Литье в песчаные формы

 

Этот способ литья очень разнообразен и применяется для изготовления отливок почти любой конфигурации из большинства известных литейных сплавов. В настоящее время литьем в песчаные формы изготавливается около 80 % всех отливок по массе. Технологический процесс производства отливок в данном способе литья разнообразен по уровню механизации (особенно при изготовлении литейных форм и стержней), начиная от ручного труда и кончая автоматизированными формовочно-заливочными комплексами с электронной схемой управления. Сущность процесса заключается в изготовлении отливок свободной заливкой расплавленного металла в песчаную форму. После затвердевания и охлаждения отливки осуществляется ее выбивка с одновременным разрушением формы. Однако литье в песчаные формы имеет крупный недостаток, отливки не имеют точных механических размеров, нужно давать припуск на механическую обработку и усадку.

Что касается точности, то литьем в песчаные формы можно получать отливки с шероховатостью поверхности Rа = 80–10 и с точностью, соответствующей 14–17-му квалитетам и грубее. В то же время, если форма изготовлена из обычной песчано-глинистой смеси, то шероховатость поверхности отливки находится в пределах Rа 80 – Rа 40. При использовании песчано-масляных смесей шероховатость отливок находится в пределах Rа 80 – Rа 20, а при использовании хромомагнезитовых смесей может достигать Rа 20 – Rа 5,0.

Для изготовления песчаных форм используют формовочные и стержневые смеси, приготовленные из кварцевых и глинистых песков (ГОСТ 2138—74), формовочных глин (ГОСТ 3226—76), связующих и вспомогательных материалов. Выполнение полостей в отливках осуществляют с помощью стержней, изготавливаемых в основном по горячим (220—300 °С) стержневым ящикам. Для этой цели используют плакированный кварцевый песок или смесь песка с термореактивной смолой и катализатором. Для изготовления стержней широко используют однопозиционные пескострельные автоматы и установки, а также карусельные многопозиционные установки. Стержни, подвергающиеся сушке, изготавливают на встряхивающих, пескодувных и пескострельных машинах или вручную из смесей масляными (4ГУ, С) или водорастворимыми связующими. Продолжительность сушки (от 3 до 12 ч) зависит от массы и размеров стержня и определяется обычно опытным путем. Температуру сушки назначают в зависимости от природы связующего: для масляных связующих 250—280 °С, а для водорастворимых 160—200 °С. Для изготовления крупных массивных стержней все большее применение получают смеси холодного твердения (ХТС) или жидкодвижные самотвердеющие смеси (ЖСС). Смеси холодного твердения в качестве связующего содержат синтетические смолы, а катализатором холодного твердения обычно служит ортофосфорная кислота. Смеси ЖСС содержат поверхностно-активное вещество, способствующее образованию пены.

Соединение стержней в узлы производят склейкой или путем заливки алюминиевых расплавов в специальные отверстия в знаковых частях. Усадка сплава при охлаждении обеспечивает необходимую прочность соединения.

Плавное без ударов и завихрений заполнение литейных форм обеспечивается применением расширяющихся литниковых систем с соотношением площадей сечений основных элементов Fст : Fшп : Fпит 1:2:3; 1:2:4; 1:3:6 соответственно для нижнего, щелевого или многоярусного подвода металла к полости литейной формы. Скорость подъема металла в полости литейной формы не должна превышать 4,5/6, где 6 — преобладающая толщина стенок отливки, см. Минимальную скорость подъема металла в форме (см/с) определяют по формуле А. А. Лебедева Vmin = 3/§.

Тип литниковой системы выбирают с учетом габаритов отливки, сложности ее конфигурации и расположения в форме. Заливку форм для отливок сложной конфигурации небольшой высоты осуществляют, как правило, с помощью нижних литниковых систем. При большой высоте отливок и тонких стенках предпочтительно применение вертикально-щелевых или комбинированных литниковых систем. Формы для отливок малых размеров допустимо заливать через верхние литниковые системы. При этом высота падения струп металла в полость формы не должна превышать 80 мм.

Для уменьшения скорости движения расплава при входе в полость литейной формы и лучшего отделения взвешенных в нем оксидных плен и шлаковых включений в литниковые системы вводят дополнительные гидравлические сопротивления — устанавливают сетки (металлические или из стеклоткани) или ведут заливку через зернистые фильтры.

Литники (питатели), как правило, подводят к тонким сечениям (стенкам) отливок рассредоточенно по периметру с учетом удобств и их последующего отделения при обработке. Подвод металла в массивные узлы недопустим, так как вызывает образование в них усадочных раковин, макрорыхлот и усадочных "провалов" на поверхности отливок. В сечении литниковые каналы чаще всего имеют прямоугольную форму с размером широкой стороны 15—20 мм, а узкой 5—7 мм.

Сплав АЛ4 с узким интервалом кристаллизации предрасположен к образованию концентрированных усадочных раковин в тепловых узлах отливок. Для выведения этих раковин за пределы отливок широко используют установку массивных прибылей. Для тонкостенных (4—5 мм) и мелких отливок масса прибыли в 2—3 раза превышает массу отливок, для толстостенных—до 1,5 раз. Высоту прибыли выбирают в зависимости от высоты отливки. При высоте менее 150 мм высоту прибыли Нприб принимают равной высоте отливки Нотл. Для более высоких отливок отношение Нприб/Нотл принимают равным 0,3-0,5. Соотношение между высотой прибыли и ее толщиной составляет в среднем 2—3. Наибольшее применение при литье алюминиевых сплавов находят верхние открытые прибыли круглого или овального сечения; боковые прибыли в большинстве случаев делают закрытыми. Для повышения эффективности работы прибылей их утепляют, заполняют горячим металлом, доливают. Утепление обычно осуществляют наклейкой на поверхность формы листового асбеста с последующей подсушкой газовым пламенем.

Заливку песчаных форм металлом ведут из ковшей, футерованных огнеупорным материалом. Перед заполнением металлом ковши со свежей футеровкой сушат и прокаливают при 780—800 °С для удаления влаги. Температуру расплава перед заливкой поддерживаю на уровне 720—780 °С. Формы для тонкостенных отливок заполняют расплавами, нагретыми до 730—750 °С, а для толстостенных до 700—720 °С.

Возможные дефекты отливок, причины и меры по их устранению.

· Недоливы и спаи. Образуются от не слившихся потоков металла, затвердевающих до заполнения формы. Возможные причины: холодный металл, питатели малого сечения.Усадочные раковины – закрытые внутренние полости в отливках с рваной поверхностью. Возникают вследствие усадки сплавов, недостаточного питания. Устраняют с помощью прибылей.

· Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре, близкой к температуре солидуса. Склонность сплава к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов, серы и других примесей. Образование горячих трещин вызывают резкие перепады толщин стенок, острые углы, выступающие части. Высокая температура заливки также повышает вероятность образования горячих трещин. Для предупреждения образования горячих трещин в отливках необходимо обеспечивать одновременное охлаждение толстых и тонких частей отливок; увеличивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава.

· Пригар – трудноудаляемый слой формовочной или стержневой смеси, приварившийся к отливке. Возникает при недостаточной огнеупорности смеси или слишком большой температуре металла.

· Песчаные раковины – полости в теле отливки, заполненные формовочной смесью. Возникают при недостаточной прочности формовочной смеси.

· Газовые раковины – полости отливки округлой формы с гладкой окисленной поверхностью. Возникают при высокой влажности и низкой газопроницаемости формы.

· Перекос. Возникает из-за неправильной центровки.

Преимущества:

· Конфигурация 1…6 групп сложности.

· Возможность механизировать производство.

· Дешевизна изготовления отливок.

· Возможность изготовления отливок большой массы.

· Отливки изготовляют из всех литейных сплавов, кроме тугоплавких.

Недостатки:

· Плохие санитарные условия.

· Большая шероховатость поверхности.

· Толщина стенок > 3мм.

· Вероятность дефектов больше, чем при др. способах литья.

Целесообразность и область применения

Этот способ литья экономически целесообразен при любом характере производства, для деталей любых массы, конфигурации, габаритов, для получения отливок практически из всех литейных сплавов. Этот способ литья является основным для производства отливок из чугуна и стали в различных отраслях машиностроения. А для изготовления массивных, крупногабаритных отливок это единственный способ литья. Данный способ литья накладывает определенные ограничения на толщину стенок изготавливаемых отливок.

Литьем в песчаные формы не рекомендуется изготавливать отливки с толщиной стенок: для отливок из алюминиевых сплавов размерами до 200 мм –менее 3–5 мм; до 800 мм – менее 5–8 мм.

 

3. Улучшение механических свойств

 

3.1 Старение и закалка

 

Для сплава АЛ4 рекомендуются два режима термической обработки. Режим Т1 : старение при температуре 175±5°С в течение 5-17 ч, охлаждение на воздухе. Режим Т6: закалка - нагрев при температуре 535± 5°C в течение 2-6 ч, охлаждение в воде при 20- 100°С +старение при 175±5°С в течение 10-15 ч, охлаждение на воздухе.

Электронно-микроскопическое исследование структуры сплава АЛ4 показало, что старение закаленного сплава при температуре 175°С, 10 ч сопровождается выделением метастабильной β'-фазы и большого количества частиц кремния, равномерно распределенных в зернах твердого раствора.

При этом предварительный кратковременный высокотемпературный нагрев на первой ступени старения как бы затормаживает процесс выделения кремния. Это, возможно, связано с уменьшением количества вакансий, сохранившихся в процессе закалки и необходимых для локализации атомов кремния, предшествующей его выделению.

Нагрев на первой ступени способствует равномерному распределению игольчатых выделений метастабильной β'-фазы при более низких температурах и приводит к измельчению структуры, получаемой после нагрева на второй ступени при температуре 160°С.

Микроструктура сплава в литом состоянии: α-твердый раствор, кремний, входящий в состав эвтектики α+Si, при наличии примеси железа фаза AlSiFeMn, при малом содержании марганца фаза Al₅FeSi. Мелкодисперсные частицы фазы Mg₂Si можно наблюдать с помощью оптического (микроскопа лишь в очень медленно охлажденном при кристаллизации сплаве. Термическая обработка приводит к некоторой коагуляции кремния, растворению упрочняющей фазы Mg₂Si; железосодержащие фазы не изменяются. Пережог сопровождается коагуляцией частиц кремния; на отдельных участках наблюдается выплавление эвтектики α+Si, которая при вторичном выделении кристаллизуется в мелкозернистой форме.

 

4. Механическая обработка

 

Технология механической обработки блока предполагает:

· Соосность 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 распределительного валов (если они установлены в блоке) оси постелей коленчатого вала.

Практика показывает, что все 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.

 

4.1 Установка базовых точек

 

Базовой поверхностью или базовыми точками на детали называются поверхности и точки, которыми деталь ориентируется относительно режущего инструмента при обработке. Понятно, что и в литейном и в механическом цехах замер и обработка точных отливок должны производиться относительно одних и тех же баз.

Иногда за базу принимается литейная необрабатываемая поверхность, но в некоторых случаях первичной базой может служить и обработанная поверхность детали. В последнем случае для объективной оценки выпускаемых из литейного цеха отливок удобнее создавать эту первичную базу в литейном цехе, производя необхо димую механическую обработку базовой поверхности.

Серийное производство предусматривает обработку больших партий детали, поэтому неточность в наладке технологического процесса механической обработки может привести к браку большого количества отливок ввиду крайне ограниченных припусков на литье.

 

4.2 Получение коренных опор коленвала (постель коленвала) и установка гильз

 

Помощью ранее полученных базовых поверхностей на горизонтально расточном станке мы получили соосные отверстия всех постелей коленвала.

Постели в блоке образованы с помощью крышек коренных подшипников, болты которых перед обработкой затягиваются с определенным моментом. Форма и размер отверстий постелей после обработки обычно в той или иной степени зависит от момента затяжки болтов. Поэтому при сборке двигателя следует придерживаться рекомендаций завода-изготовителя. Крышки подшипников обычно стягиваются болтами диаметром 10+12 мм, редко - больше. Крышки коренных подшипников обязательно центрируются на блоке, чем обеспечивается необходимая форма постели после затяжки болтов (отсутствие перекосов, овальности и конусности). Это достигается различными способами которые показаны на Рисунке - 8. Наиболее распространено центрирование по боковым поверхностям (варианты а и б), как наиболее простое в производстве, хотя этот способ не обеспечивает идеальной геометрии постели. Довольно часто встречается и более точное, но сложное центрирование с помощью втулок, установленных в отверстиях блока и крышек (вариант в). Редко применяется центрирование крышки двумя штифтами (вариант г).

Рисунок - 8. Способы крепления крышек коренных подшипников коленчатого вала к блок-картеру

 

Так как мой блок картер отлит из алюминиево-кремниевого сплава он будет иметь конструкцию "алюминиевого блока с "сухими" гильзами.

На первом этапе для определения размеров и конфигурации гильз и их изготовления производится детальный обмер блока цилиндров.

Затем на специализированном расточном станке отверстия цилиндров растачивались под установку гильз. Далее положение блока на станке проверяют по верхней плоскости — в идеале она параллельна нижней и может быть также принята за базу. Иногда идут еще дальше: при поиске центра (оси цилиндра) проверяют с помощью индикатора положение стенки цилиндра по вертикали в двух направлениях — поперечном и продольном. Поэтому ставят блок на нижнюю плоскость и растачивают, настраиваясь по верхней части цилиндра. При этом в качестве технологической базы используются отверстия коренных опор блока, благодаря чему обеспечивалось строгое соблюдение перпендикулярности оси отверстий цилиндров относительно оси коленчатого вала.

В расточенные отверстия гильзы устанавливались с натягом 0,07-0,08 мм таким образом, чтобы выборки на гильзах под противовесы коленчатого вала совпали с соответствующими выборками блока цилиндров.

После установки гильз производилось их растачивание в номинальный размер (с учетом припуска на хонингование 0,06-0,08 мм), подрезка торцов и заходной фаски.

Финишная операция — хонингование выполнялось на хонинговальном станке. Хонингование выполнялось в три приема: черновое хонингование, чистовое хонингование (в обоих случаях керамическими брусками) и крацевание щетками, состоящими из нейлоновых волокон, армированных карбидами кремния.

 

Вывод по проделанной работе

 

В моей курсовой работе разработана сквозная технология производства блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. В которой я описал сам блок цилиндров и проанализировал условия его работы. После чего сформулировал требования предъявляемые к блоку ДВС и выбрал материал для изготовления(АЛ 4).

После анализа и выбора материала мной была составлена технология изготовления блока. Для нее я составил технологическую схему этапов его производства и описал их. В описании технологических этапов я подробно пишу о том как, производится выбранный мной материал для блока, а именно добыча бокситов, переработку глинозема, выплавка из него алюминия и получение готовых слитков нужного состава и с требуемыми физическими и механическими свойствами. Полученный материал идет на изготовление отливок блока ДВС путем литья в песчаные формы. Этот способ выбран мной потому как он экономически целесообразен при любом характере производства, для деталей любых массы, конфигурации, габаритов, для получения отливок практически из всех литейных сплавов. После получения отливок блока проходит их термическая и механическая доводка до готовой детали для сборки ДВС.

 

Список использованной литературы

 

1.  Колодин Э. А., Свердлин В. А., Свобода Р. В. Производство обожженных анодов алюминиевых электролизеров. – М.: Металлургия, 1980, – 84 с.

2. Дальский А.Н., Арутюнова И.А., Технология конструкционных материалов, Учебник. – М.: Машиностроение 1985. – 450 с.

3. Справочник металлурга по цветным металлам "Производство алюминия".

4. Терентьев В.Г., Школьников Р.М., Гринберг И.С., Черных А.Е., Зельберг Б.И., Чалых В.И. "Производство алюминия", 1998.

5. Борисоглевский Ю.В., Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я., Сиратзутдинов Г.А., "Металлургия алюминия". М.: Металлургия, 1999.

6. Матюнин В.М. Карпман М.Г., Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов, 2002.

7. Д. Парфенов "Обработка цветных металлов: борьба противоречий" - издание Аналитического центра "Национальная металлургия" 2004.

8. А.Э. Хрулев Ремонт двигателей зарубежных автомобилей 1999.