PROCES TEHNOLOGIC DE REALIZARE A UNEI PIESE DIN CLASA ARBORI

PROCES TEHNOLOGIC DE REALIZARE A UNEI PIESE DIN CLASA ARBORI

Sa se proiecteze procesul tehnologic optim de realizarea a piesei :"AX CU TREI TREPTE" , in conditiile unui numar necesar de bucati n=5000 buc/an.

Desenul de executie cu conditiile tehnice impuse se prezinta in figura 1.

Etapele de rezolvare se prezinta sintetic in continuare :

1. Stabilirea si/ sau analiza rolului functional al piesei folosind

analiza morfofunctionala a suprafetelor

Cunoasterea rolului functional este prima etapa in proiectarea oricarui proces tehnologic de realizare a piesei respective, deoarece se face in primul rand o proiectare functionala care trebuie sa se coreleze cu proiectarea tehnologica a piesei.

Rolul functional al piesei este dat de rolul functional al fiecarei suprafete ce delimiteaza piesa in spatiu de aceea, in primul rand se stabileste rolul functional al fiecarei suprafete folosind metoda de analiza morfofunctionala a suprafetelor, ce presupune parcurgerea urmatoarelor etape :

1.1.Descompunerea piesei in suprafete cat mai simple (vezi figura 2.)

1.2.Notarea tuturor suprafetelor ce delimiteaza piesa in spatiu (vezi figura 2.)

1.3.Analiza fiecarei suprafete in parte

S-a analizat fiecare suprafata in parte din urmatoarele puncte de vedere : forma geometrica a suprafetei , dimensiunile de gabarit , precizia dimensionala, precizia de forma, precizia de pozitie, rugozitatea si duriatatea . Rezultatele analizei sunt trecute in tabelul 1.1.

1.4.Intocmirea unui graf " suprafete-caracteristici"

Intocmirea grafului "suprafete- caracteristici" in cazul arborelului studiat, care reprezinta o sinteza a tuturor conditiilor tehnice de generare a fiecarei suprafete a arborelui , este prezentata in tabelul 1.1.

1.5.Stabilirea tipului si a rolului fuctional posibil al fiecarei suprafete

Analizand suprafetele se observa ca suprafetele S₄ si S₁₀ au precizie dimensionala ridicata () , au rugozitate mica 1,6 , iar suprafata S₁₀ are abateri de forma si de pozitie , deci ele pot indeplini rolul de de suprafete functionale . Suprafetele S₁ si S₁₂ au o precizie dimensionala () deci pot fi suprafete de asamblare . Suprafetele S₃ si S₉ au o precizie dimensionala ridicata () deci pot indeplini rolul de suprafete de legatura.Suprafetele S₂,S₅,S₆,S₇,S₈,S₁₁,S₁₃ neavand precizie dimensionala , de forma sau de pozitie nu pot fi decat suprafete auxiliare.

1.6.Stabilirea rolului functional al piesei

In urma analizei de corelatie a diferitelor tipuri de suprafete continute in graful "suprafete- caracteristici" s-a stabilt rolul functional al piesei studiate .Arborele studiat este un organ de masina avand o configuratie simpla si un rol functional complex, asigura transmiterea miscarii de rotatie , motiv pentru care, pentru asigurarea unor conditii tehnice indispensabile,are o tehnologie pretentioasa. In plus arborele fiind supus unor solicitari dinamice variabile si complexe ,trebuie bine echilibrat si confectionat dintr-un material capabil sa suporte aceste solicitari . Piese de tipul celei studiate se intalnesc curent in industria de automobile , masini agricole,etc, avand diferite forme si dimensiuni.

2.Alegerea materialului optim pentru confectionarea piesei

Alegerea materialului optim pentru o anumita piesa este o problema deosebit de complexa ce trebuie rezolvata de proiectant.

Pentru alegerea materialului optim pentru confectionarea piesei "Ax cu trei trepte" s-a utilizat o metoda deosebit de eficienta denumita metoda de analiza a valorilor optime, care propune alegerea acelui material care indeplineste cerintele minime de rezistenta si de durabilitate ale piesei in conditiile unui pret de cost minim si a unei fiabilitati sporite.

In tabelul 2.2. sunt prezentate posibile materiale din care ar putea fi efectuata piesa., dar in urma analizei va rezulta materialul optim.

In urma parcurgerii etapelor necesare alegerii materialului optim a rezultat pentru arborele studiat otelul de uz general OL 60 (STAS 500-88), otel recomandat pentru confectionarea pieselor pentru mecanisme de transmisie supuse unor solicitari ridicate (axe,pistoane,piulite,arbori cotiti), de asemenea pentru piese cu presiune de contact ridicata ca roti dintate , suruburi melcate, pene, stifturi de ghidaj, bande, etc .

3.Stabilirea si analiza procedeelor tehnologice

posibile de realizare a piesei-semifabricat

Pentru a putea alege procedeele tehnologice acceptabile de realizare a piesei-semifabricat este necesara o anliza a procedeelor tehnologice posibile, avandu-se in vedere clasa din care face parte piesa, tehnologicitatea constructiei, greutatea si dimensiunile de gabarit si tipul productiei . Stabilirea procesului tehnologic depinde de procedeul de elaborare si alegere a semifabricatului. In functie de acesta se stabilesc apoi felul si numarul operatiilor si fazelor, succesiunea lor si masinile pe care se va realiza piesa finita.

Pentru piesele de tip arbore si axe, in functie de scop, imporatnta si dimensiuni, semifabricatele se obtin : prin turnare ( la arborii de dimensiuni mari) ; prin forjare din lingouri (la arborii de dimensiuni mari) ; prin matritare, la productii de serie mare si masa.

Pentru a stabili procedeeele tehnologice posibile de obtinere a piesei "Ax in trei trepte", se va face o analiza a tehnologicitatii pieselor-semifabricat turnate, forjate si matritate .

Din studiul tehnologicitatii pentru turnare a arborelui se constata ca piesa respecta recomandarile privind tehnologicitatea pieselor-semifabricat turnate cum ar fi :alegerea planului de separatie al formei turnate chiar planul de simetrie al arborelui , dimensiunea maxima a arborelui (lungimea maxima a axului 220 mm ) se va aseza in plan orizontal , uniformitatea racordarilor constructive (R=1mm),adaosuri tehnologice si de prelucrare mici. In comparatie cu metoda de obtinere a semifabricatului prin forjare sau matritare, metoda de turnare prezinta unele avantaje ca : obtinerea unei forme rationale din punct de vedere al solicitarilor , cu un numar mic de operatii, un utilaj mai simplu si mai ieftin, durata de realizare a semifbricatului fiind scurtata.

Pe langa aceste avantaje trebuie avut in vedere si unele dezavantaje si anume, faptul ca rezistenta este mai mica , iar pericolul rebuturilor creste datorita unor defecte de turnare greu de inlaturat . In scopul reducerii defectelor de turnare (sulfuri, retasuri,incluziuni) fiind un arbore de dimensiuni medii ,se va turna in pozitie orizontala cu doua guri de alimentare. (figura 3)

In concluzie : am ales ca procedeu tehnologic acceptabil de realizare a piesei-semifabricat pentru piesa "Ax in trei trepte " turnarea in forme temporare din amestec de formare obisnuit , realizata manual, luand in consideratie dimensiunile de gabarit ale arborelui 24x220mm, clasa a-V-a de precizie, rugozitatea generala 12,5 m, natura materialului OL 60 si productia de serie mica , 5000 buc/an.

4.Obtinerea piesei-semifabricat printr-un

procedeu tehnologic de turnare

Asa cum s-a stabilit la punctul anterior o varianta acceptabila de obtinere a piesei-semifabricat pentru piesa "Ax in trei trepte" o constituie turnarea in forme temporare din amestec de formare obisnuit,realizata manual .

Pregatirea formei de turnare, in vederea umplerii cu metal,constituie una din cele mai importante tehnologii din ansamblul procesului de fabricare a piesei turnate .

De corecta executie a formelor de turnare depinde in cea mai mare proportie calitatea piesei turnate, deoarece prin metoda de formare folosita se influenteaza nemijlocit : calitatea suprafetelor piesei turnate; precizia dimensionala a piesei; compactitatea masei metalice; structura de cristalizare a aliajului turnat; pretul de cost al piesei fabricate.

Procesul tehnologic de obtinere a pieselor prin turnare in forme temporare poate fi structurat pe urmatoarele etape distincte :

-realizarea modelului si a cutiilor de miez, pe baza desenului piesei turnate sau a desenului de executie a modelului si a cutiilor de miez ;

-realizarea formei de turnare si a miezurilor, asamblarea formelor;

-elaborarea aliajului ,transportul si alimentarea formelor;

-tratamentele aplicate la umplerea formei,solidificarea piesei;

-dezbaterea formelor, extragerea piesei solidificate si scoaterea miezurilor din piesa ;

-separarea retelei de turnare si maselotelor;

-curatirea;

-tratamentele termice si de suprafata, remedierea defectelor;

-controlul final al piesei;

-marcarea, conservarea, depozitarea, ambalarea si livrarea catre beneficiar.

Pretul de cost al pieselor turnate depinde de cantitatea de materiale si manopera necesare pentru executia lor. In cazul formarii manuale, manopera pentru confectionarea modelului si a cutiilor de miez depaseste cu mult pe cea pentru confectionarea formei , de aceea piesa trebuie sa fie astfel proiectata incat sa permita confectionarea usoara a modelului si a miezurilor.

Modelul si miezurile determina configuratia exterioara, respectiv interioara a viitoarei piese realizate prin turnare.

4.1.Intocmirea desenului piesei brut turnate

In vederea intocmirii desenului piesei brut turnate trebuie parcurse urmatoarele etape :

a) stabilirea metodei de formare : in cazul productiei de unicate si de serie mica se recomanda ca operatia de formare sa se execute manual;

b) stabilirea pozitiei de turnare : pozitia piesei in forma de turnare si suprafata de separatie a acesteia trebuie sa asigure calitatea solicitata a piesei turnate, consumuri munime pentru realizarea si prelucrarea mecanica . La alegerea pozitiei de turnare in forma trebuie sa se tina seama de urmatoarele recomandari: la turnarea pieselor de forma complicata si de mare raspundere, partile cele mai importante trebuie sa fie amplasate in partea inferioara a formei, cunoscand faptul ca incluziunile de nisip, zgura si gaze au tendinta de ridicare spre partile superioare ale piesei; daca suprafete ale piesei turnate ce urmeaza a fi prelucrate , sunt amplasate in partea superioara a formei se vor lua masuri astfel incat defectele caracteristice de turnare (retasuri,sufluri si incluziuni) sa se produca in maselote, rasuflatori sau in adaosurile de prelucrare prevazute pe suprafetele superioare ale piesei turnate; la turnarea pieselor din aliaje cu contractie ,are in timpul solidificarii, pozitia piesei in forma va fi aleasa astfel incat sa se asigure solidificarea dirijata a metalului de la partile subtiri spre cele groase si de la acestea spre maselote ; pozitia piesei in forma de turnare trebuie aleasa astfel incat sa se asigure consum minim de material si un cost cat mai mic.

Se are in vedere : reteaua de turnare simpla si scurta, miezuri cat mai putine, consum redus de material de formare.

Avand in vedere considerentele de mai sus pozitia de turnare a fost aleasa ca in figura 3., suprafetele importante ale piesei fiind plasate in lateral , alimenaterea se face prin doua canale de alimentare , asigurandu-se o solidificare dirijata.

c) alegera planului de separatie : pentru alegerea modelului din forma, acesta se selectioneaza in doua sau mai multe bucati. In general, la alegerea planului de separatie sunt posibile mai multe, solutii, in fuctie de simetria piesei turnate, de prezenta suprafetelor care urmeza sa fie prelucrate prin aschiere, de utilajul existent pentru formare si turnare.

Dintre solutiile posibile se alege cea care permite : simplificarea la minimum a constructiei modelului care urmeaza sa fie executat din cat mai putine parti componente; extragerea usoara a piesei din forma; suprafata de separatie a formei trebuie sa fie pe cat posibil plana si una singura (doua sau mai multe suprafete de separatie complica formarea si reduce precizia piesei turnate); obtinerea formei cu cele mai putine miezuri , deoarece miezul necesita ,manopera suplimentara, iar amestecul de miez, este mai scump; montarea usoara si sigura a miezurilor in forma; umplerea usoara si completa a formei.

In cazul piesei studiate planul de separatie a fost ales planul de simetrie al arborelui, asa cum se poate vedea in figura 4.

d) stabilirea adaosurilor de prelucrare : adaosurile de prelucrare se prevad pe toate suprafetele piesei ale caror precizii dimensionale si rugozitati nu pot fi obtinute prin turnare. Factorii principali de care depinde marimea adaosului de prelucrare sunt : natura aliajului care se toarna :in general adaosurile de prelucrare la piesele din otel sunt cu cica 50% mai mari decat la cele din fonta, iar la piesele din fonta sunt mai mari decat la cele din aliaje neferoase.

Pozitia suprafetei : In timpul turnarii o suprafata se poate gasi jos, lateral sau sus. Suprafetele amplasate jos si lateral se obtin totdeauna mai curate decat cele de sus, datorita faptului ca incluziunile de nisip si de la zgura se aduna in partea superioara a piesei. Din aceasta cauza, la partea superioara trebuie prevazut un adaos de prelucrare mai mare decat pe suprafetele de jos sau latelar, pentru a ajunge la stratul fara defecte.

Metoda de formare : Poate fi manuala, semimecanizata sau mecanizata. La formarea manuala modelul se ciocaneste, inainte de extragerea din forma, pentru a se desprinde de amestecul de formare. Din aceasta cauza cavitatea care se obtine in forma are dimensiuni mai mari decat dimensiunile modelului, ceea ce face ca adaosurile de prelucrare mecanica sa fie mai mari la piesele formate manual, decat la cele formate mecanizat.

Dimensiunea piesei si a suprafetei care se prelucreaza : Sub actiunea temperaturii aliajului lichid peretii formei se pot deforma, iar ca urmare, peretii piesei turnate prezinta ondulatii sau denivelari; in toate cazurile deformarile sunt mai pronuntate la piesele cu dimensiuni mari; din aceasta cauza adaosurile de prelucrare cresc cu dimensiunea piesei turnate .

Clasa de precizie a piesei turnate : din punct de vedere al preciziei dimensiunilor, STAS 1592-85 imparte piesele formate cu model in cinci clase . Cele mai mici adaosuri de prelucrare se prevad la piesele din clasa I de precizie , iar cele mai mari , la piesele din clasa a V-a de precizie.

Adaosurile de prelucrare pentru piesele turnate din otel cuprinse in clasa a V-a de precizie , cazul piesei anlizate, s-au ales din tabelul 3.3. de mai jos ,extras conform STAS 1592/2-85 .

Tabelul3.3.

Amplasarea adaosurilor de prelucrare pe desenul piesei finite, in vederea construirii desenului piesei brut turnate, este prezentata in figura 4 .

e) stabilirea adaosurile tehnologice : acestea se prevad pe toate suprafetele a caror configuratie sau pozitie nu poate fi obtinuta direct din turnare sau in vederea simplificarii formei tehnologice a piesei. Adaosul tehnologic, daca se plaseaza pe o suprafata care se prelucreaza va fi indepartat, in timp ce, adeseori, cand este plasat pe un perete al piesei ce nu se prelucreaza prin aschiere poate ramane ca atare , adaosul tehnologic servind in general la simplificarea operatiei de formare. Adaosurile tehnologice se justifica de urmatoarele conditii tehnologice de turnare :

- necesiatatea dirijarii solidificarii piesei turnate, in vederea evitarii formarii in piesa a retasurilor , urmarindu-se eliminarea nodurilor termice interioare la piesa brut turnata;

-dificultati la executarea gaurilor, canalelor, adanciturilor sau a peretilor subtiri;

-asiguararea unui supliment de material in vederea indepartarii maselotelor prin taiere;

-prevederea de nervuri pe piesa turnata pentru a evita aparitia crapaturilor;

-prevederea de bare de legatura care sa impiedice deformarea piesei la racire.

Amplasarea adaosurilor tehnologice pe desenul piesei finite, in vederea construirii desenului piesei brut turnate, se poate observa in figura 4.

f) stabilirea adaosurilor de inclinare : deoarece modelul trebuie extras din forma, se admite ca peretii perpendiculari pe planul de separatie sa fie construiti cu inclinari, asa-numite inclinari constructive, chiar daca nu sunt prevazute pe desenul piesei finite. Daca suprafetele respective se prelucreaza prin aschiere, inclinarile constructive trebuie sa fie cat mai mici posibil, pentru a nu se mari manopera la prelucrarea si pierderile de metal prin aschiere.

Din punct de vedere constructiv, inclinarile modelelor si cutiilor de miez se pot realiza prin ingrosare (fig.5,a.), prin ingrosare si subtiere (fig.5,b.),sau prin subtiere(fig.5,c.).

Fig 5.

Marimea inclinarilor si cutiilor de miez se alege din tabelul 4.4.

Tabelul 4.4.

g)stabilirea racordarilor constructive : racordarile constructive sunt rotunjiri ale unghiurilor interioare sau exterioare intre doi pereti ai piesei turnate. Scopul racordarilor constructive este multiplu: de a preveni efectul daunator al transcristalizarii; la solidificare cristalele cresc perpendicular pe suprafata care se formeaza, de aceea la imbinarea a doi pereti fara racordare se formeaza un plan de rezistenta minima , dupa linia de intersectare a celor doi pereti, deoarece legatura intre varf urile cristalelor este mai slaba decat in lungul cristalelor; de a preveni formarea nodurilor termice: la intersectarea a doi pereti se pot produce retasuri ca urmare a formarii nodului termic; retasurile se produc spre muchia interioara a imbinarii; de a preveni ruperea formei la extragerea modelului: cauza ruperii se datoreaza fortei mari de frecare intre amestecul de formare si model, la o sectiune mica a formei in apropierea muchiei. Prin racordarea muchiilor se previne acest defect.

Marimea razei de racordare interioara r se alege intre 1/5 si 1/3 di media aritmetica a grosimii peretilor de racordat, iuar raza exterioara R se ia egala cu raza mica r,plus media aritmetica a grosimii peretilor care se racoedeaza. Dupa STAS 406-85, razele de racordare se rotunjesc la una din valorile :0,2;0,6;1;4;..200mm.

In urma pozitionarii tuturor elementelor de mai sus pe desenul piesei finite a rezultat desenul piesei brut turnate figura6.

4.2.Intocmirea desenului modelului

Constructia desenului modelului se face pornind de la desenul piesei brut turnate,, care se completeaza cu adaosurile de contractie si cu marcile pentru sustinerea miezurilor,daca piesa prezinta goluri interioare.

Modificarea volumului si , impicit , a dimensiunilor , care are loc la incalzirea sau racirea aliajelor metalice,nu poate fi eliminata, ea avand loc ca urmare a proprietatilor fizice ,specifice fiecarui aliaj. Aceasta modificare de volum poate si trebuie sa fie compensata in cadrul proiectarii tehnologiei de turnare prin aplicarea adaosului de contractie. Valorile uzuale ale contractiei pentru principalele aliaje utilizate in turnatorie sunt date in tabelul 5.5.

Tabelul 5.5.

Contractia pieselor la solidificare si racire depinde de viteza de racire in portiunea respectiva, de compresabilitatea formei, de existenta anumitor armaturi in forma, de franarea contractiei de catre maselote, de temperatura de turnare a aliajului precum si o serie de alti factori.

Pentru axul studiat,confectionat din OL 60, s-a ales pentru coeficientul de contractie k, valoarea 1,85. Fiecare dimensiune a modelului se calculeaza cu relatia :

in care ,d_m este dimensiunea modelului; d_p-dimensiunea piesei brut turnate;k-coeficientul de contractie.

Valorile rezultate in urma calculelor s-au trecut pe desenul modelului, prezentat in figura 7.

Modelele nu se pot construi absolut exacte, conform cotelor de pe desen, oricata atentie s-ar acorda la confectionarea lor. In plus, urmarirea construirii unui model deosebit de precis mareste pretul de cost in mod nejustificat. De aceea, se admite in practica constructia de modele cu anumite tolerante. Valoarea tolerantelor admisibile ete data in tabelul 6.6.

Tabelul 6.6.

4.3.Executia formei de turnare

De corecta executie a formei de turnare depinde in cea mai mare proportie calitatea piesei turnate deoarece prin metoda de formare folosita se influenteaza nemijlocit : calitatea suprafetei turnate; precizia dimensionala; compactitatea masei metalice; structura de cristalizare a aliajului turnat; pretul de cost al piesei fabricate. Folosirea formelor crude este limitata de inaltimea piesei turnate deoarece, la piesele prea inalte, presiunea metalostatica din forma poate deforma peretele acesteia, producand defectul de umflatura a piesei. Stiind ca amestecul de formare in stare cruda rezista cu certitudine la o presiune de 2.5N/cm², inaltimea h a piesei calculata la nivelul aliajului din palnie, nu poate depasi : h=p/ρg=0.35, in cazul formelor crude indesate la presiune normala.

Pentru dimensionarea grosimii formelor temporare clasice destinate turnarii la crud se pot folosi nomograme,stabilite pe cale experimentala.

Ansamblul canalelor si cavitatilor care serveste la introducerea metalului in cavitatea formei,constituie reteaua de turnare , avand urmatoarele functii principale: dirijarea jetului liber de metal care curge din oala de turnare in receptorul retelei de turnare; retinerea particulelor de zgura si a altor incluziuni nemetalice in scopul impiedicarii patrunderii lor in cavitatea formei ;

Preintampinarea formarii turbioanelor, stropilor si oxidarii metalului lichid; asigurarea umplerii cavitatii formei la durate optime de timp si fara distrugerea peretilor acesteia; asiguararea obtinerii pieselor turnate de calitate superioara , fara crapaturi , aderente, retasuri etc: franarea minima a contractiei metalului in timpul solidificarii acestuia; detasarea usoara de piesa turnata, fara deteriorarea acesteia.

Dupa pozitia sectiunii celei mai reduse a canalelor retelelor se disting :

-retele convergente ,la care sectiunile descresc de la picior la alimentator

-retele divergente , la care sectiunile cresc de la picior la alimentator. Notand cu S_p,S_c,, iar cele divergente prin S_p<S_c.

Pentru piesele turnate din otel se recomanda folosirea retelelor convergente, cu urmatoarele rapoarte caracteristice generale S_p:S_c:S_a=1,6:1,3:1. Realizarea pieselor turnate din otel ridica probleme deosebite din punctul de vedere al constructiei retelelor de turnare legata de capacitatea de curgere redusa a otelului, precum si de tendinta marita a acestuia de a forma retasuri . Retelele de turnare laterale cu alimentatori in suprafata de separatie, au cea mai larga aplicabilitate.

.Reteaua de turnare a piesei analizate a fost astfel proiectata incat sa permita :

-umplerea rapida a formei cu metal;

-alimentarea cavitatii formei prin mai multe puncte;

-evitarea eroziunilor formei prin dirijarea jetului de metal din alimentatoare,in lungul peretilor formei.

In concluzie reteaua de turnare exercita o mare influenta asupra proceselor care au loc in canalele acesteia, precum si in forma , de acestea depinzand in buna masura calitatea metalului lichid care intra cavitatea formei precum si obtinerea de piese fara defecte.

Schema de principiu a formei de turnare pentru piesa "Ax in trei trepte " este prezenatata in figura 8.

Dupa solidificarea si racirea piesei turnate sub o anumita temperatura, formele se dezbat(se distrug) in vederea extragerii piesei.

Este dorit ca timpul de mentinere a pieselor in forma dupa turnare sa fie cat mai scurt pentru a realiza o productivitate ridicata. Timpul de mentinere a pieselor in forma difera de la un aliaj la altul , iar la acelasi aliaj timpul creste cu masa piesei. Pentru o piesa din otel cu masa intre 10-50 kg timpul de mentinere in forma este de 0h30'-1h.

Dupa dezbaterea formelor , piesa se supune operatiei de indepartare a retelei de turnare,se realizeaza gaura cu diametrul de 3 mm prin procesul de gaurire.