкостенные отливки. Средней жидкотекучестью обладают сплавы алюминий с медью и магнием, оловянные бронзы, углеродистые и среднеуглеродистые стали. Пониженная жидкотекучесть наблюдается у магниевых сплавов.

-б) определяемые условиями заливки, подводом жидкого металла к форме, т.е. технологическим процессом литья;

-в) определяемые способом получения отливок. При литье под давлением и при центробежном литье жидкотекучесть повышается за счет принудительного заполнения формы. Она повышается и при литье по выплавляемым моделям, т.к.металл заливается в горячую форму. Жидкотекучесть снижается при литье в металлические формы в силу более интенсивноготеплообмена между заливаемым металлом и более холодной формой.

Повышение содержания углерода, кремния и фосфора улучшает жидкотекучесть чугуна. Марганец не оказывает заметного влияния на жидкотекучесть. При массовой доле серы более 0, 15% жидкотекучесть чугуна понижается.

Жидкотекучесть резко уменьшается при наличии в жидком сплаве тугоплавких пленок и включений. Это явление наблюдается, например, при добавке в хромовую сталь азота и титана, которые вызывают появление тугоплавких нитридов хрома и титана. Поэтому повышают температуру расплава из такой стали при разливке.

Значительное ухудшение жидкотекучести (в два-три раза) наблюдается при многократной переплавке одного и того же чугуна в вагранке без добавки свежих материалов, так как при этом в жидком чугуне образуется увеличенное количество пленок окислов и шлаковых включений; кроме того, он поглощает много газов.

Существенное влияние на жидкотекучесть бронзы оказывают олово и цинк: чем больше содержание этих элементов, тем выше жидкотекучесть. Жидкотекучесть алюминиевых сплавов повышается при увеличении содержания кремния, а магниевых сплавов — при увеличении содержания алюминия.

По мере заполнения полости формы жидкотекучесть сплава непрерывно уменьшается, так как сплав охлаждается и уменьшается скорость его движения. При достижении температуры начала затвердевания в наиболее холодной части струи начинают образовываться отдельные твердые кристаллиты сплава, что, конечно, понижает его жидкотекучесть вследствие повышения вязкости. Полное прекращение течения струи сплава наблюдается тогда, когда в ней образуется значительное количество кристаллитов твердого сплава.

Высокая жидкотекучесть оказывает благоприятное влияние на плотность отливок и на физико-механические свойства сплавов, так как она способствует заполнению внутренних пустот, образующихся в т еле отливок при их затвердевании, а также выделению из отливок газов и неметаллических включений.

Усадка

Усадка – уменьшение линейных и объемных размеров отливки при ее затвердевании и охлаждении. Усадка зависит от химического состава сплава, температуры расплава, материала формы и конструкции отливки. Чем больше усадка, тем больше вероятность появления дефектов усадочного происхождения: пор, раковин, горячих и холодных трещин, коробления и внутренних напряжений. При выборе тех. процесса литья, при конструировании отливки следует учитывать склонность данного сплава к усадке. Чем больше усадка сплава, тем жеще требования к конструкции литой детали, особенно к наличию тепловых узлов (массивных частей отливки), толщине стенок, сопряжению элементов отливки.

При охлаждении сплава в форме происходит довольно быстрое уменьшение его объема. В течение нескольких секунд на всей поверхности сплава образуется мелкозернистая корочка, постепенно увеличивающаяся по толщине. В связи с этим дальнейшее охлаждение сплава, а также его затвердевание происходят внутри оболочки почти без контакта с окружающей атмосферой. Вследствие уменьшения объема в отливках из ряда сплавов при этом образуются полости (усадочные раковины или рыхлоты). Некоторые сплавы (например, серый чугун) при затвердевании увеличиваются в объеме, так как происходит выделение графита, имеющего меньшую плотность и больший удельный объем, чем исходный сплав. Дальнейшее уменьшение объема и размеров отливок из всех сплавов происходят при последующем их охлаждении в твердом состоянии.

В литейном производстве различают объемную и линейную усадку. Под объемной усадкой подразумевают разницу между объемом жидкого сплава, заполнившего полость формы, и объемом отливки после ее полного охлаждения. Линейной усадкой называют разницу линейных параметров точности формы и охлажденной отливки.

Если при усадке сплава нет препятствий к уменьшению его объема и размеров, то такую усадку называют свободной.

Усадка изменяется в зависимости от химического состава сплава. Так, усадка серого чугуна уменьшается при увеличении содержания углерода и кремния, а также при уменьшении содержания марганца и серы. В алюминиевых сплавах уменьшает усадку увеличенное содержание кремния. Наличие меди и магния, наоборот, увеличивает усадку этих сплавов. Повышение содержания алюминия и цинка понижает усадку магниевых сплавов.

Практически при изготовлении отливок уменьшение их размеров происходит в условиях затрудненной усадки, при которой препятствием являются выступающие части формы, стержни и т. д. Поэтому во многих случаях действительная усадка получается меньшей, чем свободная. Действительная линейная усадка называется литейной и выражается также в процентах. Величина литейной усадки всегда меньше свободной, причем разница между ними тем больше, чем крупнее и сложнее отливки.

В зависимости от физических свойств сплава и условий его охлаждения объемная усадка при затвердевании сплава может проявиться различным образом, а именно:

-а) в виде сосредоточенных внутренних полостей (иногда такие полости могут выходить на поверхность, т. е. быть открытыми), расположенных в местах отливки, затвердевающих последними (усадочные раковины);

-б) в виде равномерного изменения только внешних размеров; при этом стенки отливок получаются плотными;

-в) в виде мелких рассеянных полостей, расположенных по толщине отливок около отдельных зерен сплава; подобные мелкие полости называются усадочной пористостью или рыхлостью.

Сплавы, затвердевающие в узком интервале температуры (например, сталь, беэоло-вянные бронзы), переходят из жидкого в твердое состояние последовательно, образуя один за другим тонкие слои отливки; поэтому они более склонны к образованию сосредоточенных усадочных раковин. Наоборот, в отливках из сплавов, имеющих широкий интервал температуры затвердевания (например, оловянные бронзы), образуются разобщенные участки жидкого сплава, кристаллизующиеся обособленно друг от друга и дающие при этом местные усадочные поры, увеличение скорости затвердевания этих сплавов способствует уменьшению усадочной пористости и образованию сосредоточенных раковин.

Уменьшению усадочных раковин и рыхлости способствуют понижение температуры и скорости заливки, увеличение скорости охлаждения отливки при ее затвердевании, меньшая толщина стенок, применение металлических форм и т. д.

При изготовлении отливок из сплавов, имеющих увеличенную объемную усадку и образующих при затвердевании усадочные раковины (например, сталь или высокопрочный чугун), обычно на верхних и массивных частях отливок устанавливают прибыли — резервуары жидкого сплава, питающего отливки при их затвердевании и восполняющего сокращение их объема. При этом размеры и расположение прибылей должны быть такими, чтобы они затвердевали последними и в них образовывались усадочные раковины.

К. литейным напряжениям относятся те напряжения, которые вызываются в отливке усадкой (усадочные напряжения), неодинаковым охлаждением ее отдельных частей (тепловые напряжения) и изменением кристаллического строения отливки (фазовые напряжения).

Охлаждение отдельных частей отливки происходит неодинаково: сразу после заливки охлаждаются быстрее тонкие части и медленнее толстые, затем тонкие части усиливают отвод теплоты от толстых частей и тем самым ускоряют их охлаждение. Поэтому между отдельными частями отливки при их неравномерном охлаждении возникают тепловые напряжения. В некоторых сплавах в процессе охлаждения изменяется их структура и размеры отдельных зерен, что вызывает увеличение или уменьшение объема отливок, так называемые фазовые превращения, совершающиеся в толстых и тонких частях в разное время. Такие фазовые превращения наблюдаются, например, в структуре стали многих марок. Все это вызывает литейные напряжения в отливках, приводящие к следующим явлениям:

1) если напряжения меньше предела текучести сплава, то в отливках останутся внутренние напряжения, которые могут усилиться напряжениями, получающимися при последующей обработке или эксплуатации;

2) если напряжение больше предела текучести, но меньше предела прочности сплава, то произойдет искривление (коробление) отливки;

3) если напряжение больше предела прочности сплава, то отливка разрушится, так как в ней образуются трещины.

Различают трещины горячие и холодные. Горячие трещины образуются при высоких температурах, близких к температуре плавления, вследствие того, что сплавы отличаются при таких температурах низкими механическими свойствами.

Склонность сплава к образованию горячих трещин тем больнее, чем значительнее его усадка при высоких температурах, чем меньшей прочностью и пластичностью он при этом обладает и чем ниже его теплопроводность. Поэтому, например, повышенная склонность к образованию горячих трещин характерна для легированной стали, особенно с увеличенным содержанием марганца, хрома и никеля.

Серый чугун имеет очень незначительную усадку при высокой температуре, и поэтому в отливках из серого чугуна редко образуются горячие трещины. Также малой склонностью к их образованию обладает высокопрочный чугун.

Большинство отливок из медных сплавов из-за сравнительно высокой теплопроводности этого сплава не имеют горячих трещин. Несколько большую склонность в этом отношении проявляют медные сплавы с увеличенной линейной усадкой (например, алюминиевые бронзы) и с низкой пластичностью при высоких температурах (например, кремнистые латуни).

На уменьшение склонности сплавов к образованию горячих трещин благоприятно влияют следующие обстоятельства:

1) увеличение жидкотекучести, уменьшение размеров зерен сплава, пониженное содержание в сплаве вредных примесей (например, серы и кислорода в стали), газовых и неметаллических включений;

2) отсутствие в отливке мелких усадочных раковин, вокруг которых концентрируются внутренние напряжения;

3) медленное охлаждение отливки при высоких температурах.

Для предотвращения горячих трещин наиболее важно устранить препятствия усадке, оказываемые формой и стержнями, а также предусмотреть в конструкции отливок равномерные сечения и плавные переходы. Для толстостенных отливок необходимо производить заливку при пониженной температуре и с меньшей скоростью.

По мере охлаждения отливок возрастают механические свойства сплава, из которого они изготовлены, и начинает проявляться его упругость, обусловливающая образование остаточных напряжений, не исчезающих после устранения причин их возникновения:. Если при этом литейные напряжения превзойдут предел прочности сплава, то в отливке возникнут холодные трещины, отличающиеся от горячих неокисленной поверхностью.

Холодные трещины возникают в отливке в тем большей степени, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных его температурах, чем ниже его теплопроводность и чем больше изменения объема сплава при фазовых превращениях его структуры. Поэтому такие сплавы, как низколегированные стали, склонны к образованию холодных трещин, а медные и другие цветные сплавы этой склонностью почти не обладают.

Наличие в сплаве вредных примесей усиливает опасность образования холодных трещин. Например, высокоуглеродистая сталь с повышенным содержанием фосфора, обладая свойством хладноломкости (хрупкости при обычных температурах), имеет усиленную склонность к образованию холодных трещин.

Образование холодных трещин предотвращают конструированием отливок с равномерными сечениями и плавными переходами, а также медленным их охлаждением после затвердевания. Поэтому не следует преждевременно выбивать из форм отливки, склонные к образованию трещин; нужно дать им возможность медленно остыть в форме, если, конечно, сама форма не вызывает в отливке больших литейных напряжений.

Значительная часть литейных напряжений в отливках может быть устранена термической обработкой, состоящей в том, что отливки медленно нагреваются до температуры, при которой сильно уменьшаются упругие свойства сплава, и затем постепенно и равномерно охлаждаются.

2.3.3.Ликвация

Ликвацией называется неоднородность по химическому составу как в отдельных частях отливки (зональная ликвация), так и в отдельных кристаллах сплава (внутрикристаллическая ликвация); кроме того, она может иметь место при значительно разной плотности составляющих сплава (ликвация по плотности).

Зональная ликвация для большинства сплавов является наиболее важной. Такая ликвация обычно характеризуется тем, что отдельные составляющие сплавов вследствие неодинаковой плотности и различных температур затвердевания отделяются от основной массы как в жидком состоянии, так и при его затвердевании. Например, в стали ликвируют сера, фосфор, углерод, газы, неметаллические включения.

Явление ликвации усиливается при повышенном содержании в сплаве ликвирующих примесей, а также при увеличении размеров и объема отливки.

Зональная ликвация уменьшается при понижении температуры и скорости заливки, а также при ускорении затвердевания отливок. Мелкозернистое строение сплавов в отливках благоприятно для ослабления зональной ликвации.

Внутрикристаллическая ликвация в большинстве случаев играет меньшую роль, чем зональная. Она несколько усиливается при ускоренном охлаждении отливок, так как за короткое время затвердевания состав отдельных частей кристаллитов не успевает выровняться. Этот вид ликвации может быть ослаблен путем термической обработки — отжига, состоящего из длительной выдержки отливок при высоком нагреве.

Ликвации по плотности наблюдается только в некоторых сплавах, содержащих тяжелые металлы, например свинец в высокосвинцовой бронзе. Она предотвращается хорошим перемешиванием сплава перед заливкой в формы и быстрым его затвердеванием (например, в металлических формах).

Ликвация — крайне нежелательное явление в отливках, так как она может привести к понижению их свойств и даже к поломке в ликвационных зонах.

2.3.4.Поглощение газов

Склонность к поглощению газов – способность литейных сплавов поглощать газы, являющиеся вредными примесями, которые приводят к браку отливок по газовой пористости. На образование газовой пористости влияет материал формы: чем выше газопроницаемость формы, тем меньше образуются подобные дефекты в отливках.

Металлы и сплавы способны поглощать значительное количество различных газов (водород, азот, кислород, окись углерода, углекислоту, метан и др.), причем эти газы могут находиться в следующих состояниях:

-а) в виде механических, сравнительно крупных включений, получившихся при перемешивании жидкого сплава с воздухом или другими газами;

-б) в растворенном состоянии;

-в) в виде химических соединений.

Механически включенные газы легко удаляются при отстаивании и мало влияют на образование газовых раковин в отливках и на свойства сплава. Однако далеко не все газы растворяются в различных сплавах в одинаковой степени. Так, в стали растворяется водород, азот и кислород, но практически не растворяется окись углерода и углекислота.

Растворенные газы частично находятся в свободном состоянии (в виде атомов, а не молекул), а частично образуют химические соединения с составляющими сплава (окислы, нитриды, гидриды и т. д.).

Поглощение газов при нагреве и плавлении металлов и сплавов происходит преимущественно из атмосферы печи, из ржавчины, из влаги исходных материалов и топлива.

Практически к началу заливки в формы жидкие сплавы всегда содержат большее или меньшее количество газов, которые при понижении температуры сплава частично остаются в растворенном состоянии, а частично — выделяются. При выделении газов в отливке при определенных условиях могут образоваться газовые раковины, причем возможность образования и количество их будет тем больше, чем выше содержание газов в сплаве.

Причиной образования газовых раковин является то обстоятельство, что по мере понижения температуры жидкого сплава уменьшается растворимость газов и они должны выделяться из сплава, но при понижении температуры значительно увеличивается вязкость сплава, что затрудняет выделение газовых пузырьков. Особенно усиливается возможность образования газовых раковин при затвердевании сплава, так как в эго время растворимость газов в сплаве резко падает.

Выделению газов препятствует увеличение внешнего давления, которое представляет собой сумму атмосферного давления, статического давления жидкого металла и давления, создаваемого силами поверхностного натяжения металла, увеличивая внешнее давление. Например, установкой прибылей, можно оставить большую часть газов растворенными в сплаве и предотвратить их выделение при затвердевании, устранив тем самым возникновение газовых раковин в отливках.

Возможность образования газовых раковин зависит еще от ряда обстоятельств, и в том числе от особенностей формы и стержней, условия заливки и других причин.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒