Производство меди

Содержание



1. Металлургическое производство

1.1 Производство меди

2. Разработка технологического процесса получения отливки методом литья в разовые литейные формы

2.1 Для детали необходимо получить заготовку методом литья в разовую песчано-глинистую форму

2.2 Разработка чертежа модельно литейных указаний

2.3 Разработка чертежа модели, стержня и стержневого ящика

3. Разработать технологический процесс получения поковки

3.1 Исходные данные

3.2 Определение припусков и разработка чертежа поковки

3.3 Определение массы, размеров и вида исходной заготовки

3.4 Определение технико-экономических показателей разработанной поковки

3.5 Определить температурный режим ковки и тип нагревательного устройства

3.6. Выбор оборудования для формообразования поковки

3.7. Разработка технологической схемы формообразования поковки

3.8. Устройство камерной печи

3.9. Основные операции ковки и применяемые инструменты

3.10. борудование для ковки

4. Исходные данные

4.1 Технологические методы обработки поверхностей 1, 2, 3, применяемое оборудование, режущий инструмент и приспособления для закрепления заготовки

4.2 Схема обработки поверхности 1

4.3 Расчёт режимов резания для обработки поверхности 2

4.4 Эскиз режущего инструмента, применяемого при обработке поверхности




1. Металлургическое производство



1.1 Производство меди



Медь в промышленной классификации металлов образует совместно со свинцом, цинком и оловом группу основных тяжелых цветных металлов. К этой же группе под названием младшие (малые) относятся также висмут, сурьма, ртуть, кадмий, кобальт и мышьяк.

История развития металлургии меди. Медь относится к числу восьми (Cu, Au, Ag, Sn, Pb, Hg, Fe, и Sb) известных с древнейших времен металлов. Использованию меди способствовало то, что медь встречается в свободном состоянии в виде самородков. Масса наиболее крупного из известных самородков меди составляла около 800 т. Поскольку кислородные соединения меди легко восстанавливаются, а металлическая медь имеет сравнительно невысокую температуру плавления (1083 °С), древние мастера научились плавить медь. Вероятнее всего это произошло в процессе добычи самородной меди на рудниках.

Научились также выплавлять медь из богатых, отобранных вручную окисленных руд. Вначале плавку проводили, загружая на раскаленные угли куски руды. Затем стали делать кучи, складывая послойно дрова и руду. Позднее слон дров и руды начали помещать в ямы, подавая воздух для горения топлива по деревянным трубкам, заложенным в борта ямы. Полученный в яме слиток (крицу) меди по окончании плавки вынимали и проковывали.

По мере роста потребности в металле возникла необходимость увеличить выплавку меди за счет увеличения производительности плавильных устройств. Для этого начали увеличивать объем ям, выкладывая их борта из камня, а затем и из огнеупорного кирпича. Высоту стен постепенно увеличивали, что привело к появлению первых металлургических печей с вертикальным рабочим пространством. Такие печи являлись прототипом шахтных печей; они получили название домниц. Домницы в отличие от ям выдавали медь и получающийся шлак в жидком виде.

Роль меди в становлении человеческого общества и развитии его материальной культуры исключительно велика, недаром целые исторические эпохи развития человечества получили название "медный век" и "бронзовый век".

Изделия меди и бронзы были найдены при археологических раскопках в Египте, Малой Азии, Палестине, Мессопотамии и в Центральной Европе.

В глубокую древность уходит начало производства меди и на территории нашей страны. Искусными металлургами были скифы. Получило развитие производство меди в государстве Урарту на территории современной Армении. Оно снабжало медью Ассирию, Вавилон и древнюю Персию.

Кустарное производство меди было широко распространено в Киевской Руси и Великом Новгороде (по реке Цильме).

Первый медеплавильный завод на территории княжеской Руси был построен в 1640 г. стольником Стрешневым у Пыскорского монастыря в районе г. Соликамска. Упоминается также о постройке в 1669 г. медного завода в Олонецкой губернии.

Большое развитие медная промышленность России получила в начале XVIII в. По инициативе Петра Первого, который всячески поощрял развитие горного дела, в те времена на Урале было построено 29 медеплавильных заводов. Частным предпринимателям (Демидовы, Строгановы) для постройки горнопромышленных предприятий выдавали денежные средства, выделяли огромные участки земли. Наряду с частными строились также и казенные заводы. Многие из них по тому времени имели передовую технику, в частности широко использовали водяной привод. Россия заняла в XVIII в. первое место в мире по производству меди. Поставляемая во многие страны медь отличалась высоким качеством.

В XIX в. и начале XX в. Россия постепенно утратила свое ведущее положение по производству меди. Многие рудники и предприятия были отданы в концессии иностранным фирмам. Даже мизерные потребности в меди отсталой царской России удовлетворялись примерно на 70%. Во время первой мировой, а затем гражданской войн медная промышленность пришла в полный упадок. Рудники были затоплены, заводы остановлены и частично разрушены.

Высокими темпами развивается в последние годы медная промышленность в ряде капиталистических и развивающихся стран. Добыча и переработка медных руд осуществляется фактически на всех континентах земного шара.

После окончания второй мировой войны стала очень бурно развиваться медная промышленность Японии и ФРГ, несмотря на то, что эти страны практически не имеют собственных запасов сырья. Япония, производившая до войны всего 80 тыс. т меди, увеличила выпуск рафинированной меди более чем до 1 млн. т и заняла второе место в капиталистическом мире. Необходимость увеличения собственного производства меди в этой стране диктуется общими задачами развития промышленности и является ярким подтверждением роли меди в современном техническом прогрессе.

Физико-химические свойства меди и области её применения. В Периодической системе элементов Д.И. Менделеева медь расположена в I группе. Как элемент I группы медь при высоких температурах преимущественно одновалентна, однако ее наиболее распространенным в природе и более устойчивым при низких температурах является двухвалентное состояние.

Ниже приведены важнейшие физико-химические свойства меди:



Порядковый номер							29

Атомная масса 								63,546

Конфигурация электронной оболочки 				3d№є4s№


Потенциал ионизации, эВ:



Первый									7,72

Второй									20,29

Третий									36,83

Ионный радиус, м 							10ˉ№є 0,80

Температура плавления, єC 						1083

Температура кипения, єC 						2310



Плотность, кг/мі:



При 20 єC 									8940

В жидком состоянии 							7960

Скрытая теплота плавления, кДж/кг 				213,7

Давление пара, Па (1080єC) 						0,113

Удельная теплоёмкость при 20 єC, кДж/ (кг град) 		0,3808

Теплопроводность при 20 єC, Дж/ (см · с · град) 		3,846

Удельное электрическое сопротивление при 18 єC, 

Ом · м · 10ˉ№є 								1,78

Нормальный потенциал, В 						+0,34

Электрохимический эквивалент, г/ (А · ч) 			1,186



Медь является мягким, вязким и ковким металлом красного цвета, легко прокатывающимся в тонкие листы. По электропроводности она уступает только серебру.

В химическом отношении медь - малоактивный металл, хотя и соединяется непосредственно с кислородом, серой, галогенами и некоторыми другими элементами.

При обычной температуре сухой воздух и влага в отдельности не действуют на медь, но во влажном воздухе, содержащем СО2, медь покрывается защитной зеленой пленкой основного карбоната [CuСОз • Cu (ОН) 2], являющегося ядовитым веществом.

В ряду напряжений медь располагается правее водорода - её нормальный потенциал равен +0,34 В. Поэтому в растворах таких кислот, как соляная и серная, в отсутствие окислителя медь не растворяется. Однако в присутствии окислителя и в кислотах, одновременно являющихся окислителями (например, азотная или горячая концентрированная серная), медь растворяется легко.

В присутствии кислорода и при нагревании медь хорошо растворяется в аммиаке, образуя устойчивые комплексные соединения



Cu (NH3) C03 и Сu2 (МН3) 4СОз.



При температурах красного каления медь окисляется с образованием оксида СuО, который при 1000-1100°С полностью диссоциирует по реакции: 4СuО= 2Cu2O + О2.

Оба оксида меди легко восстанавливаются при температуре около 450 °С и малой концентрации восстановителя.

С серой медь может образовывать два сульфида: сернистую (CuS) и полусернистую (Cu2S) медь. Сернистая медь устойчива лишь при температурах ниже 507 °С. При более высоких температурах она разлагается на полусернистую медь и элементарную серу:



4CuS=Cu2S + S2.



Таким образом, при температурах пирометаллургических процессов из оксидов и сульфидов фактически могут существовать только Си2О и Cu2S, в которых медь одновалентна.

Медь и ее сульфид являются хорошими коллекторами (растворителями) золота и серебра, что делает возможным высокое попутное извлечение благородных металлов при производстве меди.

Кроме благородных металлов, медь способна сплавляться со многими другими металлами, образуя многочисленные сплавы.

Ниже приводится приблизительный состав некоторых сплавовна основе меди,%*: бронза (обычная) - 90 Си, 10 Sn; латунь (обычная) - 70 Сu, 30 Zn; мельхиор - 68 Сu, 30 Ni, I Mn, I Fe; нейзильбер - 65 Сu,20 Zn, 15 Ni; константан - 59 Сu, 40 Ni, I Mn. Для изготовления украшений пригоден золотистый сплав, содержащий,%: 85 Сu, 12 Zn, 2 Sn.

Перечисленные выше характерные свойства меди обусловливают многочисленные области ее применения. Основными потребителями меди и ее соединений являются:

1) электротехника и электроника (провода, кабели, обмотки электродвигателей, токопроводящие шины, детали радиоэлектронных приборов, печатные схемы и др.);

2) машиностроение (теплообменники, опреснительные установки и др.);

3) транспорт (детали и узлы железнодорожных вагонов, автомобилей, самолетов, морских и речных судов, тракторов и др.);

4) магнитогидродинамические генераторы;

5) ракетная техника;

6) строительные материалы (кровельные листы, детали декоративных архитектурных украшений);

7) химическая промышленность (производство солей, красок, катализаторов, ядохимикатов и др.);

8) изделия и приборы бытового назначения;

9) сельское хозяйство (для защиты растений от болезней и вредителей, например медный купорос CuSO4 • 5Н2О).

Для промышленно развитых стран потребление меди характеризуется следующими примерными цифрами,% от общего потребления:



Электротехника и электроника 			45 - 50

Транспорт 							5 - 10

Машиностроение 					10 - 15

Строительные материалы 				8 - 10

Химическая промышленность 			3 - 6

Прочие потребители 					До 10



Медные руды. Кларк меди, т.е. ее содержание в земной коре, равен 0,01%. Однако, несмотря на низкое содержание в земной коре, она образует многочисленные месторождения руд - естественные скопления рудных медных минералов. Характерным для меди является наличие в природе руд всех четырех рассмотренных выше типов.

Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречаются сравнительно редко, некоторые представляют собой драгоценные камни. К наиболее распространенным медным минералам, имеющим промышленное значение при получении меди, относятся прежде всего соединения меди с серой и кислородом. Наибольшее количество меди в земной коре (около 80%) входит в состав сернистых соединений. Ниже приведены важнейшие сульфидные минералы меди:



Минерал Сu%

Ковеллин CuS					66,5

Халькозин Cu2S 					79,9

Халькопирит CuFeS2				34,6

Борнит Cu5FeS4 					63,3

Кубанит CuFe2S3 					23,5

Талнахит CuFeS2					36 - 34,6


Кроме того, довольно распространены медно-мышьяковистые (энаргит Cu3AsS4) и медно-сурьмянистые (тетраэдрит Сu3SbS3) минералы.

Сульфидные медные минералы имеют как гидротермальное, так и магматическое происхождение. При высоких температурах и давлениях вода, выделяющаяся при застывании магмы, наряду с сульфидами меди растворяет сульфиды, селениды и теллуриды многих других металлов и прежде всего железа, цинка, свинца, мышьяка и сурьмы. В растворе содержатся также благородные металлы, висмут и редкие металлы. При охлаждении термальных вод из них выкристаллизовывается целый комплекс ценных минералов: халькопирит CuFeS2, сфалерит ZnS, галенит PbS.

Основными компонентами пустой породы являются пирит FeS2 и кварц. Соотношение между ценными минералами может меняться в широких пределах. Совместная кристаллизация минералов, особенно если она протекала сравнительно быстро, часто приводит к очень тонкому их прорастанию, что крайне затрудняет разделение ценных минералов при обогащении. Поскольку температура кристаллизации различных минералов неодинакова, состав руды меняется по глубине месторождения. Меняются также стехиометрический состав однотипных минералов и содержание в них примесей.

Магматические месторождения, содержащие медь, образуются при кристаллизации ультраосновных пород. В этих месторождениях важнейшими спутниками меди являются никель, кобальт, платиновые металлы. Железо кристаллизуется в виде пирротина Fe (1-x) S, никель в основном в виде пентландита (Fe, Ni) S, но частично он может входить изоморфно и в состав пирротинов. Таким образом, и в магматических месторождениях медь встречается в комплексе со многими другими ценными элементами.

В природных условиях первичные сульфидные минералы могут подвергаться воздействию атмосферных агентов (кислорода, СO2, воды) и претерпевать изменения (выветриваться). Очень часто ковеллин и халькозин являются продуктом превращения первичных минералов. Более глубокое превращение приводит к образованию кислородных соединений меди. Ниже приведены основные минералы меди окисленных руд:



Минерал Сu%

Малахит СuСO3• Сu (ОН) 2 				57,4

Азурит 2СuСО3 • Сu (ОН) 2				55,1

Куприт Сu2О						88,8

Тенорит (мелаконит) СuО 				79,9

Халькантит CuSO4 • 5Н2О 				25,5

Хризоколла CuSiO3 • 2Н2О 				36,2

Диоптаз CuSiOs • Н2О					40,3



Вследствие низкого содержания меди и комплексного характера медных руд в большинстве случаев их непосредственная металлургическая переработка невыгодна, поэтому их предварительно подвергают, как правило, селективному флотационному обогащению.

При обогащении медных руд основным продуктом являются медные концентраты, содержащие до 55% меди (чаще от 10 до 30%). Извлечение меди в концентраты при флотации колеблется от 80 до 95%. Кроме медных, при обогащении руд часто получают пиритные концентраты и концентраты ряда других цветных металлов (цинковый, молибденовый и т.д.). Отходами обогащения являются отвальные хвосты.

Флотационные концентраты представляют собой тонкие порошки с частицами крупностью менее 74 мкм и влажностью 8-10%.

В металлургии меди роль предварительного обогащения очень велика. От содержания ценного компонента в перерабатываемом сырье зависят производительность металлургических агрегатов, расход топлива, электроэнергии и вспомогательных материалов, трудовые затраты, потери извлекаемых компонентов и в конечном итоге себестоимость готовой продукции.

Предварительное обогащение рудного сырья, значительно более дешевое, чем непосредственная металлургическая переработка, обеспечивает:

1) снижение затрат на последующие металлургические операции и себестоимости конечного продукта в первую очередь за счет сокращения объема перерабатываемых материалов;

2) возможность переработки бедных руд, непригодных для прямой металлургической переработки, т.е. расширение запасов природного сырья;

3) в ряде случаев повышение комплексности использования исходного сырья за счет выделения ценных компонентов в отдельные концентраты, пригодные для дальнейшей самостоятельной металлургической переработки.

Медные руды и получаемые при их обогащении концентраты имеют одинаковый минералогический состав и отличаются лишь количественными соотношениями между различными минералами.

Следовательно, физико-химические основы их металлургической переработки будут совершенно одинаковы.

Способы получения меди из рудного сырья. Переработку медного сырья можно проводить с использованием как пиро-, так и гидрометаллургических процессов. В промышленной практике металлурги имеют дело фактически с комбинированными технологическими схемами, включающими обе разновидности металлургических методов, как правило, с преобладанием одной из них, что и определяет в конечном итоге наименование технологии.

За рубежом в настоящее время пирометаллургическим способом производится около 85% от общего выпуска меди.

Таким образом, переработку медного рудного сырья в основном производят пирометаллургическими процессами.

К числу пирометаллургических процессов, применяемых при производстве меди, относятся окислительный обжиг, различные виды плавок (на штейн, восстановительные, рафинировочные), конвертирование штейнов и в ряде случаев возгоночные процессы. Типичными гидрометаллургическими процессами являются выщелачивание, очистка растворов от примесей, осаждение металлов из растворов (цементация, электролиз и др.), а также электролитическое рафинирование меди.

С учетом разновидностей перерабатываемых медных руд в настоящее время в промышленности используют три принципиальные пирометаллургические схемы.

Пирометаллургическую переработку сульфидных медных руд и концентратов можно вести двумя путями. Первый путь предусматривает полное окисление всей серы перерабатываемого сырья с помощью предварительного окислительного обжига (обжиг "намертво") при одновременном переводе меди и железа в оксидную форму:



4FeS2+ 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2; (1)

2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2. (2)



Продукт обжига (огарок) далее подвергают селективному восстановлению при полном расплавлении материала - восстановительной плавке. При этом медь восстанавливается до металлического состояния, а железо - в основном до вюстита. Оксиды железа совместно с пустой породой руды и оксидами флюсов образуют шлак, который удаляют в отвал. Процесс восстановления описывается следующими основными реакциями:



Сu2О + СО = 2Сu - СО2, (3)

Fe203 + СО = 2FeO + С02, (4)

FeO+CO=Fe+CO2. (5)



Такой прием получения меди кажется наиболее простым и естественным. Именно поэтому он, по существу, был единственным способом переработки медных руд в XVIII и XIX вв. Однако целый ряд существенных недостатков восстановительной плавки заставил отказаться от ее применения. В настоящее время процесс, близкий к восстановительной плавке, используется лишь для переработки вторичного медного сырья.

Важнейшими недостатками этого метода являются:

1. При плавке получается очень грязная (черная) медь, содержащая до 20% железа и других примесей. Это, как известно из теории пирометаллургических процессов, объясняется облегченными условиями восстановления железа в присутствии расплавленной меди. Рафинирование черной меди от большого количества примесей является очень сложным и дорогим и связано, кроме того, с большими потерями меди.

2. Шлаки, находящиеся в равновесии с металлической медью, получаются очень богатыми, что снижает извлечение меди в товарную продукцию.

3. Плавка осуществляется с большим расходом (до 20% от массы шихты) дефицитного и дорогого кокса.

Второй путь, характерный для современной пирометаллургии меди, предусматривает на промежуточной стадии технологии плавку на штейн (сплав, главным образом, сульфидов меди и железа) с последующей его переработкой на черновую медь. Пустая порода при этом переходит в шлак. Плавку на штейн можно вести в окислительной, нейтральной или восстановительной атмосфере. В I условиях окислительной плавки можно получать штейны любого заданного состава. В этом случае преимущественно будут окисляться сульфиды железа с последующим ошлакованием его оксида кремнеземом по реакции



2FeS + ЗО2 + SiO2 = 2FeO • SiO2 + 2SO2. (6)



При плавке на штейн в нейтральной или восстановительной атмосфере регулировать степень десульфуризации невозможно и содержание меди в штейнах будет незначительно отличаться от ее содержания в исходной шихте. По этой причине для получения более богатых по содержанию меди штейнов при переработке бедных концентратов иногда целесообразно предварительно удалить часть серы путем окислительного обжига, осуществляемого без расплавления материала при 800-900 °С.

Дальнейшую переработку штейнов с целью получения из них металлургической меди осуществляют путем их окисления в жидком состоянии. 

При этом вследствие большего сродства железа к кислороду сначала окисляется сульфид железа по реакции (6). После окисления всего железа и удаления получившегося шлака окисляют сульфид меди по суммарной реакции:



Cu2S + O2 = 2Cu + S02. (7)



Технология, включающая плавку на штейн, позволяет получать более чистый металл, содержащий 97,5-99,5% Сu. Такую медь называют черновой. Рафинирование черновой меди по сравнению с черной значительно упрощается и удешевляется.

В последние годы в металлургии сульфидного сырья все большее развитие получают автогенные процессы, осуществляемые за счет тепла от окисления сульфидов при использовании подогретого дутья и дутья, обогащенного кислородом. В этих процессах, являющихся окислительными плавками, в одной операции совмещаются процессы обжига и плавки на штейн.

Современная пирометаллургия меди, несмотря на принципиальную общность используемых различными предприятиями технологических схем, предусматривает несколько вариантов (1-IV) ее практического осуществления (рис).

Как следует из рис., технология получения черновой меди характеризуется многостадийностью (за исключением варианта IV, предусматривающего непосредственную плавку концентратов на черновую медь).

В каждой из последовательно проводимых технологических операций постепенно повышают концентрацию меди в основном металлсодержащем продукте за счет отделения пустой породы и сопутствующих элементов, главным образом железа и серы. На практике удаление железа и серы осуществляют за счет их окисления в три (обжиг, плавка, конвертирование), в две (плавка, конвертирование) или в одну стадию.

Наиболее распространенная до настоящего времени технология предусматривает (см. рис) обязательное использование следующих металлургических процессов: плавка на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В ряде случаев перед плавкой на штейн проводят предварительный окислительный обжиг сульфидного сырья.

Плавку на штейн медных руд и концентратов - основной технологический процесс - можно проводить практически любым видом рудных плавок. В современной металлургии меди для ее осуществления используют отражательные, руднотермические (электрические) и шахтные печи, а также автогенные процессы нескольких разновидностей.

Что же касается месторождений меди на Украине, то их можно назвать очень бедными, по сколько залежей меди на территории нашей страны практически нету. Вот только незначительная часть месторождений медных руд расположена на Волыне и Подолье. Причём слой проникновения этих залежей колеблется в приделах 0,2 - 0,5 м. Поэтому сырьевая база меди мала.





2. Разработка технологического процесса получения отливки методом литья в разовые литейные формы



2.1 Для детали необходимо получить заготовку методом литья в разовую песчано-глинистую форму



В данном примере для изготовления стойки используется чугун марки СЧ 21 (серый чугун с пределом прочности σ = 210 МПа), класс точности получаемой отливки 9т, номер ряда припуска 8, производство - серийное.










2.2 Разработка чертежа модельно литейных указаний



Обрабатываемые поверхности по возможности размещают вертикально или в нижней части отливки. Для моей детали предпочтительно вертикальное положение отливки с размещением в нижней части формы.

Припуски на механическую обработку - слои металла, удаляемые в процессе механической обработки отливки с её обрабатываемых поверхностей для обеспечения заданной геометрической точности и качества поверхности. Значения припусков на механическую обработку назначают в зависимости от класса точности номинальных размеров отливки и номера ряда припусков в соответствии с ГОСТ 26645-85. По номинальным размерам обрабатываемых элементов и классу точности отливки назначаю допуски.

Допуски размеров отливки, образованные одной полуформой, устанавливают на 1-2 класса точнее заданного. Поэтому в расчётах я использую класс точности 8

По назначенному допуску и номеру ряда припуска устанавливаю значение припуска.

Отверстия небольшого диаметра усложняют технологический процесс получения отливки. На такие элементы припуски не назначают, а полностью получают механической обработкой. На чертеже на эти элементы назначают напуски. По полученным значениям припусков и номинальных размеров детали определяют размеры отливки по формуле:



L=L±Z



где L - номинальный размер отливки, мм;

L - номинальный размер детали, мм;

Z - припуск на механическую обработку, мм.

Припуск на механическую обработку и размеры отливок. 





Номинальный размер летали L, мм

Класс точности



Номер ряда припуска

Припуск на сторону

Размер отливки

L, мм

Ш 250

8

1,8

8

3,1

Ш 256,2

Ш 100

8

1,4

8

2,8

Ш 94,4

170

8

1,8

8

3,1

176,2

140

8

1,6

8

3,0

3,1

--

143,1

Ш 190

8

Необрабатывемая поверхность

Ш190

105

 Напуск

2 скифа 2x45є

 Напуск

Внешний паз 20 под углом 60є

 Напуск

Шпоночный паз 5x8 

 Напуск



Формовочные уклоны облегчают извлечение модели из формы. Уклоны придаются вертикальным поверхностям моделей, не имеющим конструктивных уклонов в направлении извлечения их из формы. Значения уклонов регламентированы стандартами и зависят от материала модели и высоты формообразующей поверхности.

Формовочные уклоны.



Высота формообразующей поверхности, мм

Формовочный уклон, мм

170-140=30

1є09'

0,6

140

0є19'

1,0






2.3 Разработка чертежа модели, стержня и стержневого ящика



Длина стержневого знака определяется исходя из диаметра и длины стержня. 

Так как имеем вертикальное расположение, то сначала определяем нижнего знака, а высота верхнего знака равна половине нижнего. Уклоны знаковых частей для вертикального стержня принимают равными для нижнего стержня 10, верхнего 15.

Модель имеет конфигурацию внешней поверхности отливки. Внутренняя поверхность отливки образуется с помощью стержня, который изготавливают из стержневой смеси. 

Величина линейной усадки для стальных отливок в среднем составляет 2%. Расчёт размеров модели и стержня производят по формуле:



L = L + Y,



где L - номинальный размер модели или стержня, мм;

Y - величина усадки, мм. 

Размер модели. 



Размер отливки L, мм

Усадка, %

Усадка  Y, мм

Размер модели L, мм

Ш 265,2

1,0

2,6

Ш 258,8±1,2

Ш 190

1,0

1,9

Ш 191,9±1,2

176,2

1,0

1,8

178,0±1,2

143,1

1,0

1,4

144,5±1,2



При изготовлении моделей и стержневых ящиков имеют место отклонения размеров, которые регламентированы стандартами.





Размеры стержня и стержневого ящика.



Размер отливки L, мм

Усадка,

%

Усадка

Y, мм

Размер стержня L, мм

Размер знака,

мм

Размер ящика L, мм

Ш 94,4

1,0

0,9

Ш 95,3

Ш 95,3±1,0

176,2

1,0

1,8

178,0

Высота:

"верх"- 17,5

"низ"- 35,0

230,5±1,2

17,5±0,7

35,0±0,7

























Модели и стержни изготавливают со стержневыми знаками. Знаки на модели образуют в литейной форме полости, в которые помещают знаковые части стержня. Для получения технологических зазоров между литейной формой и знаковыми частями стержня соответствующие размеры знаковых частей модели увеличивают на величину зазора (0,2мм).



Размер знаковых частей модели.



Размер знака на стержне, мм

Зазор, мм

Размер знака на модели, мм

Ш 95,3

2x0,2

Ш 5,7±1,0

35

---

35±0,7

17,5

0,2

17,7±0,7








3. Разработать технологический процесс получения поковки



3.1 Исходные данные



Для детали необходимо получить заготовку методом свободной ковки на молоте. В рассматриваемом примере для изготовления вала используется сталь 20 - конструкционная, низкоуглеродистая, качественная с содержанием углерода 0,2%.







3.2 Определение припусков и разработка чертежа поковки



Припуски на механическую обработку чаще всего назначаются на все размеры детали, что связано с наличием дефектного поверхностного слоя, значительных геометрических погрешностей формы и размеров поковки. Большое практическое значение имеют напуски при проектировании поковок валов с уступами, выступами и выемками.

Уступ - это любой участок поковки, диаметр которого больше хотя бы одного из прилегающих участков. Выемка - участок поковки, диаметр которого меньше диаметров обоих прилегающих участков. Выступ - участок поковки, диаметр которого больше диаметра обоих прилегающих участков.

Ковка коротких уступов и уступов с малой высотой экономически нецелесообразна. В таких случаях форму поковки упрощают, назначая напуски. Основные припуски δ и предельные отклонения ±Δ/2 для поковок, получаемых ковкой на молотах по ГОСТ 7829-70. 



Схема назначения припусков и допусков.





Определение диаметральных размеров поковки.



Диаметр детали D, мм

Припуски и предельные отклонения (δ ± Δ/2), мм

Размеры поковки, мм

Ш 82

9 ± 3

Ш 91 ± 3

Ш 62

8 ± 2

Ш 70 ± 2


Для назначения припусков, предельных отклонений, расчета линейных размеров поковки определяют диаметр наибольшего сечения. В данном задании диаметр 82 мм.

Определение линейных размеров поковки.



Номинальный размер детали, мм

Припуски и предельные отклонения (δ ± Δ/2), мм

Размеры поковки, мм

620

 (1,25·9 + 1,25·9) ± (2,5·3) 

642,5 ± 7,5

200

 (1,25·9 - 0,75·9) ± (0,5·3) 

204,5 ± 1,5

100

 (0,75·9 + 0,75·9) ± (1,5·3) 

113,5 ± 4,5



После назначения припусков и определения размеров поковки проводим проверку выполнимости уступов в соответствии с условиями проверки.

Рассматриваемая поковка содержит:

концевой уступ высотой 10,5 ( (91-70) /2) мм и длиной 204,5 мм;

концевой уступ высотой 10,5 ( (91-70) /2) мм и длиной 324,5 (642,5- (204,5+113,5) мм;

Таким образом, все части рассматриваемой поковки являются выполнимыми (значения высот концевых уступов не менее 4 мм). Что даёт нам право не назначать напуски.

Окончательные размеры поковки приведены на рисунке.








3.3 Определение массы, размеров и вида исходной заготовки



Массу исходной заготовки определяют как сумму масс поковки и технологических отходов (отходы на угар, отходы прибыльной и донной части при ковке заготовки из слитка, отходы на выдру при ковке пустотелых заготовок, концевые отходы). 

Определяющими факторами при выборе вида исходной заготовки служат масса поковки и марка материала. 

Если масса поковки не превышает 200 кг, то в качестве исходной заготовки применяют прокат. 

При массе поковки от 200 кг до 800 кг возможно применение проката и слитков. При массе поковки более 800 кг применяют слитки. Для подсчёта объёма V, см, поковку разбивают на элементарные части и определяют объём по формуле: 



=

= +  + 

(64,25 - (20,45 + 11,35)) = 2772,6



где V, V, V - объёмы выступов и выемки поковки, см;

l, l, l - длины выступов и выемки поковки, см;

D, D, D - диаметры выступов и выемки поковки, см;

Массу , кг, поковки подсчитывают по формуле:



G10· 7.85 · 2772,6 = 21,8



где  - плотность материала, равная для стали 7,85 г/см.

Концевые отходы при ковке назначаются с целью удаления дефектного слоя на торцах поковки и формирования окончательной длины поковки на заключительной операции. Длина левого концевого отхода , см,



0,35 · D + 1,5 = 0,35 · 7,0 + 1,5 = 3,95



где D - диаметр левого выступа поковки, см.

Длина правого концевого отхода , см,



0,35 · D + 1,5 = 0,35 · 7,0 + 1,5 = 3,95



где D - диаметр правого выступа поковки, см.

Масса концевых отходов , кг,



107,85= 2,39

Определение массы , кг, исходной заготовки производят с учётом отходов на угар из расчёта, что потери составляют 6,0% массы нагреваемого металла:



 = 25,7



Основной формообразующей операцией при получении поковок рассматриваемого класса является протяжка. Для расчёта размеров исходной заготовки под поковку, получаемую протяжкой, определяют максимальное поперечное сечение поковки



 = 65



где D - диаметр поковки на участке максимального поперечного сечения, см.

Площадь поперечного сечения , см, исходной заготовкой определяют по формуле:



 = y · = 1,3 · 65 = 84,5



где y - степень уковки (у = 1,3 - 1,5 при получении поковки из проката).

Для рассматриваемого примера уточняют значение площади поперечного сечения , в соответствии с ГОСТом 380-88 "Сталь горячекатаная круглая", ближайшее большее из стандартных значений площади поперечного сечения проката = 103,87 см при диаметре 115 мм.

Для расчёта длины исходной заготовки определяют объём , см, исходной заготовки


 = 3274



Длину исходной заготовки , см, рассчитываем по формуле:



 = 31,5



В результате проведённого расчёта в качестве исходной заготовки для поковки вала выбран прокат круглого сечения из стали 20 диаметром 115 мм, длиной 315 мм, площадью поперечного сечения 103,87 см.



3.4 Определение технико-экономических показателей разработанной поковки



Показателями процесса ковки, характеризующими его эффективность, являются коэффициент использования металла и коэффициент весовой точности. Для определения этих показателей рассчитывают массу , кг, детали, применяя подход, использовавшийся при расчёте массы поковки:





=



где диаметры элементов детали, см;

длины элементов детали, см.

Коэффициент использования металла определяют как отношение массы детали к массе заготовки:






где К - коэффициент использования металла.

Коэффициент весовой точности определяют как отношение массы детали к массе поковки:







где коэффициент весовой точности.

Коэффициенты использования металла и весовой точности могут быть использованы для сравнения эффективности альтернативных технологических процессов получения заготовки.



3.5 Определить температурный режим ковки и тип нагревательного устройства



Температурный режим ковки включает два основных показателя - интервал температур, в котором производят ковку, и длительность нагрева исходной заготовки.

Длительность нагрева Т, ч, ориентировочно определяет с помощью формулы Н.М. Доброхотова:







где коэффициент, учитывающий способ укладки заготовок в печи (при нагреве одной заготовки  = 1,0);  - коэффициент, учитывающий химический состав стали (для низкоуглеродистых и низколегированных сталей  =10,0); -диаметр исходной заготовки, м.

Температурный интервал ковки - диапазон температур металла исходной заготовки, в пределах которого металл наиболее пластичен и обладает минимальным сопротивлением деформированию. Интервалы между максимальной и минимальной температурами для углеродистых сталей устанавливают по диаграмме состояния железо-углерод.







В соответствии с приведенной диаграммой для рассматриваемого примера определены температура начала ковки  = 1330 и температура конца ковки  = 750 по известному содержанию углерода в стали.

В данном примере целесообразней использовать нагревательную камерную печь периодического действия.



3.6. Выбор оборудования для формообразования поковки



Машинную ковку производят на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах. В исходных данных разбираемого примера предусмотрено получение поковки методом ковки на молоте.

Молот - машина динамического ударного действия.

В данном примере вполне можно использовать пневматический молот, применяемый для ковки заготовок массой до 20 кг.



3.7. Разработка технологической схемы формообразования поковки



Пресс ковки состоит из чередования в определённой последовательности основных и вспомогательных операций. В качестве основной формообразующей операции в выполняемом задании используется протяжка. В качестве вспомогательной операции используют операцию разметки линейных размеров элементов, получаемых протяжкой.

Для определения длины под первоначальную протяжку концевого уступа используют принцип постоянства объёмов. 



 



где длина и диаметр получаемой выемки, мм; - длина и диаметр отходов, мм

длина и диаметр участка, размечаемого под выемку, мм


Схема формообразования поковки вала.





3.8. Устройство камерной печи



В печи заготовки 2 укладывают на поду 1 печи (причём способ укладки влияет на скорость нагрева) и их прогрева до заданной температуры извлекают, как правило, через окно 4, через которое их загружали в печь. Рабочее пространство печи нагревается за счёт сжигания топлива с помощью форсунок или горелок 3. Продукты сгорания отводятся через дымоход 5. При нагреве крупных заготовок из легированной или высоколегированной стали для уменьшения температурных напряжений температура печи при загрузке заготовок должна быть значительно ниже необходимой конечной температуры нагрева. Затем температуру постепенно повышают.д.ля облегчения загрузки и выгрузки крупных заготовок применяют различные загрузочные машины, а также печи с выдвижным подом.

Камерные печи широко распространены главным образом в мелкосерийном производстве ввиду наибольшей (по сравнению с другими нагревательными устройствами) универсальности и для нагрева очень крупных заготовок (например, слитков массой до300т).







3.9. Основные операции ковки и применяемые инструменты



Процесс ковки состоит из чередования в определённой последовательности основных и вспомогательных операций. К основным операциям ковки относятся: осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка, скручивание.

Каждая основная кузнечная операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом.

Осадка - операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади её поперечного сечения. Осадку применяют:

для получения поковок с большими поперечными размерами при относительно малой высоте (зубчатые колёса, диски и т.п.);

как предварительную операцию перед прошивкой при изготовлении пустотелых поковок (колец, барабанов);

как предварительную операцию для уничтожения литной дендритной структуры слитка и улучшения механических свойств изделия.

Протяжка - операция удлинения заготовки или её части за счёт уменьшения площади поперечного сечения. Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями на отдельные участки заготовки вдоль оси протяжки и поворотами её на 90 вокруг этой оси. Протягивать можно плоскими и вырезными бойками. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть значительные растягивающие напряжения, которые приводят к образованию осевых трещин. При протяжке с круга на круг в вырезных бойках силы, направленные с четырёх сторон к осевой линии заготовки, способствуют более равномерному течению металла и устранению возможности образования осевых трещин. На рисунке схема -- а, б, в).

Разгонка - операция увеличения ширины части заготовки за счёт уменьшения её толщины. На рисунке схема -- г).

Протяжка с оправкой - операция увеличения длины пустотелой заготовки за счёт уменьшения толщины её стенок. Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном 3 и верхнем плоском 2) на слегка конической оправе 1. Протягивают в одном направлении - к расширяющемуся концу оправки, что облегчает её удаление из поковки. На рисунке схема -- д).

Раскатка на оправке - операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счёт уменьшения толщины её стенок. Заготовка 5 опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку 6, устанавливаемую концами на подставках 7, и деформируется между оправкой и узким длинным бойком 4. После каждого нажатия заготовку проворачивают относительно оправки. На рисунке схема -- е).

Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счёт вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка).

Отрубка - операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путём внедрения в заготовку деформирующего инструмента - топора. Отрубку применяют для получения из заготовок большой длины нескольких коротких, для удаления излишков металла на концах поковок, а также прибыльной и донной частей слитка и т.п.

Скручивание - операция, посредством которой часть заготовки поворачивается вокруг продольной оси. Скручивание можно применить при развороте колен коленчатых валов, при изготовления свёрл и т.п. При скручивании обычно одну част заготовки зажимают между бойками, другую разворачивают с помощью различных приспособлений - воротков, ключей, лебёдок.







3.10. борудование для ковки



Основными типами молотов для ковки являются приводные - пневматические и паровоздушные.

Пневматический молот. Наиболее распространённая конструкция такого молота дана на следующей схеме. В литной станине 10 расположены два цилиндра - компрессорный 9 и рабочий 5, полости которых сообщаются через золотники 7 и 6. Поршень 8 компрессорного цилиндра перемещается шатуном 14 от кривошипа 15, вращаемого электродвигателем 13 через шестерни 11 и 12 (редуктор). При перемещении поршня в компрессорном цилиндре воздух поочерёдно сжимается в верхней и нижней его полостях. Воздух, сжатый до 0,2 -0,3 МН/м, при нажатии на педаль или рукоятку, открывающую золотники 7 и 6, поступает через них в рабочий цилиндр 5. Здесь он воздействует на поршень 4 рабочего цилиндра. Поршень 4, выполненный за одно целое с массивным штоком, является одновременно бабой молота, к которой крепят верхний боёк 3. В результате падающие части 3 и 4 периодически перемещаются вниз - вверх и наносят удары по заготовке, уложенной на нижний боёк 2, который неподвижно закреплён на массивном шаботе 1. В зависимости от положения органов управления молот может наносить единичные и автоматические удары регулируемой энергии, работать на холостом ходу, осуществлять силовой прижим поковки к нижнему бойку и держать бабу на весу. Пневматические молоты применяют для ковки мелких поковок (примерно до 20 кг) и изготовляют с массой падающих частей 50 -1000 кг.



Схема пневматического молота.






4. Исходные данные



В качестве исходных данных при выполнении задания используют рабочий чертёж детали с указанием заданных поверхностей, подлежащих обработки резанием, а также полученные в результате выполнения задания 2 размеры отливки. Технологические методы обработки поверхностей 1, 2, 3, применяемое оборудование, режущий инструмент и приспособления для закрепления заготовок. Выполнение раздела начинаем с выбора методов обработки, указанных в задании поверхностей 1, 2,3.














4.1 Технологические методы обработки поверхностей 1, 2, 3, применяемое оборудование, режущий инструмент и приспособления для закрепления заготовки



Технологические методы обработки, применяемые для обработки детали, определяются её конструктивными формами и размерами. Так, детали типа тел вращения обрабатывают на станках токарной группы, детали с плоскими поверхностями - на фрезерных и строгальных станках. Назначив метод обработки для каждой поверхности, выбираем металлорежущий станок, инструмент и приспособления для закрепления заготовки на станке.

Для обрабатываемых поверхностей рассматриваемого примера выбраны следующие методы обработки, станки, инструменты и приспособления:

поверхность 1 - протяжка, горизонтально-протяжный станок, плоская шпоночная протяжка, кронштейн станка;

поверхность 2 - точение, токарно-винторезный станок, резец проходной (прямой, правый), трёхкулачковый патрон;

поверхность 3 - токарная (фрезерование), горизонтально-фрезерный станок, дисковая фреза, делительная головка (позволяет зафиксировать заготовку под углом 60є).




4.2 Схема обработки поверхности 1





1 - заготовка; 2 - протяжка; 3 - направляющая втулка.



4.3 Расчёт режимов резания для обработки поверхности 2



Элементами процесса резания являются глубина резания t, подача s и скорость резания v. Совокупность этих величин называют режимом резания.

В данном разделе приводится расчёт режима резания для обработки поверхности 2. В качестве исходных данных рассматриваемого примера используются результаты выполненного задания 2 для случая вертикального расположения отливки в форме.

Элементы режима резания устанавливаем в следующем порядке:

1) Назначают глубину резания t. При черновом точении и отсутствии ограничений по мощности оборудования глубину резания принимают равной припуску на механическую обработку.


Схема обработки поверхности 2





Глубина резания t, мм, определяют по формуле:







где z - припуск на механическую обработку, равный мм;

D - диаметр обрабатываемой поверхности, равный мм;

d - диаметр обрабатываемой поверхности, равный мм.

2) Назначаю подачу s. Величина подачи оказывает влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности. С уменьшением величины подачи значение шероховатости обработанной поверхности уменьшается. Так как условием задания определена черновая обработка, то выбирают максимально допустимую величину подачи. Для рассматриваемого примера s = 1,3 мм/об.

3) Определяем скорость резания V. Скорость резания V, м/мин, рассчитываем по формуле:






где  - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства

обрабатываемого материала, равный для чугуна 240,0;

 - показатели степеней, учитывающие условия и равные соответственно 0,15 и 0,30;

Т - стойкость режущего инструмента, равная для инструмента с пластиной из

твёрдого сплава 120 мин при ВхН=25х40;

m - показатель относительной стойкости, равный для инструмента с платиной из твёрдого сплава ВК 0,2.

Для изготовления режущего инструмента применяют различные инструментальные материалы: быстрорежущие стали, твёрдые сплавы и минералокерамику. Быстрорежущие стали используют при обработке сталей, чугунов и сплавов цветных металлов. Вольфраммолибденовые быстрорежущие стали (Р9М4, Р6М3) используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки. Твердые сплавы группы ВК используют для обработки чугунов и цветных металлов. Слав ВК6 используют для черновой обработки, а сплавы ВК2 и ВК3 - для чистовой обработки. Твёрдые сплавы группы ТК применяют преимущественно при обработке стальных заготовок (Т15К6).

4) Определяем частоту n, об/мин, вращения шпинделя, соответствующую полученной скорости резания:







5) По известным величинам глубины резания, подачи и скорости резания определяют эффективную мощность резания и мощность электродвигателя станка. 

Для этого рассчитываем тангенциальную  и осевую  составляющие сил резания. 

Значения тангенциальной составляющей определяют по формуле:







где  - коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала и равный для чугуна 107,0;

- показатели степеней, учитывающие условия обработки и равные соответственно 1,0 и 0,73;

Между тангенциальной и осевой составляющими существует примерно следующее соотношение:







Эффективную мощность  кВт, затрачиваемую на процесс резания при продольном точении, определяют, используя формулу:







6) Определяем мощность электродвигателя станка используя значение эффективной мощности резания .







7) Определяем основное (машинное) технологическое время . Основным технологическим временем называют время, затрачиваемое в процессе обработки детали непосредственно на изменение формы и размеров заготовки. Для определения основного технологического времени  вычисляют расчётную длину обработанной поверхности L, мм, по формуле:







где - длина обработанной поверхности, равная 30;

- длина врезания резца, мм. Длину врезания определяют из соотношения



 ()



- длина перебега, принимаемая равной 1…3,0 мм.

Основное (машинное) технологическое время , мин, определяют, используя выражение:







где i - число проходов резца, равное 1.



4.4 Эскиз режущего инструмента, применяемого при обработке поверхности



Элементы и геометрия фрезы. На рис. в показана дисковая фреза. Она состоит из корпуса 1 и режущих зубьев 2. Зуб фрезы имеет следующие элементы: переднюю поверхность 4, заднюю поверхность 6, спинку зуба 7, ленточку 3 и режущее лезвие 5. D --диаметр фрезы и L -- ширина фрезы.

Различают следующие углы: передний угол γ, измеряемый в плоскости А-А, перпендикулярной к режущему лезвию и главный задний угол α, измеряемый в плоскости, перпендикулярной к оси фрезы.


Изображение дисковой фрезы.





Эскиз фрезы. Элементы и геометрия фрезы.