3.1.2 Затвердевание отливки

Затвердевание расплава в форме является специфической особенностью литейной технологии, отличающей ее от любой другой, применяемой в ма­шиностроении. Для литейщиков она предстает сложной научно-производственной проблемой обеспечения качества отливок.

Затвердевание обусловлено отводом теплоты от расплава в форму, в охла­ждающемся расплаве зарождаются и растут кристаллы.

Этот процесс сопровождается:

1. Диффузионным перераспределением растворимых в сплаве компонентов и присутствующих в нем примесей между образующейся твердой фазой и незатвердевшим расплавом.

2. Фильтрацией расплава между растущими кристаллами вследствие объемной усадки затвердевающего сплава.

3. Деформацией отливки вследствие развития линейной усадки отливки и сопротивления ей со стороны формы и стержней.

От числа кристаллов, их формы и преимущественной ориентировки за­висят предельные служебные свойства отливки. Перераспределение раство­римых компонентов и примесей в сплаве между твердой и жидкой фазами приводит в неоднородности химического состава отливки; в массивных отливках - к появлению ликвационных дефектов. Неполнота фильтрации расплава между растущими кристаллами вызывает образование газоусадочной пористости и усадочной рыхлоты в теле отливки. Все это существенно снижает те свойства отливки, которые определяются ее кристаллическим строением. Избавиться от многих из перечисленных дефектов можно лишь одним путем - устранением дефицита расплава при питании затвердевающей отливки от таких дополнений ее конфигурации, как прибыли, питающие бобышки и т. п. В этой связи для большинства способов литья и конструкций машиностроительных отливок проблемой практического осуществления литейной технологии является проблема получения плотной отливки.

В процессе развития литейного производства, т. е. создания и практиче­ского использования различных способов литья для решения задач разви­вающегося машиностроения, эта проблема не претерпела заметных изменений, как в постановке, так и в своем составе. Прибыли и бобышки оставались - повышалась лишь эффективность их «работы» увеличением давления в прибылях, утяжелением расплава электромагнитными полями, центробежным ускорением, использованием вибраций, ультразвука и тому подобных средств. При помощи таких средств пытались не только повысить плотность отливок, но и уменьшить число и объем прибылей и бобышек и этим увеличить выход годного литья.

3.2 Технологичность литых деталей

При конструировании литых деталей необходимо учитывать все совре­менные достижения литейной технологии, т. е. конструирование литых деталей должно быть тесно увязано с предполагаемой технологией их изготовления. Должна существовать формализованная процедура конструирования технологичных литых деталей. Тогда при изменении технологического процесса, материалов или экономических показателей производства можно получить новую конструкцию технологичной литой детали с тем же самым функциональным назначением.

Неизбежные различия в качестве применяемых материалов, технологи­ческой культуре производства требуют:

1. В процедуре анализа на технологичность учитывать все обстоятельства данного конкретного производства.

2. Процедура анализа на технологичность должна обязательно учитывать экономические показатели производства.

Конструктору литой детали необходимо иметь представление о техно­логии литья, руководствоваться некоторыми общими принципами, отража­ющими специфику технологического процесса и организующими конструк­торскую мысль для проектирования технологичных литых деталей. В по­нимании технолога технологичная литая деталь - это такая деталь, которую можно изготовить с минимальными затратами, обеспечивая необходимую плотность стенок, точность размеров, механические и другие свойства отливки, определяющие функциональное назначение литой детали.

Любая деталь есть часть механизма или машины. Технолог хочет получить от конструктора технологичную конструкцию детали.

При оценке технологичности технолог руководствуется некоторой систе­мой правил. Эта система правил обобщена в различного рода справочниках для конструкторов (и технологов), где указаны правильные примеры и (или) правила конструирования технологичных деталей. Почему появляются нетехнологичные конструкции? Это происходит, по крайней мере, по трем причинам. Первая причина заключается в том, что конструктор не пользуется справочниками или не следует рекомендациям справочников без веских на то оснований.

Вторая причина состоит в том, что с помощью справочников можно про­работать конструкцию на технологичность только под директивную техно­логию, которая оптимальна лишь в конкретных случаях. Наконец третья, наиболее важная, причина состоит в том, что в природе нет «идеального» технолога.

Конструктору совместно с технологом приходится одновременно учиты­вать большое число процессов в технологическом цикле. Если представить себе типичную структурную схему процесса литья в песчаную форму (80% отливок изготовляют литьем в песчаные формы) (см. рис. 3.1), расшифровав этап финишных операций ФО, получим схему, показанную на рис. 3.2.

Рис. 3.2 – Структурная схема технологии литья в песчаные формы

На этой схеме этапы Р, Ф, З, ЗО, В, У (см. рис. 3.1) являются необходимыми для реализации процесса литья в песчаную форму. Вторая группа операций - дополнительные, они предназначены для устранения дефектов отливки, которые возникают вследствие несовершенства способов осуществления необходимых операций технологии литья на производстве. На рис. 3.2 приведены наиболее типичные: Оч₁ - очистка отливки от пригоревшей к ней формовочной и стержневой смесей; Обр - обрубка заусенцев и заливов; Обт - обточка отливки в местах обрубки. По традиции к литейному производству относят также термообработку отливок, проводимую при необходимости улучшить механические свойства отливок или снять в них остаточные напряжения, а также вторичную очистку (Оч₂), необходимую в том случае, если отливки во время термообработки покрываются окалиной.

Нетехнологичность литой детали, хотя бы по одному признаку (напри­мер, по формовке), может привести к браку или резкому увеличению стоимости литой детали.

Например, КамАЗ стал получать песок для изготовления форм и стержней довольно низкого качества. Это привело к тому, что для ряда отливок стал весьма распространенным явлением брак, связанный с обвалом формы (нетехнологичность с точки зрения формовки), и брак, связанный с пригаром стержней (нетехнологичность с точки зрения применения и конфигурации стержней).

Все это ставит перед технологами и конструкторами вопросы создания формализованных процедур анализа существующих конструкций на тех­нологичность по отношению к данному конкретному производству и процедур конструирования литых деталей, технологичных по отношению к выбранному производству. Наличие формализованных процедур технологичного конструирования в свою очередь создает основу для оптимизации конструкций. В качестве критерия оптимизации может выступать, например, стоимость детали, тогда как параметры функционального назначения и условия технологичности могут выступать в качестве ограничений при поиске оптимума целевой функции.