Совершенствование технологии изготовления литейной оснастки самолетного фланца с целью повышения качества детали и сокращения сроков изготовления

Введение 6
1 Литературный обзор теоретической основы проекта 9
1.1 Общие понятия 9
1.2 Виды литья с использованием литейной модели 11
1.2.1 Литье в песчаные формы 11
1.2.2 Литье по выплавляемым моделям 12
1.2.3 Литье по выжигаемым моделям 14
1.2.4 Литье в силикон 15
1.2.5 Литье в ХТС 16
1.2.6 Вакуумное литье 21
1.3 Традиционные методы изготовления литейной модели 23
1.4 Контроль качества литейной модели 25
1.5 Проблемы и недостатки при изготовлении литейной модели традиционными методами 27
1.6 Постановка проблемы 28
2 Анализ поставленной проблемы 30
2.1 Краткая характеристика оснащения производства 30
2.2 Характеристика материала литейной модели самолетного фланца 30
2.3 Анализ конструкции литейной модели на технологичность 33
2.4 Метод изготовления литейной модели фланца 34
3 Анализ предложенных материалов и способов изготовления литейной модели 37
3.1 Обзор предлагаемых материалов 37
3.1.1 PLA – пластик 37
3.1.2 ABS - пластик 40
3.1.3 PETG - пластик 42
3.1.4 Фотополимер 44
3.1.5 Полиамид и полистирол 45
3.2 Обзор предлагаемых технологий изготовления литейной модели 47
3.2.1 FDM – технология печати 47
3.2.2 SLA – технология печати 48
3.2.3 SLS – технология печати 50
3.2.4 SLM – технология печати 52
3.2.5 DLP – технология печати 53
4 Исследовательская часть 56
4.1 Технологическое оборудование 56
4.2 Замена материала 58
4.3 Исследование параметров SLA и FDM печати 59
4.4 Исследование качества поверхности литейной модели, изготавливаемой методами SLA и FDM печати 61
5 Технологическая часть 66
5.1 Подготовка к изготовлению литейной модели 66
5.2 Требования предъявляемые к математической модели 66
5.3 Сравнение традиционного и внедряемого технологических процессов 69
6 Организационно – экономическая часть 71
6.1 Расчет показателей 72
6.1.1 Традиционный технологический процесс изготовления литейной модели 72
6.1.2 Технологический процесс с использованием 3D принтера для изготовления литейной модели по FDM технологии 74
6.1.3 Технологический процесс с использованием 3D принтера для изготовления литейной модели по SLA технологии 76
7 Экология и безопасность жизнедеятельности 79
7.1 Общие требования 79
7.2 Пожарная безопасность 80
7.2.1 Требования пожарной безопасности к рабочему месту 80
7.2.2 Требования пожарной безопасности во время работы 80
7.2.3 Требования охраны труда в аварийных ситуациях 81
7.2.4 Требования охраны труда по окончании работы 82
7.3 Охрана окружающей среды и здоровья 83
7.3 1 Общие положения 83
7.3.2 Меры по защите охраны труда и здоровья 84
7.3.3 Меры по охране окружающей среды 85
Заключение 88
Список использованных источников 90

Весь текст будет доступен после покупки

В современном мире производство авиационных деталей является важным направлением развития промышленности, которое требует высокой точности и надежности изготовления. Авиационные компании стремятся к повышению качества своей продукции и сокращению сроков ее производства, что в свою очередь обеспечивает повышение конкурентоспособности на рынке. Одним из ключевых элементов в процессе изготовления авиационных деталей является литейная оснастка, которая обеспечивает точность и надежность процесса литья металлических конструкций. Технология изготовления литейной оснастки имеет принципиальное значение для обеспечения высокого качества детали и сокращения сроков ее изготовления.
В данной магистерской диссертации будет рассмотрено состояние проблемы современной технологии производства литейной оснастки самолетного фланца и будут предложены пути ее совершенствования с использованием новейших технологических и инженерных решений.
При создании новой продукции, особенно на стадии опытно-конструкторской работы (далее ОКР) в опытном производстве, для которого характерны вариантные исследования, необходимость частных 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 изготовления литейной оснастки (в основном деревянные модели) вручную или с использованием механообрабатывающего оборудования, реже числовое программное управление (далее 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 в ходе ОКР.

Весь текст будет доступен после покупки

1.1 Общие понятия
Литьё (или литейное производство) – метод производства (рисунок 1), которым изготавливают фасонные заготовки деталей путём заливки расплавленного металла в заранее приготовленную литейную форму. Полость формы имеет конфигурацию заготовки детали. После затвердевания и охлаждения металла в форме получают отливку-заготовку детали. Основная задача литейного производства - изготовление литейных сплавов отливок, имеющих разнообразную конфигурацию, с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам детали. При литье невозможно получить отливку, форма и размеры которой соответствуют форме и размерам детали. Очень важно и то, что нет ни одного способа литья, не требующего постобработки отливки перед ее дальнейшим использованием. В нашем обзоре мы будем классифицировать литье по технологии (видам, способам, методам) получения отливок: в землю, по выплавляемым моделям, по газифицируемым моделям, в формы из холоднотвердеющих смесей, вакуумное и др.

Рисунок 1 - Литейный цех
Литейная форма – специальная ёмкость, непосредственно заполняемая в процессе литья расплавленным материалом и формирующая поверхность или часть поверхности изготавливаемого изделия, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема литейной формы
Литейная оснастка – это комплект приспособлений для изготовления отливок, в который входят модель отливки, модели элементов литниковой системы, модельные плиты, стержневые ящики, опоки и др. Часть оснастки, включающая все приспособления, необходимые для образования рабочей полости литейной формы при ее формовке, называется модельным комплектом. Полный комплект оснастки, необходимый для получения разовой формы, называется формовочный комплект.
Литейная модель – это приспособление, предназначенное для получения в литейной форме рабочей полости будущей отливки. Далее – "ЛМ". Литейная модель является, как правило, частью модельного комплекта (См. рисунок 3). ЛМ могут быть неразъёмными (для простых по конфигурации отливок) или же состоять из двух и более частей. В индивидуальном производстве их изготавливают из дерева или пластмасс, в массовом и крупносерийном – из металла и пластмасс. При получении отливок методом литья по выплавляемым или газифицируемым моделям применяют разовые ЛМ из легкоплавкого состава или пенопласта.

Рисунок 3 - Литейная модель
1.2 Виды литья с использованием литейной модели
1.2.1 Литьё в песчаные формы
Литьё в песчаные формы – дешёвый, самый грубый (в плане размерной точности и шероховатости поверхности отливок), но самый массовый вид литья (рисунок 4). До 75-80 % по массе получаемых в мире отливок приходится на литье в песчаные формы. Вначале изготавливается литейная модель, копирующая будущую деталь. Раньше делали деревянные, а в сейчас часто используются металлические или пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования. Модель, закреплённая на подмодельной плите, засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ней и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия и полости в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия – литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. Затем отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), удаляют облой и проводят термообработку.

Рисунок 4 - Литье в песчаные формы
Для получения отливки этим методом могут применяться различные формовочные материалы, например, песчано-глинистая смесь или песок, смешанный со смолой и т.д. Для изготовления формы используют опоку (металлический короб без дна и крышки). Опока имеет две полуформы, то есть состоит из двух коробов. Плоскость соприкосновения двух полуформ – поверхность разъёма. В полуформу засыпают формовочную смесь и утрамбовывают её. На поверхности разъёма делают отпечаток промодели (промодель соответствует форме отливки), выполняют вторую полуформу, соединяют две полуформы по поверхности разъёма и производят заливку металла.
1.2.2 Литьё по выплавляемым моделям
Ещё один способ литья – по выплавляемой модели – известен с глубокой древности (рисунок 5). Он применяется для изготовления деталей высокой точности и сложной конфигурации, которые невозможно изготовить другими методами литья (например, лопатки турбин и т. п.)

Рисунок 5 - Литье по выплавляемым моделям
Из легкоплавкого материала, такого как парафин, стеарин, в простейшем случае – воск и др., путём его запрессовки в пресс-форму изготавливается точная модель изделия и литниковая система.
Затем модель окунается в жидкую суспензию пылевидного огнеупорного наполнителя в связующем. На модельный блок наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоёв, с сушкой каждого слоя. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняется для формирования плотной поверхности оболочковой формы. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000 °C для удаления из оболочковой формы веществ, способных к газообразованию.
Затем оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000 °C. Нагретый блок устанавливают в печь, и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится, его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики. Таким образом получается отливка.
Преимущества этого способа:
• возможность изготовления деталей из сплавов, не поддающихся механической обработке;
• получение отливок с точностью размеров до 11 - 13 квалитета и шероховатостью поверхности Ra 2,5 - 1,25 мкм, что в ряде случаев исключает необходимость обработку резанием;
• возможность получения узлов машин, которые при обычных способах литья пришлось бы собирать из отдельных деталей.
Литьё по выплавляемым моделям используют в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства.
В силу большого расхода металла и дороговизны процесса литьё по выплавляемым моделям применяют только для ответственных деталей.
1.2.3 Литье по выжигаемым моделям
Изготовление отливок свободной заливкой расплавленного металла в разовую форму. Рабочая полость формы получена после выжигания модели, изготовляемой из канифоли, блочного полистирола, пенополистирола и других пластмасс в пресс-формах. Применяют в случае необходимости получения прочных и термоустойчивых моделей (рисунок 6).
Литье по выжигаемым моделям используют для изготовления отливок из любых литейных сплавов массой от десятка граммов до сотен килограммов с толщиной стенки до 1 мм, а также компактных цельнолитых узлов со сложными лабиринтными полостями, которые невозможно изготовить другими методами.

Рисунок 6 - Изделие, полученное методом литья по выжигаемым моделям
Отливки могут иметь и простую, и очень сложную конфигурацию. Толщину стенок 0,5-5 мм, массу от нескольких граммов до 30 кг, размеры от нескольких миллиметров до 1,5 м. Литьем под давлением можно получать детали с готовой внутренней или внешней резьбой, с разнообразной арматурой, с полостями и каналами сложной конфигурации, образованными армирующими элементами.
1.2.4 Литье в силикон
Литье пластмассы (или модельного воска) в форму из силикона – одна из технологий получения готовых пластмассовых изделий (рисунок 7). Она отличается от промышленного производства малым количеством получаемого готового продукта. Мелкосерийное литье пластмасс является более дешевым (в сравнении с другими способами производства) и позволяет получать готовые изделия максимально схожие с оригиналом.

Рисунок 7 - Изделие, полученное литьем в силикон
Готовая мастер-модель помещается в формовочный короб и заливается силиконом (для лучшего качества применяется его платиновая разновидность), а затем аккуратно вынимается из формы. Затем в полученную матрицу заливается специально подготовленная двухкомпонентная смесь (пластик и катализатор). Все это отправляется в специальный термошкаф, где происходит окончательное затвердевание изделия при температуре в 70°С. Одна силиконовая форма обычно служит для изготовления партии от 20 – 80 штук. [1]
1.2.5 Литье в ХТС
К холоднотвердеющим относятся все смеси (далее ХТС), процесс отвердения в которых запускается без участия сушильных печей (рисунок 8). В раствор вводят отвердители и связующие вещества, обеспечивающие самозатвердевание смесей в естественных условиях в течение 10-15 минут. Современная технология напоминает традиционную, при которой металл заливали в песчано-глинистые формы. Разница в том, что сегодня в качестве связующих элементов включают искусственные смолы.

Рисунок 8 - Изделия, полученные с помощью ХТС
Чтобы смолы отвердели, используют технологию продувки. Такой способ позволяет изготавливать отливки 7 класса точности, соответствующие параметрам ГОСТ 26645-85.
Есть две причины, из-за которых ХТС использовать нежелательно: высокая стоимость синтетических смол и вызывающая сложности регенерация смесей. С экономической точки зрение участие холоднотвердеющих смесей обосновано только в ситуации, при которой масса формы к массе заливки относится в пропорции 3:1. По этой причине смеси применяют не всегда, а в основном для производства стержней, основное назначение которых — формовать в отливе полости.
К положительным сторонам метода литья в ХТС относят высококачественные поверхности, без засоров и газовых дефектов, которые могут возникать при использовании других технологий.
К основным компонентам, которые входят в состав ХТС, относятся кварцевый песок, органическая или полимерная смола и вещество, которое отвечает за быстрое отверждение смолы — катализатор. Кроме перечисленных составляющих в смесь добавляют регуляторы скорости отверждения, а также другие компоненты, благодаря которым материал достигает необходимого технического состояния. Например, некоторые из них делают более легким процесс выбивки, другие повышают антипригарность, термостойкость или газопроницаемость.
Сейчас производят более 100 разновидностей ХТС, применяемых для изготовления стержней и форм. Их можно разделить на категории, используя такие критерии, как:
• способ отверждения — продувка реагентами или ввод катализатора;
• вид связующего компонента — неорганического, органического, смешанного;
• реологические качества смесей — жидкоподвижные, сыпучие, пластичные;
• длительность отверждения — от 5-180 секунд до 30-45 минут.
Связующие подбирают, учитывая экономические показатели, экологические требования, необходимое качество отливок, регенерирующие свойства смеси, если ее планируется использовать повторно. Формы и стержни, изготовленные с помощью ХТС, могут иметь простую или сложную структуру, обладать высокой чистотой поверхности и максимально точной геометрией.
Основное оборудование для приготовления холоднотвердеющих смесей — мощные шнековые или лопастные смесители. Вследствие быстротекущего производственного процесса установки размещают прямо на участке для изготовления форм.
В первую очередь в смеситель загружают кварцевый песок, затем из отдельных резервуаров по трубам поступает жидкий катализатор, следом за ним — смола, также в жидком виде. Пластичность состава сохраняется недолго, не более получаса. За это время нужно успеть выполнить формовку, иначе смесь затвердеет и производство остановится. Из смесительной установки раствор ХТС подается напрямую в стержневые ящики — опоки.
Технологию литья в ХТС ценят за то, что готовые формы для отлива деталей можно применять неоднократно. Некоторые компании целенаправленно используют этот способ, чтобы заметно минимизировать затраты — не приходится каждый раз изготавливать новые формы. Таким образом, компенсируется высокая себестоимость получения ХТС, при этом готовые отливки выходят идеально точными, ровными и гладкими. Они не требуют доработки, которая повлекла бы за собой дополнительные вложения.
Формовка происходит путем заливки ХТС в опоку. Зтем требуется небольшое время для отверждения, обычно 20-30 минут. Температура на участке поддерживается в области комнатной, то есть около 20°С. В результате получаются литейные ХТС. По размеру они меньше песчаных аналогов, но по стоимости выше, поэтому их редко выбирают для массового производства. Но зато литьем в ХТС легче производить сложные отливки, в которых нужно делать углубления.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Цифровая литейка (применение 3D-печати в литейном производстве). Режим доступа: https://i3d.ru/blog/dlya_mozayki/3d-pechat-v-liteynom-proizvodstve/.
2. Литье в холоднотвердеющие смеси. Режим доступа: https://ptclt.ru/stati/lite-v-holodnotverdeyushchie-smesi.
3. Вакуумное литье металлов технология. Режим доступа: https://stal-kom.ru/vakuumnoye-lit-ye-metallov-tekhnologiya/.
4. Пооперационный контроль. Режим доступа: http://www.stroitelstvo-new.ru/liteynoe-proizvodstvo/pooperatsionnyj-kontrol.shtml.
5. Аддитивные технологии и литейное производство.
Режим доступа: https://extxe-com.turbopages.org/extxe.com/s/9761/additivnye-tehnologii-i-litejnoe-proizvodstvo/.
6. Краткий обзор микроскопического строения древесины. Режим доступа: https://woodshpala.ru/obrabotka-i-zashchita/sostav-drevesiny-sosny.html.
7. PLA пластик для 3d печати - характеристики, описание, свойства. Режим доступа: https://3dradar.ru/info/pla/.
8. ABS-пластик для 3D-печати. Режим доступа: https://3dtoday.ru/wiki/abs_plastic.

Весь текст будет доступен после покупки