Материаловедение. курсовой МатВед. Технология получения и обработки заготовок

• Название: Технология получения и обработки заготовок
• Анкор: Материаловедение
• Дата: 30.04.2022
• Размер: 0.83 Mb.
• Имя файла: курсовой МатВед.doc
• Тип: Курсовая; #505900

Введение

Курсовая работа «Технология получения и обработки заготовок» является заключительной и обобщающей работой по дисциплине «Материаловедение». Выбранный в данной работе технологический процесс должен обеспечить высокую производительность труда, наиболее экономичное использование материалов, проектирование и изготовление литейной оснастки с минимальными затратами при условии длительной эксплуатации, минимальную себестоимость готовых деталей.

Полученная в результате разработанного технологического процесса заготовка должна удовлетворять условиям, предъявляемым заданием для данной курсовой работы.

1 Выбор марки материала и способа получения заготовки

1.1 Выбор марки материала

При выборе материала руководствуются механическими свойствами и условиями эксплуатации детали, а также серийностью. В таблице 1 приведены основные свойства материала, из которого необходимо выполнить деталь.
Таблица 1 – Механические свойства и условия эксплуатации детали

σb, МПа	НВ	Условия эксплуатации
не менее 250	200…230	Работает в неответственных узлах трения на износ

На основании этих условий, данная отливка относится к машиностроительной группе, которая выполняется из серого чугуна, у которого наиболее ярко представлены свойства чугуна как конструкционного материала: характерные механические свойства, хорошая обрабатываемость, улучшенные литейные свойства, облегчающие получение отливок с наиболее сложной конфигурацией, и наибольшая дешевизна. Из него можно изготавливать отливки с толщиной стенок от 2 до 500 мм. Но также по условиям эксплуатации подходят и антифрикционные материалы, например, баббиты, сплавы на основе меди – бронзы и латуни. Баббиты не подходят по механическим свойствам, т.к. имеют низкую твердость (НВ30). Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые (БрО10Ф1, БрО10Ц2) и оловянисто-цинково-свинцовистые (БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3) бронзы. Бронзы применяют для монолитных подшипников скольжения турбин, электродвигателей, компрессоров, работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения. Так как бронзы будут значительно дороже чугуна, то деталь лучше выполнить из серого чугуна.

Изнашивание деталей машин при трении зависит от двух основных факторов: условий трения и материала трущихся пар. Эти факторы определяют физико-химические процессы взаимодействия и разрушения микровыступов трущихся поверхностей, интенсивность их износа. При трении серого чугуна в паре с любым другим материалом проявляются его специфические антифрикционные свойства, связанные с наличием в структуре пластинчатого графита.

Графит при трении частично выкрашивается и выполняет роль твердой смазки. Поэтому даже при сухом трении пара работает без интенсивного износа при достаточно высоких скоростях и нагрузках.

Серый чугун не является материалом износостойким при трении в абразивной среде. Однако при умеренном загрязнении смазки абразивными частицами его износостойкость достаточно высокая.

Механические свойства серого чугуна приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Механические свойства [8]

Обозначение марки чугуна	Обозначение по стандарту СЭВ	σb, МПа	НВ
СЧ20	31 120	от 200 до 250	170 - 241
СЧ25	31 125	от 250 до 300
СЧ30	31 130	от 300 до 350

Наиболее подходят по механическим свойствам чугуны марок СЧ20, СЧ25 и СЧ30. Но так как σ_b≥ 250, то деталь лучше выполнить из СЧ25.
Химический состав должен обеспечивать получение заданной марки чугуна, прочность и твердость которого в пробной литой заготовке соответствует требованиям стандарта на серый чугун. Химический состав серого чугуна по ГОСТ 1412-85 приведен в таблице 3.

Таблица 3 – Химический состав СЧ25 [8]

Марка	C, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %
СЧ25	3,2 – 3,4	1,4 – 2,2	0,7 – 1,0	0,2	0,13

Физические свойства СЧ25 представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Физические свойства СЧ25 [8]

Марка	Плотность γ *10-3, кг/м3	Упругость Е *10-3, МПа	Удельная теплоемкость С, Дж/к	Теплопроводность λ, Вт/(м*к)	Коэффициент линейного расширения α, 10-6/к
СЧ25	7,2	90-110	500	50	10

Серый чугун имеет хорошие литейные свойства, так как испытывает эвтектическое превращение, хорошую жидкотекучесть _ж.мин – 40…50 мм, малую литейную усадку (0,8…1,2 %) и малую склонность к образованию усадочных дефектов.

Пластинчатые включения графита обеспечивают пониженную твердость, а соответственно, хорошую обрабатываемость резанием, так как структура получается крошащейся и давление на инструмент уменьшается, а также высокие антифрикционные свойства. Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы, при этом у серого чугуна хорошая герметичность – способность материала препятствовать проникновению частиц жидкости или газа сквозь свою кристаллическую решётку. Чугунные отливки с мелким графитом и низким содержанием фосфора при отсутствии волосяных трещин могут противостоять давлению жидкости до 100 МПа и газов до 70 МПа.
Чем больше количество графита и крупнее его включения, тем ниже его механические свойства. Распределение графита меньше влияет на прочность и твердость, но существенно – на служебные свойства: износостойкость, стойкость против задиров.

При производстве отливок из серого чугуна термическую обработку применяют для снятия внутренних напряжений и обеспечения минимальных деформаций в эксплуатации, а также для улучшения обрабатываемости и износостойкости.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а так же относительной дешевизне серые чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для получения качественных отливок сложной формы при отсутствии жестких требований к габаритам и массе.

Д
иаграмма состояния сплавов системы железо-углерод приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния сплавов системы железо-углерод [2]

С
труктура СЧ25 – феррито-перлитная с мелкопластинчатой формой графита, приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Микроструктура серого чугуна с перлитной основой [2]

1.2 Получение материала

1.2.1 Выбор печи
Для плавки чугуна применяют водоохлаждаемые вагранки с основной футеровкой и с подогревом дутья, что позволяет получать высокую температуру чугуна при выпуске. Используют вагранку закрытого типа, представляющую

собой шахту доменного профиля с водоохлаждающим кожухом, которую через шлюзовое загрузочное устройство определенными порциями (калошами) в течение всего периода плавки загружают шихту попеременно коксом и флюсами (известняком). В качестве металлической шихты используют литейные и передельные доменные чугуны, отходы собственного производства, чугунный и стальной лом, ферросплавы и другие материалы.

Для горения топлива (кокс, природный газ) в вагранку через воздухопровод и фурмы подается подогретая до температуры 450⁰ – 550⁰С воздушно-кислородная смесь. За счет теплоты выделяющейся при горении топлива, металлическая шихта расплавляется. Расплавленный чугун по желобу с устройством для непрерывного отбора шлака выпускается в копильник и далее поступает на участок разливки чугуна в формы. Вагранку устанавливают на опорном устройстве. Процесс плавки в таких вагранках полностью автоматизирован.

Отливки из серого чугуна с пределом прочности выше 240 МПа считаются высокопрочными и получаются путем модифицирования или других методов. Для данной работы с заданным временным сопротивлением детали _в 250 МПа и заданной твердостью 200…230 НВ, дополнительные операции при выплавке чугуна не требуются.

Кроме вагранок, применяют также плавильные агрегаты периодического действия. К ним относятся дуговые и индукционные электропечи. Плавка чугуна в электропечах имеет ряд преимуществ(низкий угар, высокий перегрев), но она не всегда выгодна из-за высокой стоимости электроэнергии. Поэтому наиболее выгодным агрегатом для выплавки чугуна является вагранка.

1.2.2 Шихтовые материалы

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы. Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов и др., а также пустую породу.

Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получать необходимую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.

Флюсом при плавке чугуна в доменных печах является известняк CaCO₃ или доломитизированный известняк.

На 1 т чугуна расходуется 2 т необогащенной руды, 0,6 – 1 т кокса, 0,2 – 0,5 т флюса.

Побочные продукты доменной плавки – шлак и доменный газ. Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, ситалы, а доменный газ после очистки используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.

Чугун обычно модифицируют FeSi, поэтому содержание кремния дано после введения модификатора.

1.3 Оценка технологичности детали и выбор способа получения заготовки

Данная деталь имеет несложную конструкцию, имеются отверстия, некоторые из которых можно выполнить с помощью стержня, остальные отверстия выполняются в процессе механической обработки. Программа 500 штук в год соответствует штучному производству. Рассматривается матрица влияния факторов, таблица 4.
Таблица 4 – Матрица влияния факторов [5]

Факторы	Способы литья
	В оболочковые формы	ПГФ
1 Форма и размеры заготовки	1	2
2 Технологические свойства	0	2
3 Точность изготовления и качество поверхности	2	1
4 КИМ	1	0
5 Механические свойства	1	2
6 Годовая программа	1	2
ИТОГО:	7	9

В связи с выше перечисленным, данную деталь целесообразно выполнить литьем в ПГФ.

Основным достоинством литья в песчаные формы является его универсальность и простота. Этот метод применяется для изготовления отливок самой разной формы, габаритов и массы.

2 Общая схема технологического процесса получения детали

3 Разработка технологического процесса получения заготовки

3.1 Разработка литейной формы

Чертеж элементов литейной формы выполняют на копии чертежа детали в соответствии с требованиями ГОСТ 3.1125-88 и ведут в определенной последовательности.

Вначале выбирают положение отливки в форме при заливке жидким металлом и определяют плоскость разъема модели и формы, затем разрабатывают все элементы, отличающие размеры отливки от размеров детали.

Оценку технических требований к отливкам производят по ГОСТ 26645-85. Точность отливки оценивается ее классом размерной точности (КРТ),степенями коробления(СК) и точностей поверхностей(СТП),классом точности массы (КТМ).

3.2 Требования к отливкам

3.2.1 Определение класса размерной точности (КРТ) и степени точности поверхности (СТП)

Размерная точность отливки представляет собой степень соответствия фактических и указанных в чертеже размеров. ГОСТ 26645-85 предусматривает 22 класса размерной точности – с 1-го по 16-й.

Качество поверхности отливок оценивается по ГОСТ 26645-85 степенью точности поверхности. По СТП определяются размеры припусков на обработку.

Исходя из того, что технологический процесс литья - литье в песчано-глинистые формы, тип сплава - СЧ25 выбирается :

КРТ 10.

СТП 14.

3.2.2 Определение степени коробления (СК)

Коробление отливки – это отклонение в относительном расположении поверхностей: отклонение от плоскостности, параллельности, перпендикулярности, от заданной формы. ГОСТ 26645-85 предусматривает 11 степеней коробления.

Таблица 5 – Степень коробления элемента отливки (СК)

Тип литейной формы	Отношение наименьшего размера элемента отливки к наибольшему
	свыше 0,200	от 0,100 до 0,200	от 0,050 до 0,100	от 0,025 до 0,050	до 0,025
	Степень коробления элемента отливки
Разовые формы	3-6	4-7	5-8	6-9	7-10

Выбирается: СК10.

3.2.3 Назначение припусков на механическую обработку на обрабатываемые поверхности детали с учетом СТП и рядов припусков

Припуском на механическую обработку является слой металла (на сторону), предназначенный для снятия в процессе механической обработки с целью получения требуемой чистоты поверхности и размеров, заданных чертежом детали. Величина припусков зависит от материала литой детали, характера производства, положения обрабатываемой поверхности в форме и регламентируется с ГОСТ. Припуск на верхние поверхности отливки должен быть больше, так как в верхней части отливки могут скапливаться мелкие частицы шлака, неметаллические включения и газовые пузыри.

Выбирается ряд припусков на обработку отливки исходя из значения СТП14.

Для обеспечения требуемого качества поверхности готовой детали вводят при обработке резанием ряды припусков, которые коррелируются со степенью точности поверхности. Ряды припусков приведены в таблице 5.
Таблица 6 - Ряды припусков на обработку отливок

СТП	1-2	3-4	5-6	7-8	9-10	11-12	13-14	15
р/п	1-2	1-3	1-4	2-5	3-6	4-7	5-8	6-9
СТП	16	17	18	19	20	21	22
р/п	7-10	8-11	9-12	10-13	11-14	12-15	13-16

Примечания:

1 Для серого чугуна принимать средние значения.

2 Для верхних при заливке поверхностей допускается принимать увеличенные на 1-3 значения ряда припуска.
Принимается ряд припусков - 7.

Для устранения неровностей и дефектов литой поверхности, а также для уменьшения ее шероховатости предназначен минимальный припуск на обработку поверхности отливки выбираемый с учетом СТП и рядов припусков(таблица 7).
Таблица 7 - Минимальный литейный припуск

Ряды припусков	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Минимальный припуск на сторону, мм	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0	1,2
Ряды припусков	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Минимальный припуск на сторону	1,6	2,0	2,5	3,0	4,0	5,0	6,0	8,0	10,0

С учетом СТП и ряда припусков минимальный литейный припуск на обработку поверхности отливки – 0,8 мм.

Выбирается припуск на низ и бок детали – 3мм; на верх – 4мм.

3.2.4 Припуск на усадку

Величина припуска на усадку выбирается в зависимости от материала. На чертеже отливки величину припуска указывают в примечании или в правом нижнем углу. Модельщик при изготовлении модели использует соответствующий усадочный метр. Примерная величина усадки указана в таблице 8.
Таблица 8 - Литейная усадка при литье

Сплав	Литейная усадка при литье, %
	мелком	среднем	крупном
Серый чугун	0,8-1,2	0,6-1,0	0,4-0,8

Так как отливка относится к мелким (до 100 кг), то выбирается литейная усадка, примерно, 1%.

3.2.5 Формовочные (литейные) уклоны

Формовочные уклоны служат для удобства извлечения моделей из формы без ее разрушения. Размеры отливки увеличиваются в направлении извлечения модели из формы, то есть в сторону плоскости разъема формы. На обрабатываемые поверхности отливки формовочные уклоны даются поверх припусков на механическую обработку, на необрабатываемые – за счет увеличения или уменьшения размеров отливки.

Величина формовочных уклонов выбирается в зависимости от вида литья, материала модели и высоты поверхности, на которую назначается уклон, и обозначается в градусах или в миллиметрах.

3.2.6 Галтели и литейные радиусы

Галтели – скругления внутренних углов при переходе от одной поверхности отливки к другой. Галтели обеспечивают плавный переход и предотвращают появление трещин.

Радиус галтели R определяется по формуле:



где a и b – толщины сопрягаемых стенок отливки, мм.

Полученные по формуле значения округляют до следующих величин (нормальный ряд радиусов): 1, 2, 3, 5, 8, 10, 16, 20, 25, 40. По возможности галтели должны быть одного радиуса. Для данной детали принимаются галтели радиусом 5мм.

Так как на отливках не должно быть острых углов (они являются концентраторами напряжений и затрудняют получение четкого контура отливки), все острые кромки округляют радиусами, размер которых не превышает 3 – 5 мм. Эти радиусы называются литейными и обозначаются на чертеже буквой r.

3.2.7 Разработка эскиза стержня

В литейной форме стержень должен сохранять устойчивое положение. Для его закрепления в форме должны быть предусмотрены углубления, в которые устанавливается стержень. Чтобы получить в форме эти углубления, на моделях отливок делают выступы (знаки). Стержни в литейной форме могут находиться в вертикальном и горизонтальном положениях. На рисунке 1 показаны горизонтальный и вертикальный стержень: L – рабочая длина стержня; D – диаметр стержня; а – длина знака горизонтального стержня; h_в – высота верхнего знака вертикального стержня; h_н – высота нижнего знака; α – уклон нижнего знака; β – уклон верхнего знака. Назначение размеров знаков стержней приведены в таблицах 10, 11, 12.




Рисунок 1 – Горизонтальный (а) и вертикальный (б) стержни на чертеже элементов литейной формы
Таблица 10 – Длина знака горизонтального стержня

Диаметр стержня, D, мм	Длина знака а при длине стержня, мм
	До 40	Св.40 до 63	Св.63 до 100	Св.100 до 160	Св.160 до 250	Св.250 до 400	Св.400 до 630
До 25	20	25	30	35	-	-	-
Св.25 до 40	20	25	30	35	45	50	75
Св.40 до 63	20	25	35	40	50	60	75
Св.63 до 100	20	25	35	45	55	65	85
Св. 100 до 160	35	40	35	50	60	75	95
Св.160 до 250	35	40	40	50	65	80	100
Св.250 до 400	40	40	45	60	75	85	110

Таблица 11– Высота нижних вертикальных знаков

Диаметр стержня D, мм	Высота знака hн при длине стержня, мм
	до 40	св.40 до 63	св. 63 до 100	св. 100 до 160	св. 160 до 250	св. 250 до 400
До 25	20	30	30	30	-	-
Св. 25 до 40	20	30	30	30	50	60
Св. 40 до 63	25	35	35	35	40	60
Св. 63 до 100	25	35	35	35	40	50

Высота верхних знаков h_в вертикального стержня определяется по таблице 12 в зависимости от высоты нижних знаков.

Таблица 12 – Высота верхних вертикальных знаков

hн, мм	20	25	30	35	40	50	60
hв, мм	15	15	20	20	25	30	35

Размеры уклонов знаков вертикальных стержней представлены в таблице 13.

Таблица 13 – Уклоны знаков вертикальных стержней

Высота знака, hн или hв , мм	Уклоны знака, град
	α	β
До 30	10	15
31-50	7	10
51-80	6	8

Для горизонтального стержня длина знака составляет 20 и 35 мм. Для вертикального стержня длина верхнего знака – 15 мм с уклоном в 15^о, для нижнего знака – 30 мм с уклоном в 10^о.

3.3 Расчет объема, массы заготовки, КИМ

Определяем коэффициент использования металла по формуле (1)

(1)

Определение массы детали, при плотности чугуна =7,2 г/см³:

М_д = V_д = 7,2*793,3046 = 5711,793 = 5,7 кг.

Масса детали: М_д = 5,7 кг.
Определяем массу заготовки:

М_з = *V_з = *(V_g+V_напуск+V_{припуск}) = 7,2*1164,21=8382,35=8,38кг

Масса заготовки: М_з =8,38 кг.

КИМ = 68%

4 Термическая обработка

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств.

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при температуре 500⁰ – 570⁰С. В зависимости от размеров и формы отливки выдержка при температуре отжига составляет 3 – 10 часов. Охлаждение после отжига медленное, вместе с печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние напряжения снижаются на 80 – 90 %. Иногда для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна - выдержка их на складе в течение 6 –10 месяцев. Такая выдержка снижает напряжения на 40 –50 %.

В данном случае применяется отжиг при температуре 500⁰ – 570⁰С в течение 3 – 5 часов и с последующим охлаждением с печью. График отжига приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 – График отжига

5 Механическая обработка

Механическая обработка представляет собой совокупность действий, направленных на обеспечение нужной формы и размеров заготовки путем снятия слоя металла, назначенного на припуски и напуски, режущими инструментами. При этом получают заданную точность и чистоту поверхности.

Обработка металлов резанием - это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой формы, точности и шероховатости поверхностей детали. Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщить относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают и закрепляют в рабочих органах станков, обеспечивающих эти относительные движения: в шпинделе, на столе, в револьверной головке. Движение рабочих органов станков подразделяют на движение резания, установочные и вспомогательные. Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя металла или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания. К ним относятся главное движение и движение подачи. За главное принимают движение, определяющее скорость деформирования и отделения стружки, за движение подачи - движение, обеспечивающее врезание режущей кромки инструмента в заготовку. Эти движение могут быть непрерывными или прерывистыми, а по своему характеру вращательными, поступательными, возвратно-поступательными. Скорость главного движения обозначают V, величину подачи- S. Движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее слоя металла, называют установочными. К вспомогательным движениям относят транспортирование заготовки, закрепление заготовок и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов станка и другие.

Механическая обработка начинается с выбора базы для черновой обработки детали. За базу принимается та поверхность, которая имеет минимальный припуск и наиболее длинную обрабатываемую поверхность. Это делается с целью получения оси симметрии детали, что обеспечивает более точную обработку поверхности.

Таблица 16 - Выбор технологической базы для механической обработки

Схема операции	Описание операции	Оборудование	Режущий инструмент
	Фрезерование горизонтальных плоскостей до толщины	Вертикально--фрезерный станок	Торцевая фреза, сталь Р6М5

Заключение

В ходе проделанной работы приобретены навыки разработки технологии процессов произ­водства отливок, умение выбирать оптимальные условия для данной технологии. Раз­работан процесс производства качественных деталей с нужными свойствами.

Для заданных механических свойств был подобран соответствующий материал – серый чугун СЧ25, для заданной программы 500 штук в год – способ получения – литьё в песчано-глинистую форму. Разработан чертеж отливки, учитывая припуски на механическую обработку, литейные уклоны и радиусы. При расчетах получен КИМ = 68 %, что соответствует выбранному методу получения заготовки – литьё в ПГФ. Произведён выбор оптимальной термической обработки, в результате чего была получена деталь с заданными свойствами.

Приложение А

(справочное)

Библиографический список

1 СТП ВятГУ 101-2004. Общие требования к оформлению текстовых документов. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2000.

2 Материаловедение: Учебник длч вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова и др. – 5-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

3 Справочник по чугунному литью/ Под ред. Н.Г. Гиршовича. – Л. Машиностроение, 1978.

4 Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. – М. Машиностроение, 1988.

5 Технология получения и обработки заготовок: Методические указания к курсовой работе /А.И. Скворцов – Киров: Изд-во ВятГТУ, 2002. – 27 с.

6 Разработка чертежа отливки / Л. П. Кочеткова – Киров: Изд-во ВятГТУ, 2002. – 28 с.

7 Конструкционные материалы: Справочник/ Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем и др. М.: Машиностроение, 1990.

8 Чугун: Справочник, под ред. А.Д. Шермана, А.А. Жукова. М.: Металлургия ,1991 г.

Лист

Лист

№ документа

Подпись

Дата