Тема 2. Заготовительное и литейное производство, характерные материалы и полуфабрикаты, применяемые для изготовления деталей (2ч)

2.1. Выбор метода и способа получения заготовки.

Правильно выбрать способ получения заготовки  это значит определить рациональный технологический процесс (ТП) её получения с учётом материала детали, требований к точности её изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска. Существует большое количество способов получения деталей. Это позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики машин за счёт использования свойств исходного материала, но с другой стороны создаёт трудности при выборе рационального, экономичного способа получения детали.

Максимальное приближение геометрических форм и размеров заготовки к размерам и форме готовой детали  главная задача заготовительного производства.

Заданные конструктором геометрия, размеры и марка материала детали во многом определяют технологию изготовления. Таким образом, выбор вида заготовки происходит в процессе конструирования, так как при расчёте деталей на прочность, износостойкость или при учете других показателей эксплуатационных характеристик конструктор исходит из физико-механических свойств применяемого материала с учётом влияния способа получения заготовки.

Факторы, влияющие на себестоимость производства, делятся на три группы:

1-я группа  конструктивные факторы;

2-я группа  производственные факторы;

3-я группа  технологические факторы.

То, насколько полно в заготовке учтено влияние факторов первой и второй групп, позволяет судить о технологичности заготовки. Под технологичностью заготовки принято понимать, насколько данная заготовка соответствует требованиям производства и обеспечивает долговечность и надежность работы детали при эксплуатации. Выпуск технологичной заготовки в заданных масштабах производства обеспечивает минимальные производственные затраты, себестоимость, трудоемкость и материалоемкость. Третья группа факторов важна, когда детали могут быть получены одним или несколькими способами литья или обработки давлением. При выборе способов получения заготовки в первую очередь следует учитывать основные факторы (себестоимость и требования к качеству), ориентироваться на то, что в конкретном случае является определяющим.

Оптимальное решение при выборе заготовок может быть найдено только при условии комплексного анализа влияния на себестоимость всех факторов, при обязательном условии положительного влияния способа получения заготовки на качество изделия.

2.2. Общие принципы выбора заготовки.

Наиболее широко для получения заготовок в машиностроении применяют следующие методы: литье, обработка металла давлением, сварка и др., а также комбинация этих методов. Каждый из методов содержит большое число способов получения заготовок. Метод  это группа ТП, в основе которых лежит единый принцип формообразования. Литье  получение заготовок путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки. Обработка давлением  это технологические процессы, которые основаны на пластическом формоизменении металла. Сварка  технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок.

При выборе метода необходимо ориентироваться в первую очередь на материал и требования к нему с точки зрения обеспечения служебных свойств изделия. Особо ответственные детали, к которым предъявляются высокие требования по размеру зерна, направлению волокон, а также по уровню механических свойств, всегда следует изготавливать из заготовок, полученной обработкой давлением. Выбор способа получения заготовки сложная задача. Способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим высокое качество детали, производительным, нетрудоемким.

2.3. Основные факторы, влияющие на выбор способа получения заготовки.

К основным факторам, влияющим на выбор способа получения заготовки, относятся следующие: характер производства;материалы и требования, предъявляемые к качеству детали; размеры, масса и конфигурация детали; качество поверхности заготовок, обеспечение заданной точности.

2.4. Материалы и полуфабрикаты, применяемые для изготовления деталей.

В соответствии с технологическими свойствами легкие сплавы и стали подразделяются на деформируемые в холодном состоянии, с подогревом, деформируемые в горячем состоянии и литейные. Для изготовления деталей холодным деформированием применяют алюминиевые сплавы Д16, АМц, АМг, магниевые сплавы МА8, МА14, титановые сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ14, стали 20, З0ХГСА, Х18Н10Т и др.

Основными материалами для изготовления деталей самолетов и вертолетов из горячештампованных заготовок являются конструкционные стали 25, 45, З0ХГСА, коррозионно-стойкая сталь Х14Н9Т, алюминиевые сплавы АК4-1, АК6Т1, магниевые сплавы МА2-1, МА14, титановые сплавы ВТ6С, ВТ16, ВТ22 и др.

На авиационных предприятиях изготовляют горячештампованные заготовки. Для изготовления крупногабаритных штамповок сложной формы необходимо кузнечно-прессовое оборудование очень большой мощности (например, для изготовления горячештампованных заготовок площадью 1 м ² в плане из сталей требуются усилия порядка 1000 МН (100000 тс), а из алюминиевых сплавов  300 МН (30000 тс)). Поэтому часто крупногабаритные горячештампованные заготовки изготовляют на специализированных предприятиях, располагающих уникальным оборудованием большой мощности, молотами с массой падающих частей более 25 т, горизонтально-ковочными машинами, создающими усилия до 300 МН и гидравлическими прессами с усилием до 700 МН.

Основными литейными материалами для изготовления деталей самолетов и вертолетов являются алюминиевые сплавы АЛ9, ВАЛ-1, магниевые сплавы МЛ5, МЛ8, титановые сплавы ВТ5Л, ВТ21Л, стали 35ХГСЛ и др.

Отливки применяются во всех случаях, когда детали из литых заготовок удовлетворяют расчетным нагрузкам и условиям эксплуатации. Это объясняется резким снижением себестоимости изготовления деталей. При этом необходимо учитывать, что геометрические и экономические характеристики и механические свойства отливок во многом зависят от способа литья.

Значительное количество деталей изготовляют непосредственно из полуфабрикатов резанием и другими процессами удаления излишнего материала. Наиболее распространенными полуфабрикатами для изготовления деталей удалением излишнего материала являются прутки круглой, квадратной и шестигранной формы в сечении, прессованные из алюминиевых сплавов АМг6, Д16, АК6Т, из магниевых сплавов МА2-1, МА14, горячекатаные и кованые из титановых сплавов ОТ4, ВТЗ-1, ВТ22, горячекатаные, холоднотянутые и калиброванные из сталей 10, 25, 45, З0ХГСА, 40ХНМА (40ХНВА), трубы прессованные, холоднокатаные и холоднотянутые из алюминиевых сплавов АМг2, АМг6, АМц, Д16 и горячекатаные из сталей 20, З0ХГСА, Х18Н10Т, профили, прессованные из алюминиевых сплавов АМг6, Д16, горячепрессованные, из магниевого сплава МА14 и горячекатаные из стали З0ХГСА, плиты прессованные из алюминиевых сплавов АМц, AMг, Д16 и полосы горячекатаные из сталей 25, 45, З0ХГСА.

Прутки прессованные и горячекатаные с низкой точностью размеров в сечении применяются для изготовления деталей штучных заготовок. Холоднотянутые и калиброванные прутки применяются для изготовления деталей из прутка на револьверных станках и токарных автоматах.

Трубы холоднотянутые по сравнению с горячекатаными прессованными имеют наиболее высокие механические свойства, точность размеров и чистоту поверхности. Профили горячекатаные дешевле в изготовлении. Однако формы их сечений ограничены возможностями процесса прокатки. Прессованные профили могут быть сложной формы в сечении. Горячекатаные стальные полосы применяют для изготовления плоских деталей каркаса.

2.5. Эффективность использования литых заготовок в авиастроении.

Анализ эффективности использования металла показывает, что в конструкции современного самолета общая масса деталей, изготовляемых из горячештампованных заготовок (ГШЗ), составляет 15...20 %. Примерно 50...601 % деталей, оформляющих наружный контур современных самолетов (отсеки корпусов, воздухозаборники, элементы крыла и оперения), и деталей внутреннего набора (рамы, шпангоуты, балки, кронштейны, рычаги, качалки и др.), могут изготовляться в виде монолитных конструкций различными методами литья.

Изготовление деталей из литых заготовок в условиях серийного производства дает значительный экономический эффект, поскольку их трудоемкость не превышает 35...60 % общей трудоемкости их изготовления из деформируемых материалов в виде сборных конструкций.

Расширение области применения литых деталей в значительной степени зависит от создания наиболее технологичных литых конструкций, позволяющих применять рациональные технологические процессы и высокопроизводительное оборудование. Увеличению количества применяемых литых деталей способствуют ряд факторов: совершенствование существующих способов литья в песчаные и керамические формы, кокили, под давлением и создание новых сплавов, технологических процессов и специализированного оборудования для литья крупногабаритных деталей (литье направленно-последовательной кристаллизацией, выжиманием, под низким давлением и др.).

Детали, полученные из литых заготовок, обладают целым рядом преимуществ по сравнению с деталями, изготовленными другими способами, в частности: меньшей стоимостью; возможностью получения сложных криволинейных поверхностей, внутренних полостей, выступов, расположенных в различных плоскостях, при минимальной механической обработке. Это особенно важно при изготовлении деталей из труднодобываемых материалов (титана, жаропрочных сплавов, легированных сталей); возможностью обеспечения максимального приближения формы литой заготовки к форме готовой детали в результате применения минимальных уклонов, радиусов и т.д.; однородностью механических свойств по всем направлениям в отличие от деформированных заготовок, обладающих анизотропностью свойств.

Говоря о литых деталях, следует прежде всего иметь в виду, что они наиболее сложные по конфигурации. Кроме того, несмотря на сложную конфигурацию, высокие требования к качеству литые детали производятся с высоким коэффициентом использования материала 1 0,5...0,7. Только для наиболее сложных фасонных деталей К_им ниже 0,5.

Литые детали имеют высокую размерную точность и требуют минимальной механической обработки. Коэффициент использования литой заготовки (К_из) составляет 0,7...0,9 при литье под давлением и выплавляемым моделям. Такие же высокие значения К_из обеспечиваются для тонкостенных крупногабаритных деталей, получаемых литьем выжиманием.

На литых деталях могут быть получены минимальные уклоны и радиусы сопряжений, обеспечивается получение однородных механических свойств во всех сечениях детали путем использования соответствующих сплавов и способов литья. Литые детали могут быть получены с различными типами литых структур: равноосной, столбчатой и монокристаллической.

Высокая прочность и герметичность достигаются при использовании направленного затвердевания с применением специальных способов охлаждения литейной формы. Точные литые детали производятся с высокой усталостной прочностью литьем по выплавляемым моделям из легких цветных сплавов и легированных сталей. Применение эффективных методов контроля и управления литейными технологическими процессами, в том числе с помощью ЭВМ, механизация и автоматизация производства и использование специальных способов литья и формирования деталей позволяют обеспечить высокую надежность литых деталей. Благодаря ряду преимуществ, которыми обладают литые детали, а также последовательному освоению в серийном производстве более совершенных методов литья и новых литейных сплавов с повышенными механическими свойствами, применение технологических процессов литья в авиастроении имеет тенденцию к росту. Так. в последнее десятилетие использование литых деталей в планере самолета возросло на 25...30 %, в конструкции двигателей на 40...60 %, в агрегатном производстве на 15...20 %, в специальных изделиях на 18...23 %. Однако в самолетостроении объем литья по отношению к массе изделия остается достаточно низким и составляет 10...13 %.

Наибольшее значение приобрели освоение и внедрение литья большой номенклатуры кронштейнов, пилонов, корпусов шпангоутов из алюминиевых и магниевых сплавов: АК8МЗч (ВАЛ8), АМ4,5Кд (ВАЛ10), ВАЛ12, ВАЛ14, МЛ8, МЛ18, МЛ19. Литье титановых сплавов было освоено в металлические кокили. а также в разовые формы, прессованные из графитового порошка или графитовых оболочковых смесей. Номенклатуру деталей из титановых сплавов ВТ5Л, ВТЗ-1Л, ВТ9Л, ВТ1чЛ и ВТ21Л составили балки, фитинги, кронштейны, шпангоуты и др.

В фасонном литье из конструкционных легированных и высоколегированных сталей для отливки заготовок шпангоутов, узлов крепления, кронштейнов, деталей шасси наибольшее применение нашли стали 35ХГСЛ, 27СНМЛ, ВНЛ-3 и ВНЛ-5.

Существенным достижением в развитии технологии литья в отрасли следует считать создание на авиационных заводах специализированных литейных цехов и участков, их оснащение современным технологическим оборудованием, а также внедрение на этих предприятиях современных технологий литья. К таким технологиям относятся:

 рафинирование алюминиевых сплавов (вакуумирование, продувка аргоном, воздействие жидкими флюсами, электровакуумирование);

 плавка алюминиевых сплавов в индукционных печах повышенной частоты, обеспечивающих значительно более чистый расплав, чем в печах промышленной частоты;

 бесфлюсовое приготовление магниевых сплавов (в атмосфере защитных газов) и их закрытая разливка, что повышает коррозионную стойкость отливок и уменьшает возможность потери герметичности и прочности в процессе эксплуатации;

 использование составов холодноотвердевающих смесей (ХТС) для изготовления форм стержней, позволяющих исключить тепловую сушку стержней, механизировать процесс, повысить точность отливок, улучшить качество литья;

 литье деталей по выплавляемым моделям, что обеспечивает высокую точность отливок и высокие показатели коэффициента обрабатываемой поверхности (К_оп) и К_из;

 литье под давлением, в частности, деталей пассажирских кресел из магниевых сплавов, дающее ощутимое снижение массы изделия;

 литье под низким давлением и литье противодавлением;

 литье выжиманием тонкостенных крупногабаритных корпусных деталей из алюминиевых сплавов;

 литье с использованием направленного затвердевания заготовок в вакууме;

 литье модифицированных титановых сплавов в электрокорундовые формы, имеющие химически стойкое к титану защитное покрытие и сочетающие высокую точность с необходимой химической инертностью;

 газостатирование титановых отливок, устраняющее дефекты литья, стабилизирующее его свойства и повышающее предел усталости на 20...25 %;

 литье стали под давлением в усовершенствованные пресс-формы, что позволяет повысить точность отливок, во много раз сократить цикл получения отливки и расход стали.

2.6. Литейные свойства сплавов.

Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию.

Жидкотекучесть  способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. Она зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т.д.

Усадка  свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки.

Газопоглощение  способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава увеличивается незначительно; возрастает при плавлении; резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы.

Ликвация  неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация образуется в процессе затвердевания отливки, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Различают ликвацию зональную, когда различные части отливки имеют различный химический состав, и дендритную, когда химическая неоднородность наблюдается в каждом зерне.

К литейным сплавам относится чугун, который отливки из которого составляют около 80 % всех отливок в машиностроении. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам. Используются: углеродистые стали 15Л...55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др. Среди литейных материалов из сплавов цветных металлов широкое применение нашли медные и алюминиевые сплавы. Медные сплавы  бронзы и латуни. Латуни  наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для морских судостроения, работающей при температуре 300 ⁰С, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Из оловянных бронз (БрОЗЦ7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки. Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже. Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий - кремний (Al-Si)  силумины АЛ2, АЛ9. Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности. Также используются сплавы систем: алюминий - медь, алюминий - медь - кремний, алюминий - магний. Магниевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, но их литейные свойства невысоки. Сплавы системы магний - алюминий - цинк -марганец применяют в приборостроении, в авиационной промышленности.

Контрольные вопросы

1. Какова главная задача заготовительного производства?

2. Какие факторы влияют на себестоимость производства в машиностроении?

3. Какими показателями оценивается технологичность детали?

4. Каковы общие принципы выбора заготовки?

5. Какие основные факторы влияют на выбор способа получения заготовки?

6. Назовите основные литейные свойства сплавов.

7. Какие способы литья используются на предприятиях авиационной промышленности?

8. Какой экономический эффект даёт изготовление деталей из литых заготовок в условиях серийного производства?

9. Какими преимуществами обладают детали, полученные из литых заготовок по сравнению с деталями, изготовленными другими способами?

Список литературы

1. Борисов В.Г. Процессы изготовления тонкостенных деталей самолётов

методами пластического формообразования: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. с. 23-27.

2. Лысов М.И., Сосов Н.В. Формообразование деталей гибкой. М.: Машиностроение, 2001. с. 22-31.

3. Приоритеты авиационных технологий: В 2-х кн. / Научн. ред. А.Г. Братухин. М.: Изд-во МАИ, 2004. кн. 2. с. 975-983.

4. Бирюков Н.М., Резниченко В.И., Ширяльщиков В.И. Технология вертолётостроения: Учебник для вузов, М.: Изд-во МАИ, 1986. с. 90-94.

5. Технология самолётостроения: Учебник для вузов / А.Л. Абибов, Н.М. Бирюков, В.В Бойцов и др. М.: Машиностроение, 1982. с. 106-110.