Литье в песчано-глинистые формы

Литье в землю является сравнительно простым и экономичным технологическим процессом. Во многих отраслях машиностроения (автомобилестроение, станкостроение, вагоностроение и др.) при массовом производстве отливок чаще всего применяется этот метод.

Его технологические возможности:

---в основном, в качестве материала отливок используется серый чугун, обладающий хорошей жидкотекучестью и малой усадкой (1%), малоуглеродистая сталь (< 0,35%С). Весьма ограничено производятся таким способом отливки из медных и алюминиевых сплавов. Качество металла отливок весьма низкое, что связано с возможностью попадания в металл неметаллических включений, газовой пористостью (из за бурного газообразования при заливки металла во влажную форму).

--- форма отливок может быть весьма сложной, но все же ограничена необходимостью извлечения модели из формы.

--- размеры отливки теоретически неограниченны. Таким способом получают самые крупные отливки (до сотни тонн). Это станины станков, корпуса турбин и т. д.

--- точность получаемых отливок обычно грубее 14 квалитета и определяется специальными нормами точности.

--- шероховатость поверхности отливок превышает 0,3мм, на поверхности часто наличествуют раковины и неметаллические включения. Поэтому сопрягаемые поверхности деталей, заготовки которых получают таким методом, всегда обрабатывают резанием.

Под видом формовки отливок, получаемых методом литья в песчано-глинистые формы, подразумевается состояние литейной формы, в котором она допускается к сборке и заливке металлом. Различают два вида формовки – по-сырому и по-сухому.

- машинная формовка (макс. габариты отливок 350/450/350, массой 0,5-50 кг, производительность до 800 форм в смену.)

- ручная формовка (макс. габариты отливок 3000*2000*500, массой до 1000 кг, производительность до 50 тн. в месяц.)

- Литье в кокиль (производительность до 30 тн. в месяц.)

Кокильное литье – это литье металла, осуществляемое свободной заливкой кокилей. Кокиль – металлическая форма с естественным или принудительным охлаждением, заполняемая расплавленным металлом под действием гравитационных сил. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали.

Данный метод широко применяется при серийном и крупносерийном производстве.

Точность отливок обычно соответствует классам 5 -9 для отливок из цветных металлов и классам 7-11 для отливок из черных металлов (ГОСТ 26645-85). Точность отливок, полученных в кокиле. По массе примерно на один класс выше по сравнению с песчаными формами.

Литье в кокиль ограничено возможностью изготовления крупногабаритных кокилей и обычно масса отливок не превышает 250кг.

Широкая гамма изделий для всех отраслей промышленности (детали двигателей, заготовки венцов зубчатых колес, корпусных деталей и т. д.).

Марки выплавляемых металлов:

--алюминиевые сплавы: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АК12, АК9, АК7;

--магниевые сплавы МЛ5, МЛ6, МЛ12, МЛ10;

--медные сплавы;

--отливки из чугуна;

--отливки из стали: 20Л, 25Л, 35Л, 45Л, также некоторые легированные стали 110Г13Л, 5ХНВЛ

Литье в песчано-глинистые формы – одно из самых популярных видов литья.

Схема процесса литья в разовые песчано-глинистые формы.

Процесс образования стружки

В машиностроении обработка металлов резанием осуществляется различными режущими инструментами, отличающимися между собой по форме и размерам. Но принцип работы и снятие срезаемого слоя у всех видов режущих инструментов одинаков. Проследим его на примере работы токарного резца. Головка резца представляет собой клин, который под действием приложенной к нему внешней силы Р вдавливается в металл и, срезая с него слой, превращает срезаемый слой в стружку (рис. 253). При этом имеют место деформации: упругая, пластическая, а затем— разрушение. При обработке пластического металла (стали, меди, латуни и т. п.) наибольшее место занимает пластическая деформация.

В процессе образования стружки на внешней стороне срезаемого слоя происходят следующие фазы стружкообразования:

-- Под действием внешней силы Р (рис. 253) резец (клин) вдавливается в металл. В срезаемом слое возникают упругие, а затем пластические деформации и создается сложное напряженное состояние как впереди передней поверхности, так и ниже линии среза I — I (рис. 253, а).

-- Вдавливаясь далее в металл, резец производит последующее сжатие срезаемого слоя. Пластические деформации нарастают и наступает момент, когда металл, находящийся перед передней поверхностью, выпучивается вверх (рис. 253, б), появляются деформации растяжения. Упругие и пластические деформации распространяются далее вперед.

-- Когда пластические деформации дойдут до своего предела и напряжения превзойдут силы сцепления частиц металла, происходит отрыв или скалывание элемента 1 от основного материала по плоскости скалывания А1В1.

Рис. 253. Схема процесса образования стружки.

В процессе резания металлов и стружкообразования происходят сложные физические процессы, сопровождающиеся многими внутренними и внешними явлениями.

Образование и скалывание элемента стружки в процессе резания происходит при больших напряжениях, соответствующих пределу прочности данного металла.

Научное обоснование явлений, происходящих при резании металлов, было впервые выполнено в России. Опубликованные профессором Петербургского горного института И. А. Тиме труды «Сопротивление металлов и дерева резанию» в 1870 г., а затем «Мемуар о строгании металлов» в 1877 г. Были переведены на французский и немецкий языки. После этого И. А. Тиме был признан основоположником науки о резании металлов. Профессор И. А. Тиме установил, что скалывание элементов стружки происходит по поверхности, названной им плоскостью скалывания, а угол ψ (рис. 253), определяющий положение этой плоскости, он назвал углом скалывания. Величина угла скалывания ψ для всех вязких металлов постоянная, равная 145 — 150°; она не зависит от положения передней поверхности резца.

Деформации металла в срезаемом слое происходят между плоскостью скалывания и передней поверхностью резца в пределах угла η, названного И. А. Тиме углом действия.

Глубокие и обширные исследованиями стружкообразования были проведены русским ученым А. Г. Усачевым в 1908 г.

Деформациям срезаемого слоя сопутствует ряд физических явлений: усадка стружки, появление опережающих трещин и нароста на резце, теплообразование и нагрев материала, трение и сопутствующий ему износ, возникновение вибраций.

В результате удаления срезаемого слоя с обрабатываемой поверхности образуются три вида стружки: скалывания, сливная и надлома.

Стружкой скалывания (рис. 254, а) называют стружку, элементы которой остаются соединенными между собою, образуя сплошную ленту с гладкой внутренней стороной, примыкающей к передней поверхности резца, и наружной стороной с зазубринами в местах скалывания отдельных элементов. Сливной стружкой (рис. 254, б) называют стружку, у которой отсутствуют зазубрины на внешней стороне. Стружкой надлома называют отдельные элементы неопределенной формы (рис. 254, в), не соединенные между собой, получающиеся при обработке хрупких металлов (чугун, фосфористая бронза и др.). Вид получающейся стружки зависит от качества обрабатываемого металла, режимов резания, геометрии режущего инструмента. Однако следует отметить, что при обработке одного и того же пластичного или хрупкого металла могут получиться все виды стружек, так как пластичность и хрупкость являются состоянием вещества, а не его свойствами.

Рис. 254. Виды стружек: а — скалывания; б — сливная; в — надлома.

Усадкой стружки называют ее укорочение и утолщение по сравнению с длиной и шириной срезанного слоя вследствие пластических деформаций обрабатываемого металла. Величина усадки стружки является одним из приближенных способов оценки деформации обрабатываемого материала:

K = L0/L ≈ 2, где К — усадка стружки; L0 — путь резца в теле заготовки; L — средняя длина стружки.

Как видно, величина усадки показывает, во сколько раз укоротился снятый слой металла и характеризует пластичность металла, т. е. его способность претерпевать под действием силы большие или меньшие пластические деформации. Чем пластичнее металл, тем больше величина усадки.

Физические основы сварки

Монолитность сварных соединений достигается обеспечением физико-химических и атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых тел.

Элементарные связи удерживают каждый атом внутри кристалла симметрично направленными силами. На свободной поверхности тела атом неуравновешен вследствие отсутствия или ослабления связей с внешней стороны (рис. 1.1,а). Это явление увеличивает потенциальную энергию εг поверхностного слоя. При соединении тел требуется извне механическая или тепловая энергия εг для преодоления энергетического барьера (рис. 1.1,б).

Внешняя механическая энергия деформации будет затрачена на преодоление сил отталкивания, возникающих между поверхностными атомами сближаемых тел. Когда расстояния между ними будут близки к межатомным, в решетке кристаллов возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии Еε0 атомов в решетке целого кристалла, т. е. будет получено монолитное соединение.

Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, увеличивает флуктуационную вероятность развития процессов электронного взаимодействия и облегчает процесс соединения.

Рис 1.1 Энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов у поверхности кристалла (а) и на границе твердой и жидкой фаз в начальный период их контактирования (б)

Трехстадийность процесса сварки связана с тем, что ее (так же как и пайку) можно отнести к классу так называемых топо-химических реакций. Последние на микроучастках отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 1 2). В микрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией — диффузией

Рис 1.2 Кинетика изменения прочности соединения при быстром (1) н медленном (2) развитии физического контакта (А) и химического взаимодействия (Б) в зависимости от длительности сварки

На первой стадии А развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия, а также происходит подготовка к взаимодействию. На второй стадии Б — стадии химического взаимодействия — заканчивается процесс образования прочного соединения на микроучастке.

Диффузионные процессы развиваются почти одновременно с прорастанием дислокаций при пластической деформации контактирующих поверхностей либо при наличии высокой температуры.

Практическое получение монолитных соединений осложнено двумя факторами.

Свариваемые поверхности имеют микронеровности, поэтому при совмещении поверхностей контактирование возможно лишь в отдельных точках; свариваемые поверхности имеют загрязнения, так как иа любой поверхности твердого тела адсорбируются атомы внешней среды.

Для качественного соединения изделий необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и активацию их.

Активация поверхностей состоит в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи; для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т. е. для перевода их в активное состояние. Такая энергия активации может в общем случае быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упруго-пластической деформации (механическая активация), электронного облучения и других видов воздействия.

Определение процесса сварки целесообразно дать, исходя из анализа физико-химических особенностей получения соединений. В зоне сварки можно установить наличие двух основных физических явлений, связанных с термодинамически необратимым изменением формы энергии и состояния вещества (рис. 1.3): введения и преобразования энергии; движения (превращения) вещества.

Рис. 1.3 Схема модель, поясняющая термодинамическое определение и классификацию процессов сварки: T, TM, ПМ — термические, термомеханические и прессово-механические процессы

Исходя из сказанного, можно дать следующее термодинамическое определение процесса сварки.

Сварка — это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой и механической энергии и вещества в стыке.

Склеивание, цементирование и другие соединительные процессы, обеспечивающие монолитность соединения, в отличие от сварки и пайки, как правило, не требуют специальных источников энергии. Они реализуются обычно только за счет введения (преобразования) вещества (клея, цемента и т. д.).

Кроме самого общего, термодинамического, возможны и другие определения сварки. Например, в технологическом аспекте, согласно ГОСТ 2601—84, сварка — это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.