2.2. Технологичность конструкции отливок

Возможность применения прогрессивных технологических методов определяется конструкцией деталей машин. Технологичными считают детали, конструкции которых отвечают требованиям прогрессивной технологии изготовления заготовок, последующей механической обработки резанием, а также всем условиям эксплуатации и ремонта.

Конфигурация детали должна представлять собой сочетание простых геометрических фигур, обусловливающих возможность применения высокопроизводительных технологических методов и предусматривать удобную, надежную базу для установки заготовки в процессе ее обработки. В тех случаях, когда поверхности детали не обеспечивают такой базы, должны быть предусмотрены специальные элементы (приливы, бобышки, отверстия) для базирования и закрепления заготовки. При необходимости эти элементы могут быть удалены после обработки.

Заданные точность и шероховатость поверхностей детали должны быть строго обоснованы ее служебным назначением. Необоснованно завышенные требования к точности и шероховатости вынуждают вводить дополнительные операции, удлиняют цикл обработки, увеличивают трудоемкость обработки и повышают себестоимость детали.

Стандартизация и унификация деталей и их элементов способствуют уменьшению трудоемкости производства и снижению себестоимости деталей в связи с возможностью применения систем автоматизации и унификации станочных наладок.

Технологичные литые детали должны иметь:

- простые и прямолинейные общие контуры, облегчающие изготовление модельных комплектов, а также формовку, сборку форм и очистку отливок;

- рациональную толщину стенок в различных сечениях, что обеспечивает необходимую прочность конструкции и возможность заполнения форм металлом;

- плавные переходы в сопряжениях различных сечений, способствующие снижению внутренних напряжений в отливке;

- достаточное число окон для удобной и надежной простановки стержней, вывода из них газов и очистки внутренних полостей отливки;

- конструктивные уклоны, обеспечивающие изготовление формы без усложняющих приемов и искажения контуров отливки формовочными уклонами;

- возможность транспортирования различными средствами.

При отработке на технологичность конструкции отливки, получаемой литьем в песчаные формы - наиболее распространенным и универсальным способом литья - стремятся учесть основные условия получения рациональной конструкции отливки. Так, литые детали не должны иметь выступающих частей, тонкостенных ребер, глубоких впадин, закрытых полостей и поднутрений, затрудняющих формовку (из-за увеличения числа стержней) и механизацию процессов. Конфигурация отливки должна обеспечивать возможность беспрепятственного извлечения модели из формы и стержней - из стержневых ящиков. С этой целью необходимо предусматривать для вертикальных поверхностей отливки формовочные уклоны, выбирая их величину в зависимости от высоты элемента поверхности. Следует по возможности избегать отъёмных частей модели и сложных поверхностей разъёма.

Необходимо учитывать положение поверхности при заливке и избегать значительных по размерам горизонтальных поверхностей, занимающих при заливке верхнее положение, при котором чаще всего образуются различные литейные дефекты.

Следует обращать внимание на беспрепятственное заполнение формы жидким металлом, избегая резких изменений направления и скорости его течения, учитывая литейные свойства металлов: жидкотекучесть, ликвацию, усадку, механическое торможение, создаваемое формой и стержнями, термическое торможение, возникающее вследствие разной скорости остывания частей отливки.

Необходимо предусматривать равномерное охлаждение всех сечений отливки и допускать ее свободную усадку, исключая возможность возникновения остаточных напряжений, появления трещин, а также коробления.

Конфигурация отливки должна обеспечивать возможность беспрепятственного отрезания прибылей, литников и выпоров, выбивки стержней и удаления каркасов.

В одной отливке рекомендуется предусматривать галтели одного радиуса или ограничивать число радиусов, различных по величине. Резкие изменения сечений и острые углы в отливке недопустимы. Переходы от одного сечения к другому должны быть плавными. Радиусы переходов при сопряжениях в одной стенке и угловых сопряжения двух или трех стенок зависят от толщины сопрягаемых стенок. При местном скоплении металла (рисунок 1а) возможно образование пор, раковин и трещин в отливке.

Рис. 1. Примеры неправильной (а, б, в) и правильной

(г, д, е) конструкции отливок

Ребра жёсткости располагают перпендикулярно к плоскости разъема формы (рисунок 1 б). В местах перехода от толстой стенки к тонкой предусматривают литейные ребра. Их толщина составляет от 0,5 до 0,6 толщины тонкой стенки. Радиусы закругления сопрягаемых поверхностей принимают от 1 до 120 мм в зависимости от габаритных размеров поверхностей и углов сопряжения.

При конструировании отливок нужно учитывать ход процесса затвердевания и кристаллизации металла (рисунок 1 в). В отливках из сплавов, имеющих большую усадку, необходимо, чтобы затвердевание происходило снизу вверх в сторону прибыли.

При конструировании литых углов необходимо учитывать, что скорость) затвердевания внешних углов больше, чем внутренних. Тепловые потоки, идущие перпендикулярно к стенкам отливки, у внутренних углов пересекаются, создавая термический узел, замедляющий остывание. В вершине угла толщину берут на 20 - 25% меньше толщины сопрягаемых стенок.

Внутренним полостям отливок желательно придавать конфигурацию, не требующую применения стержней (рисунок 1 г, д, е), так как работы со стержнями являются наиболее трудоемкими. При значительном числе полостей, образуемых стержнями, стремятся к их унификации. Размеры полостей и диаметры отверстий, образуемых стержнями, должны позволять применение металлических упрочняющих каркасов.

Рекомендуется принимать наименьшую высоту бобышек 5 мм (при габаритах детали до 0,5 м), от 10 до 15 мм (при габаритах свыше 0,5 до 2 м) и от 20 до 25 мм (при габаритах свыше 2 м).

При отработке конструкции детали на технологичность для условий кокильного литья толщину стенок площадью до 3 000 мм² можно принимать 3 мм для силуминов, от 8 до 10 мм - для стали и 15 мм - для серого чугуна (без отбела). Толщину внутренних стенок и ребер рекомендуется устанавливать от 0,6 до 0,7 толщины наружных стенок. Из-за усадки литейного сплава в условиях отсутствия податливости кокиля отливка должна иметь простую конфигурацию, с плавными наружными очертаниями, по возможности должна быть равноценной, иметь литейные уклоны, обеспечивающие легкое извлечение отливки из кокиля, а металлического стержня - из отливки. Необходимо предусмотреть такое сочетание конструктивных элементов отливки, при котором соблюдается направленность затвердевания и уменьшается торможение усадки.

Аналогично оценивается и отрабатывается технологичность конструкций отливок, получаемых в металлических пресс-формах при литье под давлением.

При литье по выплавляемым моделям в оболочковые неразъемные керамические формы можно получать отливки очень сложной конфигурации с высоким качеством поверхности. Толщину стенок отливок из различных сплавов назначают с учетом минимально допустимых ее значений. Тонкая стенка (1-2 мм) может быть выполнена, если ее площадь не более 1003100 мм. При большей площади возможен брак отливки из-за недолива или деформации оболочковой формы. Во избежание деформации литейной формы в стенке отливки предусматривают технологические отверстия диаметром от 10 до 20 мм, через которые осуществляется соединение стенок формы, придающее ей необходимую жесткость. При выполнении пазов в отливке предусматривают их ширину не менее 1-2 мм, а глубину - не более двукратной ширины. Внутренние полости в отливках должны иметь выходные отверстия, чтобы обеспечить прочное соединение внутренней и внешней частей формы. Из-за недостаточной жесткости керамической формы следует избегать при проектировании отливки плоскостей большой протяженности.

К технологичности конструкции отливок, изготовляемых по газифицируемым пенополистироловым моделям, предъявляют следующие специальные дополнительные требования:

- конфигурация отливки должна обеспечить применение такой конструкции литниковой системы, которая реализует сифонный подвод металла, исключает появление застойных зон, обеспечивает последовательное и направленное заполнение литейной формы и эвакуацию из нёе продуктов разложения газифицируемой модели;

- при назначении толщины стенок отливки следует учитывать плотность и механические свойства материала модели;

- расположение и конструктивное оформление выступов, поднутрений, ребер и других элементов отливки должны обеспечивать возможность уплотнения смеси вокруг соответствующих элементов модели при формовке;

- в изолированных каналах и полостях отливки предусматривать технологические отверстия, через которые будет обеспечиваться поступление формовочной смеси в аналогичные полости модели и удаление этой смеси после охлаждения отливки.

При отработке технологичности конструкции отливки, получаемой литьем в оболочковые песчано-смоляные формы, учитывают, что масса отливки должна быть не более 100 кг, в противном случае размерная точность тонкостенных отливок снижается вследствие коробления при охлаждении в форме, конструкция отливки должна быть такой, чтобы ее можно было изготовить в форме с одним плоским разъемом; припуски на обработку резанием примерно в два раза меньше, чем при литье в песчаную форму, поэтому объем механической обработки отливок резанием существенно снижается; для равномерного затвердевания отливки без применения холодильников предусматривают толщину стенок отливки примерно одинаковой. Минимально допустимая толщина стенки составляет 2-4 мм для мелких и 6-12 мм для крупных отливок. В сопряжениях стенок необходимо предусматривать радиусы скругления (галтели), которые, например, для стальных отливок должны быть не менее З мм. При толщине стенок отливки до 12 мм отверстия диаметром 6 мм и более можно выполнять по модели без применения стержней.

Прогрессивными показателями технологичности литых деталей являются:

- максимальная степень приближения размеров и конфигурации отливки к размерам и форме готовой детали;

- максимальный коэффициент использования металла Ким определяемый отношением массы детали к норме расхода металла на ее изготовление;

- максимальный коэффициент необработанной поверхности К„п, определяемый отношением площади не обработанной резанием поверхности детали к площади всей ее поверхности;

- минимальная относительная трудоемкость, определяемая отношением трудоемкости изготовления изделия к базовой трудоемкости;

- минимальная металлоемкость, оцениваемая расходом металла, необходимого для изготовления изделия;

- минимальная технологическая себестоимость изделия, являющаяся частью себестоимости изделия, определяемая суммой затрат на осуществление технологических процессов получения заготовки и ее последующей обработки с целью получения готовой детали.

Уровень технологичности конструкции изделия определяется отношением значения показателя технологичности данного изделия к значению соответствующего базового показателя технологичности.