Проект цеха получения отливок по выплавляемым моделям из специальных сплавов мощностью 2000 тонн в год

/

/

Введение

отливка деталь производственный

Специальные виды литья находят все большее промышленное применение, так как наряду с высокой производительностью обеспечивают повышение размерной и весовой точности отливок, что приводит к значительной экономии металла и к снижению трудоемкости механической обработки.

Положительной особенностью данных способов литья является также возможность высокой степени автоматизации и комплексной механизации производства, улучшение санитарно-гигиенических условий труда.

Промышленное применение литья по выплавляемым моделям обеспечивает получение из любых литейных сплавов сложных по форме отливок массой от нескольких граммов до десятка килограммов со стенками, толщина которых в ряде случаев менее 1 мм, с шероховатостью от Rz = 20 мкм до Ra = 1,25 мкм (ГОСТ 2789 - 73 [1]) и повышенной точностью размеров (до 9 - 10-го квалитетов). Возможности этого метода позволяют максимально приблизить отливки к готовой детали, а в ряде случаев получить литую деталь, дополнительная обработка которой перед сборкой не требуется. Вследствие этого резко снижаются трудоемкость и стоимость изготовления изделий, уменьшается расход металла и инструмента, экономится энергетические ресурсы, сокращается потребность в рабочих высокой квалификации, в оборудовании, приспособлениях, производственных площадях.

1. Проектная часть

1.1 Структура цеха литья по выплавляемым моделям

Цехи литья по выплавляемым моделям различают по роду сплава, массе отливок, объему производства, серийности, степени механизации.

Проектируемый цех литья по выплавляемым моделям относится к цехам:

- по виду литейного сплава: стального литья;

- по массе отливок: среднего литья;

- по объему производства: со средним выпуском;

- по серийности производства: массового производства;

- по степени механизации: автоматизированный.

В состав цеха входят производственные отделения (участки), вспомогательные отделения (участки) и склады.

К производственным отделениям, где выполняется собственно технологический процесс изготовления отливок, относятся следующие:

- модельное;

- изготовления оболочек форм;

- прокалочно-заливочное;

- термообрубное, где очищают отливки от остатков оболочек, отделяют отливки от литноково-питающей системы, зачищают питатели, проводят термообработку и исправляют дефекты отливок.

К вспомогательным относят следующие отделения:

- подготовки формовочных материалов и шихты;

- ремонта пресс-форм и другой технологической оснастки;

- мастерские механика и энергетика;

- цеховая лаборатория.

К складам относят закрытые склады шихтовых, формовочных, горючих материалов, готовых отливок.

В цехе предусматривают также помещения для культурно-бытового обслуживания работающих: санитарно-бытового назначения, общественного питания, здравоохранения, культурного обслуживания, учебных занятий и общественных организаций, управлений.

1.2 Производственная программа цеха

При проектировании применяют три вида производственной программы и соответствующие им методы разработки проектов литейных цехов: точная, приведенная и условная программы.

Для проектируемого цеха литья по выплавляемым моделям подходит точная программа (таблица 1.1), т.к. она предусматривает разработку технологических данных для каждой отливки и применяется при проектировании цехов крупносерийного и массового производства с устойчивой и ограниченной номенклатурой литья (до 40 наименований).

Таблица 1.1. Точная программа цеха литья по выплавляемым моделям на годовой выпуск 2000 тонн отливок из стали

1.3 Объемы производства

Для того чтобы приступить к расчету технологического оборудования, необходимо определить, какое количество изделий по переделам технологического процесса (модельных звеньев, блоков, отливок и т.п.) или материала (модельного состава, суспензии) должно быть изготовлено на этом оборудовании.

Обычно это количество на программу определяется: при серийном производстве - по технологическим картам для характерных деталей, представляющих собой группы идентичных отливок (детали - представители); при массовом производстве - по технологическим картам на все детали.

Рекомендуется деление номенклатуры отливок на восемь групп по массе, кг: <0,02; 0,02-0,04; 0,04-0,06; 0,06-0,1; 0,1-0,2; 0,2-0,6; 0,6-1,5 и >1,5. Такое деление оправдано тем, что для каждой группы отливок характерны свои технологические нормативы и показатели. Исходные технологические данные отдельно по каждой группе рассчитывают и заносят в ведомости, которая содержит только исходные технологические данные, использоваться ими для расчета числа оборудования нельзя. В этих данных неучтены неизбежные на производстве потери и брак из-за некачественных материалов, ошибок рабочего, неисправности оборудования и других причин. Для определения количества подлежащей изготовлению продукции, на которое рассчитывают оборудование, вводят коэффициенты технологических потерь [2]. В таблице 1.3 представлены исходные технологические данные, а в таблице 1.4 - ведомость объемов производства.

Примечание к таблице 1.4.: 1. коэффициенты технологических потерь; число моделей элементов литниковой системы на один блок (чаша, зумпф, кольцо и т.п.); масса литников на один блок; коэффициент, учитывающий потери металла на угар, скрап, сливы и т.п., для стали , для цветных сплавов . 2. Масса суспензии, которую рассчитывают в зависимости от принятого числа слоев покрытия по укрупненным показателям или, если номенклатура отливок невелика, по поверхности отливок. В таблице 1.2 представлены примерные коэффициенты технологических потерь.

Таблица 1.2. Примерные коэффициенты технологических потерь

Таблица 1.3. Исходные технологические данные (группа отливок по массе)

Примечание: плотность модельного состава (1300 кг/м³); плотность материала отливки (7700 кг/м³); V_л- объем (дм³) литниковой системы и модельного стояка.

Таблица 1.4. Ведомость объемов производства

1.4 Выбор режима работы цеха и фондов времени

В настоящее время в литейных цехах применяются два режима работы: последовательный (ступенчатый) и параллельный.

При последовательном режиме работы основные технологические операции выполняются последовательно в различные периоды суток на одной и той же площади.

Для цеха литья по выплавляемым моделям целесообразно принять параллельный режим работы, так как проектируемый цех - массового производства.

При параллельном режиме работы цеха все технологические операции выполняются одновременно на различных производственных участках. Бывают односменные, двухсменные трехсменные параллельные режимы работы.

Для цеха по выплавляемым моделям наиболее эффективным является двухсменный режим с третьей подготовительной сменой, т.е. третья смена отводится для профилактики и ремонта оборудования.

В соответствии с установленным режимом работы в литейных цехах устанавливается фонд времени работы оборудования. Действительный фонд времени равен номинальному (годовое время, в течении которого цех работает без потерь) за вычетом плановых потерь. Плановые потери для оборудования - это время на проведение капитальных, средних и планово-предупредительных ремонтов.

Действительный годовой фонд времени работы оборудования при рабочей неделе 40 часов, двухсменном режиме работы, в году восемь праздничных дней:

- для агрегатов приготовления модельного состава и суспензии, изготовления моделей и форм, выплавления моделей, формовки и выбивки отливок, обрубки и очистки 3975 ч.;

- для автоматического оборудования 3645 ч.;

- для дуговых печей 0,15 - 1,5 т.3890 ч.;

- для печей прокаливания форм и термообработки отливок 3975 ч.

1.5 Расчет производственных отделений цеха

Модельное отделение

В модельном отделении выполняются следующие технологические операции: приготовление модельного состава и подготовка его для запрессовки, запрессовка состава в пресс-формы, охлаждение моделей и извлечение их из пресс-форм, изготовление элементов литниковых систем и сборка моделей в блоки.

При изготовлении отливок по выплавляемым моделям трудоемкость получения моделей зависит от выбора состава и способа его приготовления. Поэтому принятый модельный состав должен иметь низкую температуру плавления, хорошую жидкотекучесть, достаточную твердость и прочность, быть безвредным, недефицитным.

Для изготовления отливок в проектируемом цехе применим модельный состав первой группы ПЦПэв 67 - 25,5 - 7,5 (на основе парафина, церезина и полиэтиленового воска ПВ - 300):

- температура плавления 76,9єС;

- теплоустойчивость 43єС;

- температура состава в пастообразном состоянии 55 - 56єС;

- свободная линейная усадка 0,7-1,0%;

- предел прочности при статическом изгибе при 18-20єС -6,3 МПа;

- кинематическая вязкость при 100єС- 8,13 мм;

- зольность 0,02% по массе;

- коксуемость 0,04%.

Модельные составы первой группы применяются как при массовом выпуске мелких стальных отливок, так при серийном производстве сложных по конфигурации тонкостенных отливок из специальных сплавов.

При подготовке выплавляемых модельных составах используют до 90% возврата, собранного при удалении моделей из оболочек форм.

Для приготовления пастообразного модельного состава ПЦПэв 67 - 25,5 - 7,5 используем установки мод. 652А. Технические характеристики установки 652А представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Технические характеристики установки мод. 652А для приготовления модельного состава

Плавильный агрегат предназначен для расплавления твердого модельного состава и подачи его в бак, состоит из плавильного бака, двух фильтров, сборника и центробежного насоса. Расплавление твердого модельного состава осуществляется паром, подаваемым в два коллектора. Стенки плавильного бака обогреваются паром, снаружи имеют теплоизоляцию. Сборник обогревается горячей водой.

Бак предназначен для накопления и стабилизации расплавленного модельного состава перед его подачей в шестеренчатую мешалку мазеприготовительного агрегата.

Мазеприготовительный агрегат предназначен для преобразования модельного состава в пастообразное состояние, а также для подачи готовой пасты под заданным давлением к установим для изготовления моделей. Этот агрегат состоит из смонтированных на сварной раме шестеренчатой мешалки, сборника, блока раздачи, двух пневмонасосов двойного действия. Мешалка представляет собой десять попарно расположенных шестеренчатых насосов, причем каждая пара вращается в сторону, противоположную предыдущей. Наличие полостей в корпусе позволяет либо разогревать мешалку перед работой водой от насосно-нагревательных станций, либо охлаждать во время работы подачей холодной воды. Привод мешалки состоит из электродвигателя, клиноременной передачи и редуктора. Для получения различных режимов работы мешалки предусмотрены две пары запасных шкивов.

Насосно - нагревательная станция предназначена для нагрева воды до заданной температуры и подаче ее в обогревательные рубашки узлов и агрегатов установки с целью поддержания стабильной температуры модельного состава. Станция состоит из бака с теплоизолированными стенками, трубчатых электронагревателей и двух центробежных насосов.

Автомат мод. 653 предназначен для изготовления модельных звеньев в крупносерийном и массовом производстве. Состоит из основания, на котором размещены десятипозиционная карусель (стол) с приводом, механизм прочистки, механизм обдува пресс-форм и электрошкаф. Водяной конвейер устанавливается отдельно в зоне раскрытия пресс-форм. На карусели (столе) закреплены десять равномерно расположенных механизмов смыкания, к подвижной и неподвижной плитам которых крепятся пресс-формы, имеющие механизмы выталкивания модельных звеньев и перемещения стержней.

Вращение карусели - прерывистое, сообщается от электродвигателя через клиноременную передачу, червячно-цилиндрический редуктор и мальтийский крест. В редукторе предусмотрены сменные шестерни, обеспечивающие дополнительные режимы вращения.

На первой позиции карусели происходит заполнение пресс-форм модельным составом, следующие шесть позиций пресс-формы проходят в закрытом состоянии (модельные звенья в это время охлаждаются и затвердевают). На восьмой позиции карусели пресс-формы раскрываются, и системой толкателей модельные звенья выталкиваются в водяной конвейер. На девятой позиции пресс-формы очищаются, обдуваются и смазываются соответственно механизмами прочистки и обдува; на десятой - смыкаются и подаются на новый цикл. Механизмы смыкания, прочистки и обдува приводятся в движение от пневмоцилиндров. Для охлаждения пресс-форм через отверстие в колонне карусели и распределительную муфту на каждую позицию автомата подается вода. Технические характеристики автомата мод. 653 представлены в таблице 1.6.

Таблица 1.6. Технические характеристики автомата мод. 653

По данным из таблицы 1.3. определим количество установок для приготовления модельной массы по формуле [2]:

, (1)

где В_Г - годовое количество потребляемого жидкого металла, число съемов со стержневых машин, количество смесей и т.п. (с учетом брака, просыпи смесей и т.п.);

К_Н - коэффициент неравномерности потребления и производства

К_Н = 1,0-1,2;

Ф_Д - годовой действительный фонд времени рассчитываемого оборудования;

N^/_расч - производительность оборудования (расчетная), принятая, исходя из прогрессивного опыта его эксплуатации.

Принимаем Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования [2]:

, (2)

Для определения необходимого числа автоматов для запрессовки составим ведомость необходимого количества литниковых чаш и колпачков.

Таблица 1.7. Ведомость годовой потребности в чашах и колпачках

По данным из таблицы 1.7. определим количество автоматов для запрессовки по формуле (1):

Принимаем Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования:

Готовые модели после извлечения их из пресс-форм и предварительного визуального контроля охлаждают в проточной воде или обдувкой воздухом.

Сборка моделей осуществляется механическим креплением. Это высокопроизводительный метод сборки моделей в блоки на металлический стояк-каркас с механическим зажимом. Стояк-каркас предназначен для сборки моделей звеньями, изготовленными в многоместных пресс-формах с частью модели стояка (втулкой) с замком на торцовой части, исключающим относительное перемещение звеньев, собранных в блок. К преимуществам звеньевой сборки на стояк-каркас по сравнению с припаиванием относятся в 10--20 раз большая производительность и обеспечение полной повторяемости конструкции блока, разработанной технологом. Исключается возможность смещения моделей, наблюдаемого при некачественной сборке припаиванием, искажения размера питателя в результате излишнего его оплавления, непрочного присоединения моделей, образования вследствие неполного припаивания зазора между питателем и соединяемым с ним элементом литниковой системы.

Отделение изготовления оболочковых форм

В отделении изготовления оболочек форм выполняются следующие операции: подготовка материалов покрытия, приготовление покрытия, нанесения его на модельные блоки, сушка покрытия, извлечение стояков и выплавление модельного состава.

Высокая чистота поверхности отливки получается вследствие нанесения на выплавляемую модель слоя покрытия из твердой составляющей - пылевидного кварца и жидкого связующего - гидролизованного раствора этилсиликата и жидкого стекла.

Подготовка твердого материала состоит в измельчении, промывке, прокаливании и просеве. Измельчение производится в шаровых мельницах, футерованных внутри плитами из кварца. Прокаливание осуществляют в печах барабанного типа, выдерживают при 250…300єС в течении 2…3 часов, затем охлаждают до комнатной температуры. Просев осуществляется с помощью сит.

Подготовка связующих растворов заключается в приготовлении гидролизованного раствора этилсиликата в гидролизаторах и жидкого стекла.

Этилсиликат (ЭТС) - прозрачная или слабоокрашенная жидкость с запахом эфира. Это продукт реакции этилового спирта с четыреххлористым кремнием при непрерывном их смешивании и охлаждении в реакторе. Реакция этерификации, или эфиризации, может быть схематически представлена следующим уравнением (если применяют обезвоженный спирт):

SiCl₄ + 4С₂Н₅ОН = (C₂H₅O)₄Si + 4HC1,

где (C₂H₅O)₄Si - этиловый эфир ортокремниевой кислоты с температурой кипения 165,5 °С, называемый также тетраэтоксисиланом, или моноэфиром.

Приготовление связующего раствора получают гидролизом ЭТС, для чего вводят воду. Гидролиз - это процесс замещения содержащихся в ЭТС этоксильных групп (С₂Н₅О) гидроксильными (ОН), содержащимися в воде. Гидролиз сопровождается поликонденсацией.

Расчет гидролиза.

ЭТС-40,p =1050 кг/м³, в количестве 1л.; спирт этиловый,p= 803,3 кг/м³; кислота соляная, p=1190 кг/м³.

Гидролиз проводим на 16% SiO₂ в гидролизате, отверждение в воздушно-аммиачной среде.

Рассчитываем количество растворителя Р, которое требуется для получения 16% SiO₂ в связующем по формуле:

м³ (3)

где m - содержание SiО₂ в этилсиликате,%; Q - объем гидролизуемого этилсиликата, м³; - плотность этилсиликата, кг/м³; ₁ - плотность разбавителя, кг/м³.

=1960,7 мл.

Рассчитываем общее количество воды, требуемое для гидролиза:

кг

где А - содержание этоксильных групп,%; М₁ - молекулярная масса воды, кг; М₂ - молекулярная масса этоксильных групп, кг.

При условий отверждения связующего в среде аммиака принимаем соотношение количества молей воды и этоксильных групп К = 0,3. Так как содержание этоксильных групп в исходном этилсиликате не оговорено условием задания, принимаем его средним для данной марки ЭТС-40, т.е. А = 70%. Молекулярная масса воды М₁ = 18 г (0,018 кг), молекулярная масса этоксильных групп:

М₂ = 122+15+16 = 45 г, т.е. М₂ = 0,045 кг.

Тогда Н = 0,3 = 0,0882кг=88,2 мл.

Определяем количество воды, вносимое растворителем - этиловым спиртом:

кг (4)

где А₁ - содержание воды в спирте,% масс. А₁ = 3,2% масс.

Количество воды, вносимое растворителем:

Н₁ = = 0,0504 кг.

Количество соляной кислоты для ускорения процесса гидролиза принимаем:

В = 0,01Q = 0,01110^-3 = 0,0110^-3 м³=10 мл. (5)

Количество воды, вносимое с катализатором - соляной кислотой:

кг (6)

Здесь В = (0,01…0,014)Q - количество соляной кислоты, взятое для гидролиза, м³; ₂ - плотность соляной кислоты, кг/м³; А₂ - содержание воды в соляной кислоте,% масс.

Н₂ = =0,00747кг

При ₂ = 1190 кг/м³, А₂ = 62,78% масс.

Количество воды, которое необходимо ввести непосредственно в этилсиликат при его гидролизе, составит:

кг. (7)

Н₃ = 0,0882 - (0,0504 + 0,00747) = 0,03033кг=30,33 мл.

Количество компонентов гидролиза на один литр ЭТС-40:

Этилсиликат ГОСТ 26371-84 1000 мл;

Вода дистиллированная ГОСТ 6709-72 30,3 мл;

Спирт этиловый ГОСТ 17299-85 1960,7 мл;

Кислота соляная ГОСТ 3118-77 10 мл;

Всего 3001 мл.

Приготовка связующего раствора этилсиликата осуществляют в гидролизаторе конструкции НИИавтопром с производительностью 40 л/ч, емкостью бака 50л, скоростью вращения мешалки 2800 об/мин, габариты установки 7506001470мм.

Рассчитаем необходимое количество гидрализаторов по формуле (1):

Количество гидролизаторов, принимаемое к установке в цехе Р₂=5 единиц.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Для приготовления суспензии на ЭТС связующем в бак механической мешалки влить гидролизат, включить мешалку и засыпать порциями наполнитель. Суспензию перемешать в течении 40…60 минут при скорости вращения крыльчатки мешалки 2800 об/мин. Затем суспензию выдержать в спокойном состоянии 20…30 минуты и замерить условную вязкость по вискозиметру ВЗ-4. Оптимальная вязкость полученной суспензии 60…75 сек. Активное и длительное перемешивание необходимо для дезагрегирования пылевидной составляющей и смачивания связующим пылевидной частицы. За 5 - 7 мин до окончания перемешивания вводят антииспаритель. Вследствие активного перемешивания понижается вязкость суспензий, поэтому необходимо вводить больше пылевидной составляющей. На пылевидных зернах образуются тонкие пленки связующего и достигается плотная укладка зерен в слоях, наносимых на модели.

Для приготовления суспензии используют агрегат мод. 662А. Технические характеристики агрегата мод. 662А представлены в таблице 1.8. Агрегат состоит из бункера для загрузки пылевидного материала, дозатора, смесителя и панели дозирования жидких составляющих, размещенных в корпусе, а также четырех расходных бачков, электро- и пневмооборудования. Расходные баки установлены на подставке на такой высоте, чтобы жидкие составляющие могли поступать к панели дозирования самотеком. Расход жидкостей устанавливается по ротаметрам с помощью игольчатых кранов. Жидкие составляющие непрерывно поступают в промежуточный бак, где перемешиваются мешалкой с целью увеличения интенсивности реакции гидролиза этилсиликата, после чего поступают в смеситель. Одновременно из бункера в смеситель через дозатор подается пылевидный материал (маршалит), количество которого регулируется оператором вручную с помощью шибера с лимбом. Смесь пылевидного материала с жидкостью интенсивно перемешивается в смесителе двумя мешалками и непрерывно поступает по трубопроводу в бак хранения суспензии. Для получения отдельных порций суспензии (по 120-150 л) на пульте управления устанавливают цикличный режим работы и производят соответствующую настройку дозаторов в зависимости от того, какой вязкости и какого состава должна быть суспензия. Агрегат имеет систему контроля верхнего и нижнего уровней жидких составляющих в расходных баках и пылевидного материала в бункере. Для поддержания необходимого температурного режима при гидролизе этилсиликата стенки промежуточного бака и смесителя охлаждаются водой. Управление агрегата осуществляется с пульта.

Таблица 1.8. Технические характеристики агрегата для приготовления суспензии мод. 662А

Рассчитаем необходимое количество установок 662А для приготовления 1240 т этилсиликатового связующего по формуле (1):

Количество агрегатов 662А, принимаемое к установке в цехе Р₂=4 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Далее блоки моделей смачивают в суспензии. При этом блок медленно погружают в суспензию, поворачивая его в различных направлениях. Смачивать суспензией модели можно только после полного завершения процессов их усадки. При нанесении первого слоя суспензия удаляет с поверхности моделей адсорбированный воздух и смачивает поверхность блока. Затем модельный блок присыпается песком в установках «кипящего слоя» Последний слой оболочки наносят без последующей обсыпки зернистым материалом.

Для послойного нанесения суспензии на модельные блоки и обсыпки их в кипящем слое песка используют автомат мод. 6А67. Технические характеристики автомата мод. 6А67 представлены в таблице 1.9.

Таблица 1.9. Технические характеристики автомата мод. 6А67

Основные узлы: ванна для суспензии, ванна «кипящего слоя», вентиляционный кожух, копир, бак хранения и транспортирования суспензии, пневмо- и электрооборудование.

В машинах последовательно выполняются операции нанесения суспензии и обсыпочного материала на блоки моделей, предварительно собранные на стояках специальной конструкции и навешенные на подвески непрерывно движущеюся конвейера. Автомат 6А67 устанавливается непосредственно в линии, собственного конвейера не имеет. Во время движения конвейера модельные блоки с помощью копира отклоняются от вертикального положения и под углом 75-60° (от горизонтали 25-30°) вводятся сначала в ванну обмазки, а затем в ванну «кипящего слоя», где покрываются слоем огнеупорной суспензии и обсыпочным материалом (песком). Во время прохождения ванн блоки вращаются, что способствует равномерному покрытию (без пузырей) блока и заполнению поднутрений.

Бак хранения и транспортирования суспензии обеспечивает ее непрерывное перемешивание и пополнение ванны обмазки, куда суспензия подается под действием сжатого воздуха, подведенного в бак. Для охлаждения суспензии в рубашках ванны обмазки и бака циркулирует охлаждающая вода.

«Кипящий слой» создается за счет пропускания большого объема сжатого воздуха через пористое дно ванны с обсыпочным материалом. С помощью специального устройства загрязненный обсыпочный материал (капли, комья) периодически удаляется из ванны «кипящего слоя».

Отсос воздуха от ванн, загрязненного песчаной пылью, парами ацетона и других летучих веществ, производится через общий вентиляционный кожух.

Рассчитаем необходимое количество установок 6А67 по формуле (1):

Количество установок 6А67, принимаемое к установке в цехе Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

В установках сушки блоков 6А82 происходит послойное отверждение и сушка огнеупорного покрытия. Производительность сушила 200 блоков/ч, скорость цепи конвейера 2,13 м/мин,, число камер сушки 5 шт., мощность 12 кВт, габариты 660018703400мм. Установка сушки блоков 6А82 входит в линию с установкой 6А67.

Рассчитаем необходимое количество установок 6А82 по формуле (1):

Количество установок 66А82, принимаемое к установке в цехе Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Торец литниковой воронки покрыт оболочкой при ее формировании, что препятствует удалению модельного состава, а применение металлического стояка - извлечению его из блока моделей. Торцовый слой оболочки на воронке отрезают вращающимся тонким абразивным отрезным кругом.

Воскообразные модели выплавляют в горячей воде в установке 672. Наибольшая производительность 90 блоков/ч, размер площадки для установки блоков 400850 мм, рабочая температура воды 95…98єС, рабочий объем ванны 14м³, мощность 21кВт, габариты 1753053501940мм.

Рассчитаем необходимое количество установок 672 по формуле (2):

Количество установок 672, принимаемое к установке в цехе Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Освобожденные стояки промывают в специальных установках и возвращают к столам сборки.

Прокалочно-заливочное отделение

В прокалочно-заливочном отделении оболочки форм заформовывают в опорный наполнитель и прокаливают, плавят и заливают в формы металл, охлаждают и выбивают блоки отливок.

На дно опоки, представляющей собой коробку, насыпают небольшой слой наполнителя, чтобы верхний уровень торца литниковой воронки оболочки был примерно на уровне верха опоки; ставят оболочки, воронки закрывают крышками и насыпают наполнитель. В качестве сыпучего опорного наполнителя применим шамотную крошку (0,2…1 мм). Опоку ставят на вибростол с амплитудой колебаний 0,5--0,6 мм и частотой колебаний 50Гц. После уплотнения наполнителя снимают крышки и формы направляют для прокаливания в печь. Оболочки прокаливают 7--10 ч и заливают их горячими, при литье стали они имеют температуру 850--900 °С.

Формуют оболочки в опоки на формовочном столе мод. 673, который имеет габаритные размеры опоки 600270400 мм, наибольшая производительность при двух блоках диаметром 250мм в одной опоке 50блок/ч, производительность элеватора 5,7 т/ч, объем верхнего бункера 0,4м³, нижнего - 0,3м³, 2 вибратора, габариты 107510682954 мм.

Рассчитаем необходимое количество установок 673 по формуле (1):

Количество установок 673, принимаемое к установке в цехе Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

После формовки опоки по роликовому конвейеру попадают к прокалочным газовым толкательным печам конструкции ЗИЛ, которые имеют производительность 50 форм/ч.

Рассчитаем необходимое количество печей, при условии два блока в форме по формуле (1):

Количество печей, принимаемое к установке в цехе Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Для выплавки стали 30ХНМЛ и 45Л в проектируемом цехе примем индукционную тигельную печь повышенной частоты с основной футеровкой ИСТ-0,16. Вместимость печи 0,16т, скорость плавки 45 мин, угар шихтовых материалов 1,5%, диаметр графитового электрода 100мм.

Количество печей ИСТ - 0,16, принимаемое к установке в цехе Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Для механизации процесса заливки форм, используем пневматическое заливочное устройство.

Необходимое количество разливочных ковшей определим по формуле:

, (8)

где Q_МЕ -- годовой объём жидкого металла, т;

Т_Ц -- время цикла работы ковша, ч.;

К_Н -- коэффициент неравномерности производства;

Q_К-- вместимость ковша,т.

п ==3,12

Принимаем 4 ковша емкостью 50 кг.

Число ковшей постоянно находящихся в ремонте определим по формуле:

, (9)

где п_рк -- число ковшей, находящихся в ремонте;

п_к -- общее число ковшей, находящихся постоянно в работе;

t_р -- время ремонта одного ковша, ч;

п_р -- число ремонтов в году;

к_н -- коэффициент неравномерности производства;

Ф_р -- действительный фонд времени работы футеровщиков, ч.

Итого, постоянно находится в ремонте два ковша.

Количество резервных ковшей, на случай их выхода из строя, две штуки.

Сушку ковшей и тиглей осуществляют на газовых стендах.

Таблица 1.10. Ведомость расхода шихтовых материалов стали 30ХНМЛ.

Таблица 1.11. Ведомость расхода шихтовых материалов стали 45Л

Опоки с залитыми формами охлаждают в конвейерных камерах, после чего их выбивают в поворотном устройстве 674, которое имеет производительность 90блок/ч (при двух блоках диаметром 250мм в одной опоке), габариты опок 600270400мм, цилиндр поворота с усилием 8000…10000Н, сито имеет диаметр ячеек 7мм, мощность установки 0,6 кВТ, габариты 13409951740мм.

Рассчитаем необходимое количество установок 674 по формуле (1):

Р^ґ₁=

Количество установок 674, принимаемое к установке в цехе Р₂=3 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Термообрубное отделения

В термообрубном отделении очищают отливки от остатков оболочек, отделяют отливки от литноково-питающей системы, зачищают питатели, проводят термообработку и исправляют дефекты отливок.

Блоки отливок конвейером передают к вибрационным установкам мод 6А92, для отделения остатков оболочек от отливок. Установка 6А92 имеет производительность 35 блоков/ч, количество всасываемого воздуха 1200м³/ч, габаритные размеры 8359502500мм.

Рассчитаем необходимое количество установок 6А92 по формуле (1):

Количество установок 6А92, принимаемое к установке в цехе Р₂=3 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Для отделения отливок от стояков установлен гидравлический пресс 6А93. Производительность пресса 60 блоков/ч, наибольшее усилие развиваемое верхним цилиндром 630кН, подпора - 50кН, скорость среза отливок 40мм/с, скорость выталкивания стояка 80мм/с, установленная мощность 30кВт, габариты 21501000 2900мм.

Рассчитаем необходимое количество прессов по формуле (1):

Количество установок 6А93, принимаемое к установке в цехе Р₂=2 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Далее отливки очищают выщелачиванием в агрегате мод.695. Установка мод. 695 имеет производительность 200 кг/ч, частота вращения его барабана 0,4…0,29 об/мин, температура щелочи 125…130єС, воды для промывки - 60єС, время обработки в щелочи 100…140мин, промывки в воде - 20…35мин, установленная мощность 0,6кВт, габариты 520018002720мм.

Рассчитаем необходимое количество установок мод. 695 по формуле (1):

Количество агрегатов мод. 695, принимаемое к установке в цехе Р₂=3 единицы.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Для выполнения отделочных операции установлены кривошипные прессы, слесарные верстаки с бормашинами, для зачистки питателей применяют наждачный станок конструкции НИИТАвтопром с производительностью 700 отливок/ч.

Рассчитаем необходимое количество станков конструкции НИИТАвтопром по формуле (2):

Количество станков, принимаемое к установке в цехе Р₂=1 единица.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Очищенные и промытые отливки идут на термообработку. Термообработку производят в электропечах конструкции ЗАО «Накал» производительностью 500 кг/ч.

Рассчитаем необходимое количество печей по формуле (1):

Количество печей, принимаемое к установке в цехе Р₂=2 единица.

Определим К_ЗО - коэффициент загрузки оборудования по формуле (2):

Расчет складов цеха

На складах осуществляется приемка, складирование, подготовка шихтовых и формовочных материалов, огнеупорных изделий, флюсов и т.д.

Площади хранилищ нормативного запаса материалов на цеховых складах сводят в ведомость расчета площади складов. Ведомость расчета складов цеха представлена в таблице 1.12.

Таблица 1.12. Ведомость расчета площади складов

Площадь, занимаемую материалом (F_М) на месте хранения, определяют по формуле:

, м², (13)

где Q - масса соответствующего материала, хранимого на складе, т;

Н - высота хранения материала, м;

- насыпная массы материала, т/м³;

к - коэффициент использования емкости склада (не более 0,8).

При определении площади складов учитываются также площади, занятые приемными приямками, разгрузочными площадками, эстакадами, приемными устройствами для подачи материалов в цех, оборудованием для подготовки материалов, а также проходами и проездами.

На складе блоков хранится 1/4 всех блоков, которые занимают площадь 30м², на складе пресс-форм хранятся 150 пресс-форм, которые занимают площадь 30м^2.

Вспомогательные отделения и участки цеха

Отделение подготовки шихтовых материалов предназначено для дробления последних с целью придания им необходимых размеров, сортировки и грохочения для отбора мелочи и для очистки поверхности от ненужных примесей.

На данном участке расположены аллигаторные ножницы для разделки длинномерного стального лома и бракованного проката, для разделки более крупного стального лома, прибылей и литников используют газовые резаки. Щёковая дробилка предназначена для дробления ферросплавов, флюсов, шлаков и т. д.

Бункера для шихтовых материалов оборудованы электровибрационными питателями. Навески шихты к плавильной печи подают от весовой тележки самоходной электроталью.

Отделение подготовки сыпучих материалов организуется при их складе. Здесь происходит сушка пылевидного кварца в печи. Песок подают в цех просушенным с базисного скала завода. В отделении предусмотрена эстакада с бункерами для сыпучих материалов, откуда их соответствующими системами пневмотранспорта подают к местам требования.

Ремонтная служба цеха предназначена для проведения межремонтного обслуживания технологического и транспортного оборудования и ремонта оснастки. Площади, занимаемые ремонтным оборудованием 60м².

Лаборатории цеха предназначены для контроля поступающих в цех материалов, готовой продукции и текущего контроля технологических процессов. Размещаются они в основных отделениях цеха и служебно-бытовых помещениях. Площади лабораторий 70м².

Внутрицеховой транспорт

К внутрицеховому транспорту относятся все виды подъёмно-транспортных средств, обеспечивающие технологический процесс изготовления отливок.

Типы подъемно-транспортных устройств:

1. периодического действия (краны различных типов, электротельферы, подъемники, штабелеры, электрические тележки, погрузчики и т.п.);

2. непрерывного действия (конвейеры различных типов, элеваторы и т.п.);

3. трубопроводный транспорт;

Шихтовые материалы доставляются на склад по подъездным железнодорожным путям, разгружаются электрическим мостовым краном со съемными магнитом и грейфером грузоподъемностью 5т, (отсюда ширина пролета 24м, шаг колон 6м).

Длина склада шихты, обслуживаемого одним краном 40…60м, поэтому на данный участок принимаем один мостовой кран.

Длина склада готовой продукции, обслуживаемого одним краном 25…40м, значит, на данный участок принимаем один кран-штабелер грузоподъемностью 5т, (отсюда ширина пролета 24м, шаг колон 6м).

Навески шихты к плавильной печи подают от весовой тележки самоходной электроталью.

Собранные блоки перемещаются к установкам нанесения оболочки конвейером.

Формы, расположенные на роликовом конвейере, заливают металлом из разливочных ковшей.

Песок из базисного склада системами пневмотранспорта подают к местам требования.

Жидкое стекло транспортируется по трубопроводам.

2. Технологическая часть

2.1 Условия работы детали

Деталь «Вилка верхняя» работает в условиях агрессивной среды при температуре до 500? С и высоком давлении, в процессе работы испытывает большие динамические нагрузки.

2.2 Предъявляемые требования

В соответствии с условиями работы деталь должна иметь высокую степень герметичности, не должна иметь трещин, газовых раковин и других включений. Внутренняя поверхность не должна иметь пор и шлаковых включений, так как сопрягается с другими деталями.

2.3 Анализ конструкции детали

Деталь с габаритными размерами 254Ч160 мм имеет достаточно сложную конфигурацию, с поднутрениями и обладает хорошей технологичностью для изготовления ее способом литья. Конфигурация и расположение поверхностей, подвергаемых обработке, полостей удовлетворяют основным требованиям литейной технологии.

2.4 Обоснование и выбор способа изготовления отливки

Данную отливку целесообразно изготавливать методом точного литья по выплавляемым моделям. Выбор данного способа литья обусловлен требованиями к шероховатости поверхности детали (Rz20), конфигурацией отливки, материалом, из которого изготавливается отливка, а также типом производства.

2.5 Выбор материала

Учитывая условия работы детали, а также предъявляемые требования, следует использовать для отливки материал 30ХНМЛ ГОСТ 977-88 [3]. Коррозионностойкая, высокопрочная сталь 30ХНМЛ мартенситного класса, применяется для изготовления литых заготовок деталей ответственного назначения для авиационной промышленности. Химический состав и физико - механические свойства стали 30ХНМЛ представлены в таблицах 2.1. и 2.2.

Таблица 2.1. Физико - механические свойства стали 30ХНМЛ

Таблица 2.2. Химический состав стали 30ХНМЛ [3].

2.6 Назначение припусков на механическую обработку и точность размеров и массы отливки

1. По таблице 9 [4] находим интервал классов точности размеров КР 7-11. Принимаем КР 8.

2. По таблице 10 [4] находи степень корабления элементов отливки СКэ 5-8. Принимаем СКэ 6.

3. По таблице 11 [4] определяем степень точности поверхности СП 8-13. Принимаем СП 10.

4. По таблице 13 [4] определяем класс точности массы КМ 5-12. Принимаем КМ 6.

5. По таблице 1 [4] находим допуск смещения Т_см=2,2.

6. Для обрабатываемых поверхностей по таблице 14 [4] необходимо определить ряд припуска РП 1-2. Принимаем РП 2.

2.7 Конструирование и расчет литниково - питающей системы

Литниково - питающая система (ЛПС) служит для обеспечения заполнения литейной формы металлом с оптимальной скоростью, исключающей образование в отливке недоливов, неслитин и неметаллический включений, а также для компенсации объемной усадки в период затвердевания отливки и получения металла заданной плотности. ЛПС должна удовлетворять требованиям технологичности при изготовлении моделей, форм, отливок, а также при отделении последних от нее.

Для отливки «Вилка верхняя» наиболее целесообразно применить тип ЛПС с верхней прибылью. Верхняя прибыль представляет собой массивный резервуар металла над главным тепловым узлом отливки, получаемой в одноместной форме. Металл в прибыль заливают из ковша или непосредственно из тигля печи. Сосредоточение наиболее горячего расплава в верхней части прибыли приводит к созданию в форме наиболее благоприятного для питания отливки градиента температур. Имея вследствие этого высокую питающую способность, верхняя прибыль надежно обеспечивает получение плотного металла крупных высоконагруженных литых деталей.

Расчет ЛПС ведем по методу вписанных сфер применительно к литью по выплавляемым моделям, разработанный Н.Н. Лященко на основании экспериментальных работ и обобщения производственного опыта [5].

1. Расчет шейки прибыли. Диаметр вписанной в узел сферы по чертежу мм. Тогда толщина шейки прибыли:

мм.

Имея в виду ограничение шейки прибыли шириной кольца, принимаем мм. Ширина шейки прибыли для кольца, представляющего собой протяженный узел:

мм.

Принимаем мм.

2. Высота шейки прибыли:

мм.

Принимаем мм.

3. Расчет прибыли. С целью сокращения расхода металла и высоты блока выбираем закрытую прибыль, ее высота:

мм.

Принимаем мм.

Толщина и ширина нижнего основания прибыли

;

мм.

4. Выпор. По построению ширина верхней части закрытой прибыли при составляет мм. Диаметр выпора:

мм.

Принимаем мм.

Расчет литниковых каналов. Литниковые каналы должны обеспечивать хорошую заполняемость литейной формы, включая узкие полости, и предупреждать попадание в отливку воздуха и плотных неметаллических включений.

1. Расчет необходимой удельной скорости заливки . Длина тонкой стенки отливки мм, толщина тонкой стенки мм. При заливке сверху . Тогда требующуюся удельную скорость заливки можно вычислить по эмпирической формуле:

.

2. Выбор конструкции литниковых ходов. Выбираем конструкцию литниковых ходов в которой отсутствует узкое сечение, скорость заливки регулируется заливщиком.

3. Расчет суммарной площади узких сечений. Приняв см, определим суммарную площадь узких сечений:

м² = 0,631 см².

4. Расчет диаметра центрального стояка. Площадь сечения стояка должна быть на 10 - 20% больше суммарной площади узких сечений,

т.е. см². диаметр стояка соответственно будет равен:

мм.

Остальные размеры выбираем конструктивно.

2.8 Оптимизация литниково-питающей системы отливки с применением компьютерного моделирования

При разработке технологии изготовления детали «Вилка верхняя» условия работы диктуют жесткие требования к ней. Повышенные требования к герметичности, высокие требования к поверхности, класс точности, минимальная пористость, отсутствие холодных и горячих трещин, газовых раковин, коробления выдвигают метод ЛВМ для производства данной отливки.

Получение заготовок ЛВМ - сложный, дорогостоящий и трудоемкий процесс, поэтому ошибки в технологическом проектировании приводят к большим материальным потерям. Значительно ускорить этот процесс, снизить стоимость подготовки производства и исключить ошибки в техпроцессе можно его моделированием. Автоматическое проектирование и моделирование техпроцесса изготовление отливок, в отличие от базовой графической платформы, в ходе подготовки производства позволяет:

· производить расчет заполнения формы расплавом и наблюдать на мониторе в трехмерном виде этот процесс и контролировать его;

· моделировать затвердевание отливки, увидеть на мониторе микропористость, усадочные дефекты и управлять таким образом тепловым балансом системы отливка - форма;

· моделировать напряженно - деформированного состояние отливки, увидеть горячие трещины, напряжения, коробление отливки;

· создать оптимальную литниково - питающую систему моделируемой отливки;

· сократить сроки проектирования и минимизировать и минимизировать затраты на отработку техпроцесса изготовления литых заготовок.

Программы математического моделирования основываются на одном из трех методов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, ограничивающие область их применения.

Метод конечных разностей МКР (Magmasoft) позволяет в кратчайшие сроки получить распределение усадочных дефектов, но его недостаток - в недостаточном учете геометрии. Более точный расчет дает метод контрольных объемов - МКО (LVMFlow), обеспечивающий хороший учет границ между материалами. С проблемами для отливок ответственного назначения, в которых трудно выявить незначительные усадочные дефекты, способны справится лишь некоторые программы. Эта задача решается методом конечных элементов - МКЭ (ProCAST).

В связи с повышенными требованиями, предъявляемыми к отливке, необходимо выбрать такой пакет программ, в котором будет максимально учтена геометрия отливки, что и позволит выявить даже незначительные дефекты. Для этого более всего подходит МКЭ и программа ProCAST. МКЭ является сеточным методом, предназначенный для решения задач микроуровня, для которого модель объекта задается системой дифференциальных уравнений в частных производных с заданными краевыми условиями. Существенным достоинством применения МКЭ является возможность построения на модели ячейки переменного размера, что труднодостижимо при использовании метода конечных разностей и контролируемого объема. Эта функция позволяет увеличить точность расчета напряжений в тонких стенках отливки при уменьшении размера ячейки в этих сечениях и повысить эффективность расчета благодаря укрупнению размера сетки в массивных узлах отливки, в том числе и прибылях.

Основа ProCAST - это три решателя (Solvers): гидродинамический (Flow Solver), тепловой (Thermal Solver) и решатель напряжений (Stress Solver). В качестве дополнительных опций предлагается внушительный список модулей, расширяющих базовые возможности программы.

Почти все модули ProCAST используют для решения соответствующих дифференциальных уравнений МКЭ. Исключение составляет модуль расчета газовой и микропористости (Advanced Porosity Module), использующий МКР и модуль расчета процесса зарождения и роста зеренной структуры (CAFE), сочетающий в себе МКЭ и клеточные автоматы.

Комплект выбранных программ моделирования состоит из программ:

· Solid Works, в которой строится 3 - D геометрия отливки и модельного блока;

· ProCAST, в которой моделируется изготовление отливок.

Компьютерное моделирование изготовления отливок можно разделить на следующие этапы:

· первый этап - построение 3 - D геометрии отливки в CAD - пакете и подготовка расчетной конечно - элементной сетки;

· второй этап - выбор материалов, граничных и начальных условий процесса, параметров расчета;

· третий этап - запуск расчета ProCAST;

· четвертый этап - просмотр и анализ результатов расчета.

Первый этап. Объемную конечно - элементную сетку (КЭ) создаем с использованием сеточного генератора MeshCAST, загрузив в него геометрию модельного блока, оболочки, и опоки с наполнителем через промежуточный формат Parasolid, сохраненную в CAD - системе Solid Works. Далее строим объемные КЭ - сетки от отливки с ЛПС к опоке с наполнителем, что позволило для ее оптимизации варьировать размер элементов в разных частях отливки. КЭ - сетка формы в сборе представлена на рисунке 2.1.

Рис. 2.1. Объемная конечно - элементная сетка формы в сборе

Второй этап. Здесь особо надо отметить термодинамическую базу ProCAST, которая снимает все проблемы в поиске свойств для отечественных сплавов или подборе их аналогов из зарубежных сплавов. С помощью термодинамической базы данных возможен расчет теплофизических и механических свойств сплава по его химическому составу. Расчет свойств проводится для сплавов на основе Fe, Al, Cu, Mg, Ni и Ti с использованием основных легирующих компонентов. Получаемые свойства имеют переменное значение в необходимом температурном интервале, что обеспечивает высокую точность расчета. Термодинамическая база данных ProCAST позволяет рассчитать следующие теплофизические свойства: теплопроводность (Вт·К/м2); плотность (кг/м3), энтальпию (кДж/кг), долю твердой фазы в интервале кристаллизации, температуру солидус и ликвидус (°С), вязкость расплава от температуры (сП). Возможно также рассчитать некоторые механические свойства: модуль Юнга, МПа; коэффициент Пуассона; коэффициент линейного расширения, 1/°С. Этих механических свойств достаточно для расчета напряженно - деформированного состояния отливки по линейно - упругой модели.

Свойства материалов формы, оболочки и отливки, начальные и граничные условия задаем согласно технологическому процессу в модуле PreCAST в следующем порядке:

· генерируем свойства сплава 30ХНМЛ в термодинамической базе данных (рисунок 2.2). Для заливаемого материла выбираем сгенерированный сплав 30ХНМЛ, для оболочки и формы выбираем материал керамика (CERAMIC) из базы данных программы;

Рис.2.2. Генерация свойств сплава 30ХНМЛ и задание свойств материалов

· создаем и назначаем контактные поверхности между компонентами (рисунок 2.3). При моделировании литья по выплавляемым моделям тип всех контактных поверхностей необходимо конвертировать из EQUIV в COINC. После создание контактных поверхностей необходимо установить значение коэффициента теплоотдачи для каждой контактной поверхности. Для выплавляемых моделей коэффициент теплоотдачи равен h=500;

· устанавливаем граничные условия (ГУ). В дополнении к ГУ определяющим условия симметрии для поверхностей оболочки устанавливается коэффициент теплоотдачи с включенной опцией (ON) View Factors. Скорость и температура устанавливаются для верхней поверхности литника (рисунок 2.4.).

Рис. 2.3. Создание и назначение контактных поверхностей между компонентами

Рис. 2.4. Заданные граничные условия (Т_зал=1610^о С, V_зал=0,5 м/с)

· устанавливаем гравитацию в меню Process g=9,81 м/с²;

· задаем константы начальных условий (рисунок 2.5.);

Рис. 2.5. Константы начальных условий

· для расчета напряженно - деформированного состояния задаем свойства материалов. В расчете форму и оболочку задаем как абсолютно жесткое тело (Rigid) для моделирования максимально жестких условий при деформации отливки, а свойства материала выбираем из термодинамической базы данных (рисунок 2.6.);

Рис 2.6. Задание свойств напряженно - деформированного состояния

· устанавливаем параметры запуска. В меню Preference выберите опцию Свободная заливка (Gravity filling).Соответствующие необходимые параметры запуска будут установлены автоматически. Активируем решатель напряженно - деформированного состояния, изменив в меню Stress значение с 0 на 1.

Третий этап. Запускаем расчет в ProCAST. Следует отметить, что все модули работают одновременно, в одно и то же время происходит расчет гидродинамики - заполнения формы сплавом, кристаллизации и охлаждения отливки, образования напряжений и деформаций отливки.

Четвертый этап. Просмотреть результаты моделирования отливки можно в постпроцессоре программы ViewCAST. По результатам моделирования можно сделать следующие выводы:

1. Усадочные раковины в отливке. По результатам моделирования заливки и кристаллизации отливки выявляются усадочные раковины в нижних частях тонких стенок отливки из - за возникающих тепловых узлов (рисунок 2.7.), а также часть усадочной раковины в верхней части отливки попала в тело отливки из - за недостаточного питания отливки прибыльной частью (рисунок 2.8).

Рис. 2.7. Тепловые узлы в отливке

Рис. 2.8. Усадочные раковины в отливке

2. Заполнение формы расплавом. Как показал расчет, заполнение формы происходит достаточно спокойно, без образования всплесков, что также подтверждается при просмотре скорости потока при при заполнении формы. Максимальная скорость наблюдается только в литнике, питающем прибыль. Скорость в нем возрастает до 1,7 м/с за счет резкого перехода площади сечения от стояка к прибыли.

3. Напряженно - деформированное состояние отливки. Анализ результатов расчета показал, что на момент выбивки отливки общий уровень напряжений достаточно велик в зоне тонких стенок отливки (рисунок 2.9), что приводит к высокому уровню остаточных пластических деформаций (короблению). На рисунке 2.10 показаны перемещения отливки по окончании процесса затвердевания. Перемещения (коробление) в тонких стенках отливки составили мм по всей протяженности тонких стенок, а максимальные нормальные напряжения составили МПа.

Рис. 2.9 Уровень напряжений в отливке

Рис. 2.10. Коробление отливки

По результатам моделирования отливки, для оптимизации ее литниково - питающей системы принимаем следующие технологические решения:

1. Увеличиваем объем прибыли на 10% для устранения усадочной раковины в верхней части отливки. Снижаем температуру прокаливания формы до 700⁰ С для устранения усадочных раковин в тонких стенках отливки. Увеличиваем диаметр выпора до 30 мм.

2. Для устранения коробления отливки, четыре проушины соединяем технологической «перемычкой».

Результаты моделирования отливки после ее оптимизации представлены на рисунках 2.11, 2.12, 2.13.

Рис. 2.11 Коробление отливки

Рис.2.12. Усадочные раковины в отливки. Фиолетовый - 0% усадки

Рис 2.13. Усадочные раковины в отливке

По результатам оптимизации максимальное перемещение составило мм, были устранены усадочные раковины в зоне тонких стенок, а также подобран наиболее оптимальный объем прибыли.

2.9 Расчет времени затвердевания отливки

Расчет времени затвердевания отливки выполнен в программе ProCAST. ProCAST - система, построенная на модульном принципе. В системе ProCAST необходимо выполнить определенную последовательность шагов:

1. Сгенерировать конечно - элементную модель.

2. Подготовить данные для расчета.

3. Произвести расчет.

4. Интерпретировать его результаты.

Рис 2.14. Блок - схема работы в ProCAST

Порядок проведения расчета.

1. В модуле MechCAST осуществляем чтение 3D - модели отливки «Вилка верхняя», предварительно созданную в CAD системе SolidWorks. Производим проверку импортированной геометрии отливки, исправляем ошибки с помощью встроенного графического редактора в модуль MechCAST. Выполняем автоматическое построение 2D и 3D конечно - элементной сетки (тетраэдральной) для системы ProCAST. Используем генератор оболочек для генерации оболочек для литья по выплавляемым моделям.

2. В модуле PreCAST считываем конечно - элементную модель, назначаем свойства материалов для различных компонентов модели, задаем контактные, граничные и начальные условия. Для решения задачи затвердевания отливки в модуле PreCAST вводим следующие параметры:

· Задание свойств материала формы. Для задания свойств формы, выбираем материал - керамика.

· Для задания свойств материала 30ХНМЛ отливки используем встроенный модуль в PreCAST. Задав химический состав сплава, программа генерирует термодинамические, гидравлические и напряженно-деформированные свойства сплава.

· Вводим способ охлаждения - охлаждение на воздухе.

· Вводим температуру внешней среды - С.

· Вводим значение гравитации - м/с².

· Температуру формы и отливки задаем согласно технологическому процессу литья. С, С.

· Загружаем модуль DataCAST, который компилирует настройки и создает необходимые для расчета файлы.

· Модуль ProCAST выполняет анализ.

· ViewCAST - постпроцессор, позволяющий визуализировать результаты расчета в виде отчета ProCAST.

Рис.2.15. Результаты расчета времени затвердевания отливки в программе ProCAST

По результатам расчета время затвердевания отливки составило секунд или 66,3 минуты. Результаты расчета затвердевания отливки в программе ProCAST представлены на рисунке 2.15.

2.10 Расчет шихты

Химический состав 30ХНМЛ приведен в таблице 2.1. Шихтовые материалы и их состав в массовых долях процента приведен в таблице 2.4.

Таблица 1.3. Угар элементов,%

Расчёт содержания элементов в шихте:

Таблица 2.4. Выбор шихтовых материалов

Расчет шихты производим с помощью ЭВМ.

Балансовые уравнения по содержанию химических элементов:

По углероду:

0,3•X₁+0,3•X₂+98•X₃+0,1•X₄+3,5•X₅+X₆+0,5•X₇+0,01•X₈>0,29

0,3•X₁+0,3•X₂+98•X₃+0,1•X₄+3,5•X₅+X₆+0,5•X₇+0,01•X₈<0,41

По кремнию:

0,2•X₁+0,3•X₂+75•X₄+2,2•X₅+2•X₆+5•X₇+0,03•X₈>0,22

0,2•X₁+0,3•X₂+75•X₄+2,2•X₅+2•X₆+5•X₇+0,03•X₈<0,44

По марганцу:

0,7•X₁+0,65•X₂+0,3•X₄+77•X₅>0,5

0,7•X₁+0,65•X₂+0,3•X₄+77•X₅<1,26

По хрому:

1,45•X₂+65•X₆>1,53

1,45•X₂+65•X₆<1,88

По никелю:

1,45•X₂+99,1•X₈>1,44

1,45•X₂+99,1•X₈<1,78

По молибдену:

0,25•X₂+50•X₇>0,22

0,25•X₂+50•X₇<0,33

По сере:

0,03•X₁+0,04•X₂+0,01•X₃+0,05•X₄+0,02•X₅+0,02•X₆+0,2•X₇<0,04

По фосфору:

0,04•X₁+0,04•X₂+0,02•X₄+0,07•X₅+0,03•X₆+0,1•X₇<0,04

Технологические ограничения:

X₂<0,35

Балансовое уравнение по количеству шихты:

Х₁+Х₂+Х₃+ ₄+Х₅+Х₆+Х₇+Х₈= 1,00

Целевая функция:

7200·X₁+7000·X₂+13000·X₃+15000·X₄+14500·X₅ +17000·X₆+16000·X₇+25000·X₈=7474,97 руб/т

Решение уравнений представлены в таблице 2.5:

Таблица 2.5. Решение уравнений на ЭВМ

Таблица 2.6. Количество компонентов шихты для получения 1 тонны сплава 30ХНМ

2.11 Описание технологического процесса изготовления отливки

Изготовление выплавляемой модели

При разработке и создании новой промышленной продукции особое значение имеет скорость прохождения этапов НИОКР, которая в свою очередь существенно зависит от технологических возможностей опытного производства. В частности это касается изготовления литейных деталей, которые часто являются самой трудоемкой и дорогостоящей частью общего проекта. При создании новой продукции, особенно на этапе ОКР в опытном производстве, для которого характерны вариантные исследования, необходимость частых изменений конструкции и, как следствие, постоянной коррекции технологической оснастки для изготовления опытных образцов, проблема быстрого изготовления литейных деталей становится ключевой. В опытном производстве преимущественными остаются традиционные методы изготовление литейной оснастки (в основном деревянные модели) вручную или с использованием механообрабатывающего оборудования, реже ЧПУ. Это связано с тем, что на этапе ОКР в условиях неопределенности результата, когда конструкция изделия еще не отработана, не утверждена, для изготовления образцов не целесообразно создавать «нормальную» технологическую оснастку под серийное производство. В этих условиях весьма дорогостоящая продукция - литейная оснастка, оказывается, по сути разовой, которая в дальнейшей работе над изделием не используется в связи с естественными и существенными изменениями конструкции изделия в ходе ОКР. Поэтому каждая итерация, каждое приближение конструкции детали к окончательной версии требует зачастую и новой технологической оснастки, поскольку переделка старой оказывается чрезмерно трудоемкой или вообще не возможной. И в этой связи традиционные методы оказываются не только дороги в плане материальных потерь, но и чрезвычайно затратны по времени.

Для создания выплавляемой модели при отработке технологии более всего подходит MJM - процесс (Multi - Jet Modeling). Данную технологию изготовления восковой модели осуществляем на установке ProJet 3500 фирмы 3D SYSTEMS. Общий вид установки представлен на рисунке 2.16.

Рис.2.16. Установка ProJet 3500

Модель строится на 3D-принтере с использованием специального модельного материала, в состав которого входит светочувствительная смола - фотополимер на акриловой основе, и литейный воск (более 50% по массе). Фотополимер является связующим элементом. Материал посредством многоструйной головки послойно наносится на рабочую платформу, отверждение каждого слоя производится за счет облучения ультрафиолетовой лампой. Принтер ProJet 3500 специально разработан для выращивания восковых моделей для точного литья металлов в гипсо-керамические и оболочковые формы. Принтеры имеют два режима построения модели - «стандартный» с разрешением (xyz) 328х328х700 точек на дюйм и размерами зоны построения 298x185x203 мм, и «высокоточный» (XHD - Xtreme High Definition) с разрешением 656х656х1600 точек на дюйм на уменьшенной до 127x178x152 мм зоне построения.

Особенностью данной технологии является наличие так называемых поддерживающих структур - поддержек. Эти поддержки строятся для удержания нависающих элементов модели в процессе построения. В качестве материала для поддержек используется восковой полимер с низкой температурой плавления, который после построения модели удаляется струей горячей воды. Модельный материал VisiJet® CPX200 и материал поддержек VisiJet® S200 содержится в виде баллонов-картриждей по 0,38 и 0,4 кг, соответственно. В принтер может быть установлено до 10 картриджей обоих видов. В «стандартном» режиме толщина слоя построения 36 мкм, «высокоточном» режиме - 16 мкм. Точность построения (в зависимости от конфигурации, ориентации и размеров модели) 0,025-0,05 мм на длине один дюйм. Принтер позволяет надежно строить модели с толщиной стенок до 1 мм, в отдельных случаях до 0,8 мм. Крупные модели могут быть построены частями и затем склеены. Недостатком технологии является относительно высокая стоимость расходных материалов - более 300$/кг. Тем не менее, эта технология имеет и неоспоримые преимущества - скорость получения модели и, не менее важное, высокое качество модельного материала с точки зрения собственно технологии литья по выплавляемым моделям (формовки, вытапливания модели). Технические характеристики установки модели ProGet 3500 представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7. Технические характеристики установки мод. ProGet 3500.

Свойства рабочего материала и материала для поддерживающих конструкций представлены в таблице 2.8.

Таблица 2.8. Свойства модельных материалов

Технология MJM - процесса:

Исходным для данного процесса является компьютерная модель трехмерного объекта, представленная совокупностью ориентированных в пространстве треугольников, которые без разрывов покрывают поверхность объекта.

Основное требование, предъявляемое к представлению объекта в STL-формате - это замкнутость поверхности и ее топологическая однозначность. На практике, однако, либо еще на этапе проектирования компьютерной модели, особенно в случае моделирования объекта поверхностями, либо в результате преобразования из внутреннего формата САПР в STL, возникают ошибки. Следствием этих ошибок являются: появление разрывов, самопересекающихся поверхностей, не стыкующихся участков, вырожденных треугольников, потеря ориентации треугольников и т.п. Поэтому возникает задача исправления этих ошибок, которая тесно связана с задачами восстановления формы трехмерных объектов по неполному набору данных.

Процесс изготовления керамических форм

1. Приготовление гидролизированного раствора этилсиликата (гидролизата). Гидролизат является связующим веществом в составе огнеупорного керамического покрытия, которое наносится на модельный блок при изготовление литейной формы по выплавляемым моделям. Гидролизат представляет собой коллоидный раствор кремниевой кислоты в спирте. В процессе высушивания покрытия из гидролизата испаряется спирт, а кремниевая кислота, теряя воду, превращается в клейкую разновидность кремнезема. Последний обволакивает и склеивает между собой песчинки наполнителя, введенного в гидролизат при изготовлении керамической суспензии (краски). Дегидротация кремниевой кислоты осуществляется в процессе сушки огнеупорного покрытия и прокаливания формы по уравнению [8]:

Гидролизат получают в результате взаимодействия технического этилсиликата с водой в присутствии растворителя и катализатора - саляной кислоты. Гидролиз этилсиликата идет по одной из следующих формул:

или

Продуктами гидролиза являются: кремниевая кислота и этиловый спирт Так как вода с этилсиликатом почти не смешивается, то гидролиз при непосредственном введении воды в этилсиликат идет очень медленно. Для улучшения взаимодействия этилсиликата с водой и ускорения процесса гидролиза применяют растворители, т.е. жидкости, которые хорошо растворяют в себе воду, и этилсиликат. Такими жидкостями являются этиловый спирт, эфироальдегидная фракция, ацетон, растворитель №16. При производстве отливок гидролиз ведем в присутствии эфироальдегидной фракции. Для проведения процесса гидролиза компоненты следует вводить в растворитель в следующем порядке: сначала влить этилсиликат и полученный раствор перемешавать в течение 3 - 6 минут, затем небольшими порциями при непрерывном перемешивании раствора ввести подкисленную воду, приготовленную в отдельной посуде. Температура раствора не должна превышать 50⁰ С. При повышении температуры выше 50⁰ С, сосуд с раствором следует охладить в холодной воде. После введения всех компонентов раствор следует перемешивать в течение 40 - 60 минут. Химический состав и физические свойства гидролизата должны удовлетворять следующим требованиям:

Содержание SiO₂…………………………………….18 - 21%

Содержание HCl……………………………………..0,1 - 0,2%

Удельный вес………………………………………...0,91 г/см³

Кинетическая вязкость………………………………3 - 6 сантистоков.

2. Приготовление керамической суспензии.Огнеупорные материалы следует вводить в гидролизат небольшими порциями при непрерывном перемешивании. Керамическая суспензия может быть использована через 30 - 40 минут после приготовления, когда прекратится выделение пузырьков воздуха. Плотность готовой суспензии должна быть 1,8 - 1,85 г/см³. Приготовленная суспензия должна быть использована в течение 2 - 3 суток. Применям следующий состав керамической суспензии:

Этилсиликат………………………………………..1,0 л

ЭАФ…………………………………………………1,25 - 1,5 л

Вода дистиллированная……………………………0,12 - 0,13 л

Соляная кислота……………………………………0,025 - 0,04 л

Электрокоруд………………………………………4,5 кг.

3. Нанесение огнеупорного покрытия на модельный блок. Перед нанесением огнеупорного покрытия модельный блок необходимо очистить от кусочков воска. Огнеупорное покрытие наносится послойно в 6 слоев. Для нанесения огнеупорного покрытия модельный блок погружают в суспензию в суспензию на 3 - 6 секунд, дают стечь избытку его, равномерно поворачивая блок над бачком в течение 3 - 6 секунд и затем обсыпают пленку жидкого покрытия огнеупорной смесью марки 1КО25. Так наносят все слои за исключением первого. Для нанесения первого слоя модельный блок погружается в суспензию двукратно с промежутком между погружениями в 16 - 30 секунд. Выдержка в суспензии при каждом погружении составляет 3 - 5 секунд. Обсыпка блока проводится после повторного погружения, спустя 3 - 5 секунд после извлечения блока из суспензии. Для первого слоя покрытия применяют более густые суспензии, чем для последующих слоев. Это позволяет получить первый слой достаточно толстым, предотвратить излишнее стекание суспензии с модельного блока за счет увеличения ее вязкости. Каждый слой огнеупорного покрытия сушиться следующим образом: на воздухе - 20 минут, затем в аммиачной камере - 40 минут, на воздухе (проветривание) - 30 минут. Для получение высококачественного покрытия, температура в помещении, где проводится сушка покрытия, должна поддерживаться в пределах 18 - 22⁰ С, а относительная влажность воздуха 45 - 60%.

4. Выплавление модельной массы. Выплавление модельной массы производят горячей водой, имеющей температуру 85 - 90⁰ С. С этой целью модельный блок, покрытый огнеупорной оболочкой, погружают в ванну с горячей водой, располагая их литниковой чашей вверх. Процесс выплавления длится 10 - 15 минут. Расплавленная модельная масса всплывает над слоем воды.

5. Сушка форм и прокаливание оболочек. Прокаливание керамических форм с опорным сухим наполнителем производится при 700 - 800⁰ С в течение 2,5 - 3 часов. В качестве сухого наполнителя используется кварцевый песок марки 1КО2А. охлаждение после прокаливания до 500⁰ С производится с печью во избежание образования трещин, ниже этой температуры - на воздухе.

Процесс выплавки стали 30ХНМЛ. Выбивка, очистка отливок и удаление элементов ЛПС, термическая обработка

1. Выплавка стали 30ХНМЛ. Плавку осуществляем в индукционной тигельной печи ИСТ - 0,16. В качестве шлакообразующих материалов применять металлургический известняк, шпат плавиковый, магнезитовый порошок. Все шлакообразующие материалы применять тщательно прокаленными. В качестве шлакообразующих смесей использовать известь с добавкой плавикового шпата для снижения вязкости шлака и магнезитового порошка для загущения шлака перед снятием. В период расплавления и доводки металла шлак должен быть жидко - подвижным. Расход шлакообразующих материалов должен составлять 3 - 6% от веса металлической садки. Шихту загружать на дно тигля сначала мелкими, затем крупными кусками углеродистой части шихты, ферровольфрамом, кобальтом, ферромолибденом. Загрузку проводить как можно плотнее для лучшего контакта между кусками и более быстрого расплавления. Расплавление металла вести при максимальной мощности печи. При частичном расплавлении шихты навести шлак, и дальнейшее расплавление вести под шлаком. После расплавления всей шихты нагреть металл до температуры 1530±10⁰ С, снять шлак и провести предварительное раскисление. Предварительной раскисление металла проводить присадкой марганца и алюминия из расчета 0,3% Mn и 0,05% Al с выдержкой 3 - 4 минуты после введения каждой добавки. После предварительного раскисления навести шлак, взять пробу на экспресс - анализ. Согласно данным из экспресс - анализа довести содержание хрома, марганца, углерода, кремния и других элементов до пределов, требуемых ГОСТ, в следующей последовательности: хром, марганец, углерод, кремний и т.д. При 1610±10⁰ С провести окончательное раскисление по следующему варианту: на зеркало металла ввести 0,1% церия в виде мишметалла, ферроцерия или лигатуры ФСРЗМ, дать выдержку 5 - 10 минут под шлаком. Разливку металла производить чайниковым ковшом с основной футеровкой, прокаленными при 700±50⁰ С непосредственно перед выпуском металла. Контроль температуры жидкого металла производить измерительным комплексом, состоящим из термоэлектрического преобразователя ТВР - 2075 по ГОСТ 6313 - 77 и вторичного прибора класса 0,05. В середине разливки взять пробу на химический анализ и залить блок заготовок для контрольных образцов.

2. Выбивка отливок из форм. Выбивку отливок производить не раньше чем через один час с момента заливки.

3. Обрезка и очистка отливок. Отделение отливок от стояка, литников и прибылей производится при помощи ленточной пилы. Перед подачей отливок на контроль и дальнейшую обработку их подвергают гидропескоструйной обработке.

4. Термическая обработка. Термическая обработка состоит из предварительного нагрева до 1100⁰ С в течение одного часа с охлаждением на воздухе, отпуска при 650⁰ С в течение 30 минут с охлаждением на воздухе и нормализации при 950 - 1050⁰ С в течение одного часа, отпуска при 450⁰ С в течение одного часа с охлаждением на воздухе.

Виды брака и меры по его предупреждению

Таблица 2.9. Виды брака и меры по его предупреждению [9].

3. Конструкторская часть

3.1 Введение

В данной части проекта проведена модернизация электропечи с выдвижным подом модели «ПВП 12.15.11/11М.» для проведения термической обработки отливок.

Термическая обработка состоит из предварительного нагрева до 1100⁰ С в течение одного часа с охлаждением на воздухе, отпуска при 650⁰ С в течение 30 минут с охлаждением на воздухе и нормализации при 950 - 1050⁰ С в течение одного часа, отпуска при 450⁰ С в течение одного часа с охлаждением на воздухе.

3.2 Цель модернизации

Целью модернизации электропечи с выдвижным подом является замена нагревательных элементов марки Х20Н80 - Н (нихром) на материал марки Х23Ю5Т (суперфехраль) из следующих соображений:

· Х23Ю5Т в 3 раза дешевле нихрома;

· Высокая температура эксплуатации - до 1330⁰ С (1200⁰ С у Х20Н80 - Н);

· Высокая температура плавления - 1500⁰ С (1400⁰ С у Х20Н80 - Н);

· Срок службы в 2 - 4 раза дольше по сравнению с нихромом;

· Невысокая плотность Х23Ю5Т (7,15 г/см³) против 8,4 г/см³ у Х20Н80 - Н позволяет экономить до 18% массы;

· Отличная коррозионная стойкость в воздушной среде, вакууме, аргоне, серосодержащих, углеродсодержащих средах, водяном паре;

· Высокий предел текучести, что позволяет использовать проволоку меньшего диаметра (в связи с меньшим изменением площади поперечного сечения при навивке);

· Высокое удельное сопротивление - 1,39 Ом·мм²/м против 1,12 для Х20Н80-Н;

· Небольшая зависимость электрического сопротивления от различных видов теплового воздействия и холодного деформирования;

· Уникальное соотношение предела текучести и предела прочности (~0,5),что позволяет наилучшим образом использовать зону упругопластической деформации.

3.3 Описание конструкции печи. Основные технические характеристики

Основные технические характеристики печи мод. ПВП 12.15.11/11М представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Технические характеристики печи

Описание конструкции. Каркас печи изготовлен из стальных профилей, покрытых листами конструкционной стали и представляет собой сварную конструкцию усиленной жесткости и прочности. Конструкция покрашена грунтовочной и покрывной краской. Части, подвергающиеся воздействию повышенных температур, покрыты термоустойчивой краской.

Футеровка электропечи выполнена из современных легковесных огнеупорных и волокнистых теплоизоляционных материалов. Внутренний слой футеровки стен печи выполнен из огнеупорного, легковесного кирпича, а на внешнем слое установлены маты из керамического волокна, которые обеспечивают дополнительную теплоизоляцию.

Дверь печи выполнена подъемной и открывается с помощью электромеханического привода. Дверь печи оборудована предохранительным концевым выключателем, который расположен на лицевой панели печи и обеспечивает отключение электронагревателей при открытии печи.

Под печи выполняется на подвижной подвижной тележке, которая выдвигается из рабочей камеры печи по специальным направляющим (рельсам). Тележка помещена на колеса, соответствующей грузоподъемности, оборудованные ребордой обеспечивающей устойчивое перемещение колес по направляющим. Колеса установлены на подшипники качения. Под оборудован электро - механическим приводом. Механизм перемещения пода оборудован частотно - регулируемым приводом, что позволяет обеспечить режимы плавного пуска и торможения тележки пода с садкой большой массы. Крайние положения тележки пода фиксируются концевыми выключателями.

Корпус тележки изготовлен из стальных профилей, покрытых листовым металлом. Футеровка пода производится из огнеупорного шамотного кирпича и волокнистых теплоизоляционных материалов. По периметру пода предусмотрен песчаный затвор, для уменьшения тепловых потерь. Нагреватели на поду закрываются жаростойкой плитой из карбида кремния.

Нагрев печи и садки производится излучением и конвенцией от электронагревательных элементов, расположенных вдоль боковых и задней стенок, на поду и двери. Нагрев садки производится с пяти сторон. Нагревательные элементы спирального типа из сплава Х20Н80-Н подвешены на керамических трубках и выполнены в соответствии с действующими правилами по безопасности. Контроль и регулирование температуры в печи производится автономно.

Печь оборудована вытяжной трубой с шиберным затвором.

3.4 Расчет нагревателей электропечи

Расчет электронагревателей сопротивления ведем по методике, данной в учебнике Арендарчука: «Общепромышленные электропечи периодического действия» [6]. Механические и специальные свойства сплава Х23Ю5Т даны в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Механические и специальные свойства сплава Х23Ю5Т.

Порядок расчета нагревателей электропечи.

1. Температуру поверхности нагревателя принимаем равной

2. Степень черноты нагревателя определяем из таблицы 13.1 [6] для восстановительной атмосферы принимаем равной

3. Степень черноты не окисленной стали из таблицы 13.1 [6] равна

4. Отношение равно

5. Определим приведенный коэффициент излучения системы по формуле:

(3.1)

6. Относительное межвитковое расстояние выбираем из рисунка 17.5 [6], принимаем равным

7. Определяем коэффициенты коэффициент эффективности излучения (для проволочной спирали ), коэффициент шага, зависящий от относительных межвитковых расстояний (определяется из графика 17.8. [6]), коэффициент, учитывающий влияние размеров изделий и зависящий от Они равны:

8. Определим величину теплового потока с единицы поверхности нагревателя по формуле:

, (3.2)

где t_п и t_м - температура нагревателя и нагреваемого изделия.

9. Удельное электрическое сопротивление сплава нагревателя

10. Диаметр нагревателя определяется по формуле:

где Р - мощность нагревателя (Р=225 кВт); U - напряжение на нагревателе (U=380 В). Тогда:

11. Длину нагревателя определим по формуле:

12. Срок службы до окисления 20% определим из графика 17.9 [6],

13. Срок службы нагревателя определим по формуле:

14. Массу нагревателя определим по формуле:

Сравним полученные результаты с действующими на данный момент нагревательными элементами из сплава Х20Н80Н - Н. По паспортным данным на электропечь диаметр нагревательного элемента составляет d = 7 мм, l = 100 м и имеет массу G = 32,3 кг. Срок службы составляет 9500 часов.

3.5 Вывод

Замена нагревательных элементов электропечи позволила увеличить срок службы с 9500 до 15000 часов, снизить массу нагревателя на 20,6 кг. Кроме того материал Х23Ю5Т в три раза дешевле нихрома. Результат расчета показал, что применение материал Х23Ю5Т более предпочтителен как с технической, так и с экономической точки зрения.

4. Организационно-экономическая часть

4.1 Резюме (введение)

Сущность технологии литья по выплавляемым моделям состоит в том, что по неразъемной легкоплавкой модели изготавливают неразъемную разовую форму. В пресс-формы (обычно металлические) запрессовывают модельный состав, который после затвердевания образует модели деталей и литниковой системы. Модельный состав удаляют, чаще всего выплавляя его в горячей воде. Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение сложных по форме отливок массой от нескольких грамм до десятков килограмм, со стенками толщиной от 0,5 мм и более, и с высокой точностью размеров по сравнению с другими способами литья.

Размеры отливок, полученных литьем по выплавляемым моделям, максимально приближены к размерам готовой детали, вследствие чего за счёт сокращения механической обработки снижается стоимость готового изделия.

Объектом дипломного проекта является цех точного литья по выплавляемым моделям с мощностью 2000 тонн годных отливок в год. Главной целью было уменьшить себестоимость продукции за счет внедрения нового усовершенствованного оборудования, использования новейшей программы САПР, уменьшение трудоемкости, уменьшение количества персонала.

4.2 Описание товара и обоснование его выбора

Основная масса выпускаемой продукции предназначена для ракетной техники класса «воздух - воздух» и «воздух - поверхность». К данным изделиям предъявляют жесткие требования по качеству, т.к. данные изделия работают в тяжелых условиях при высоких температурах.

Потребность в данном изделии будет велика, так как заказ на данный вид продукции растет как на внутреннем рынке, так и на внешнем.

Продукция является достаточно дорогостоящей, т.к. она изготавливается из дорогих материалов.

4.3 Оценка рынков сбыта

Предприятие действует как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

Существуют три основных рынка сбыта, рассматриваемого товара:

а) Оборонные заводы ракетной техники РФ;

б) Зарубежные заводы ракетной техники.

Стабильное состояние этих рынков поддерживается государством, поэтому сбыт продукции на этих рынках будет стабилен.

Спрос на продукцию этих рынков влияют государственные заказы, которые делаются постоянно для поддержания обороноспособности страны.

Перспектива изменения потребностей на этих рынках склоняется в сторону расширения номенклатуры выпускаемой продукции, так как качество продукции высокое.

Проводится постоянное изучение возникающих потребностей в сфере ракетной техники. Исследования проводятся фирмами специального профиля.

4.4 Оценка конкурентов

Область, в которой действует завод является давно существующей и не подвержена быстрым изменениям.

На сегодняшний момент в Российской Федерации в области ракетной техники нет каких либо конкурентов. Все заводы по изготовлению данной продукции объеденины в корпорацию ОАО «Корпорация Тактическое Ракетное Вооружение».

4.5 План маркетинга

Разработка комплекса маркетинга включает разработку изделия, установление цен на детали, выбор методов распространения и стимулирование сбыта заготовок.

Цены на отливки будут устанавливаться максимально возможными. Но несмотря на это у предприятия будут клиенты как на российском, так и на зарубежном рынках, так как рынок подобных изделий можно считать монопольным.

Главной целью является - позиционирование произведённой продукции на рынке.

Продукция представлена на внутреннем и внешнем рынках.

Мероприятия по продвижению товара на рынок:
1. Предоставление своей продукции на российских и международных выставках.

2. Ознакомление потенциальных покупателей с современными методами изготовления продукции, которые обеспечивают ей высокое качество.

3. Съемка ознакомительного видео о работе предприятия.

4.6 Производственный и финансовый план

Расчёт капитальных затрат (инвестиций) на проектируемый цех

Капитальные затраты, связанные со строительством цеха, включают капитальные затраты на основные и оборотные фонды [7].

Расчёт капитальных затрат на здание и сооружения.

Согласно планировке цеха и нормативной стоимости 1 мі производственных и бытовых помещений определяются капитальные затраты на строительство литейного цеха. В табл. 4.1 приводятся данные о площади и кубатуре цеха отдельно по производственным, вспомогательным, складским и бытовым помещениям.

Таблица 4.1. Капитальные затраты на строительство литейного цеха

Расчёт затрат на основное технологическое оборудование.

Потребное количество и типаж основного технологического оборудования определяется в проектной части. Результаты расчётов заносятся в табл. 4.2.

Таблица 4.2. Ведомость оборудования

Сводная ведомость капитальных затрат по цеху.

В таблице 4.2 перечислено лишь основное технологическое оборудование. Стоимость других видов оборудования: подъёмно-транспортного, энергетического, вспомогательного, лабораторного - определяется укрупнено в соответствии с табл. 4.3.

Таблица 4.3. Сводная ведомость капитальных затрат по цеху

Определение численности работающих в проектируемом цехе и фондов заработной платы

Расчёт численности работающих цеха производится по каждой категории отдельно: рабочие, занятые в основном технологическом процессе, рабочие по обслуживанию основного технологического процесса, руководящие работники, специалисты, служащие.

Расчёт численности основных производственных рабочих.

Списочная численность основных рабочих по цеху определяется по формуле:

Р_о.сп.= Р_о.яв. * К_н / К_яв;

где:

R_о.яв. = 88 чел. - явочная численность основных рабочих (таблица 5.2).

К_н = 1,1 - коэффициент поправочный.

К_яв. = 0,9 - коэффициент явки.

Р_о.сп.=88* 1,1/0,9= 108 чел.

Технологическая трудоемкость 1 т. годных отливок в нормо - часах определяем по формуле:

Т = Р_о.сп. * F_р * К_вн. / N;

где:

F_р = 1760 часов - действительный годовой фонд времени работы рабочего в часах.

N = 2000 т. - производственная мощность в тоннах отл. в год.

К_вн. = 1,1 - коэффициент выполнения норм.

Т = 108 * 1760* 1,1/2000 = 104,5 нормо - часов.

Высокая трудоемкость получается из высоких требований к производимым изделиям.

Расчет численность рабочих по обслуживанию основного технологического процесса представлен в таблице 4.4.

Таблица 4.4. Определение потребной численности рабочих по обслуживанию основного технологического процесса

Расчёт численности руководящих работников, специалистов, служащих.

В таблице 4.5. представлено штатное расписание руководящих работников, специалистов, служащих.

Таблица 4.5. Штатное расписание руководящих работников, специалистов, служащих

В таблице 4.6. представлена численность персонала цеха.

Таблица 4.6. Ведомость списочного состава всего персонала цеха

Организация оплаты труда.

После расчёта численности производственных (основных и обслуживающих) рабочих определяется их состав по профессиям, рабочие распределяются по тарифным разрядам, выбирается система оплаты труда для каждой профессии, размеры и показатели премирования. Всё это является основой организации заработной платы и находит отражение в табл. 4.7.

Таблица 4.7. Ведомость состава рабочих и заработной платы

Определение общей суммы годовых расходов

Определение затрат на основные материалы (за вычетом возврата).

Основным материалом в цехе литья по выплавляемым моделям является шихта.

Потребность в основных материалах определяется на основании норм расхода. Нормы берутся по данным завода. В таблице 4.8 показан размер затрат на основные и вспомогательные материалы.

Таблица 4.8. Размер затрат на основные и вспомогательные материалы

Расчёт затрат на топливо и энергию технологического назначения.

Топливо и энергия расходуется для осуществления технологического процесса при плавке рабочего сплава, на сушку форм и стержней, на прокалочные печи и термическую обработку. Основными энергоносителями технологического назначения в литейных цехах является электроэнергия, природный газ и вода.

Потребное количество различных видов энергии определяется на основе норм расхода на 1 т жидкого металла, на 1 т отливок, на 1 т стержней и т. п. В таблице 4.9 приведен расчет затрат на топливо и энергию на технологические нужды.

Таблица 4.9. Расчёт затрат на топливо и энергию технологического назначения

Расчёты фондов заработной платы по цеху.

Основная заработная плата рабочих определяется следующим образом:

Для сдельщиков:

З_{осн.сд..} = З_ч. Ч F_RЧ К_вн Ч P_спЧП

Для повременщиков:

З_{осн.пов.} = З_ч. Ч F_R Ч Р_сп. Ч П,

где:

З_ч. -часовая тарифная ставка рабочих данной профессии;

F_R - действительный годовой фонд времени работы рабочего равный 1760 ч.;

К_вн - коэффициент выполнения норм = 1.1;

Р_сп - списочное число рабочих;

П - коэффициент, учитывающий размер премии для данной профессии рабочих.

Ведомость фондов заработной платы приведена в таблице 4.10.

Таблица 4.10. Ведомость фондов заработной платы работающих

Вывод

Была выполнена поставленная задача спроектировать цех точного литья по выплавляемым моделям мощностью 2000 тонн.

Максимально рационально использовались площади цеха, было выбрано дорогое, но качественное оборудование, которое снижает трудоемкость изготовления отливок и уменьшает себестоимость продукции.

Была выполнена модернизация электропечи мод. ПВП 12.15.11/11М, а именно замена нагревательных элементов печи что позволило повысить срок службы и снизить общепроизводственные расходы.

В разработке технологии получения отливки использовались новейшая система моделирования литейных процессов ProCAST, что увеличило выход годного и избавило от многих затрат.

Разработаны необходимые мероприятия по улучшению условий труда.

Список литературы

1. ГОСТ 2789 - 73 Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения - Переизд. Янв. 1990 с изм. 1- М.: Издательство стандартов, 1994.

2. В.С. Шуляк. Проектирование литейных: Учебное пособие. - М.:МГИУ, 2004. - 92 с.

3. ГОСТ 977 - 88 Отливки стальные. Общие технические условия - Переизд. Янв. 1990 с изм. 1- М.: Издательство стандартов, 1994.

4. ГОСТ 26645-85 Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку - Переизд. Янв. 1990 с изм. 1- М.: Издательство стандартов, 1994.

5. В.А. Озеров и др. Литье по выплавляемым моделям. - 4 - е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1994. - 448 с.

6. Арендарчук А.В. Общепромышленные электропечи периодического действия. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 112 с.

7. В.Г Зиненко, О.Л. Широкова Бизнес-план по проектированию литейного цеха: методические указания к дипломному проекту. - М.: МГИУ, 2009

8. В.Н. Иванов Специальные виды литья: Учебное пособие Подред. В.С. Шуляка. - М.: МГИУ, 2007 - 312 с.

9. Гини Э.Ч. Технология литейного производства: Специальные виды литья. - М.: Академия, 2005. - 352 с.