2.4.12. Технологичность конструкции отливок

Технологичной называют такую конструкцию отливки, которая обеспе­чивает заданные эксплуатационные свойства изделия и позволяет изготавли­вать ее с наименьшими затратами.

При создании конструкции литой детали необходимо учитывать ос­новные показатели, обеспечивающие ее технологичность. Среди них важную роль играют следующие: коэффициент использования металла (КИМ) — отношение масс готовой детали и отливки; коэффици­ент необработанной поверхности (КНП) — отношение площади не обра­ботанной резанием поверхности к площади всей поверхности отливки; точность отливки и многие другие. Большое значение имеет также учет экономических показателей, таких, как удельная трудоемкость и себестоимость детали в изготовлении. Техноло­гичность конструкций отливок в ряде случаев оценивают с помощью ко­эффициента габаритности:

K_V = V / m,

где V — объем литой детали, опре­деляемый ее габаритами, дм³; m — масса отливки, кг.

Конструкция отливки тем техно­логически рациональнее, чем меньше коэффициент ее габаритности.

Конструкция литой детали должна обеспечивать направлен­ное затвердевание отливки и быть технологичной. Внешние кон­туры литой детали должны быть плавными, что снижает концен­трацию остаточных напряжений в местах сопряжения прямо­угольных участков, уменьшает торможение усадки при охлаж­дении формы. Необходимо стремиться к уменьшению общих габаритных размеров литой детали, особенно ее высоты, к уст­ранению чрезмерно выступающих частей, тонкостенных ребер большой протяженности, глубоких впадин и поднутрений. В це­лях уменьшения трудоемкости изготовления и сборки форм, снижения брака по перекосу и искажению конструкция литой детали должна обеспечивать минимальное количество разъемов модели, отсутствие отъемных частей, минимальное количество стержней. При конструировании литых деталей следует соблю­дать правило «теней». Если при освещении литой детали па­раллельными лучами в направлении, перпендикулярном к плос­кости разъема формы, появляются теневые участки, это свиде­тельствует о несовершенстве ее конструкции. Такую конструк­цию необходимо пересмотреть, в противном случае трудоем­кость ее изготовления значительно увеличится за счет необходи­мости применения формы с отъемными частями.

Наиболее существенное влияние на массу детали оказывает толщина стенок, ребер, фланцев и других конструктивных эле­ментов.

Однако уменьшение толщины конструктивных элементов отливки допустимо только в определенных пределах, ограни­ченных условиями прочности, литейными свойствами сплавов и возможностями выбранного способа литья. Практикой уста­новлены оптимальные значения толщины стенок, ребер и других конструктивных элементов отливок в зависимости от литей­ных свойств сплавов, средней массы отливки и характера производства. В литературе даны конкретные рекоменда­ции для определения толщины стенок литых деталей, которые в основном сводятся к следующему.

Толщину стенок литых деталей определяют в зависимости от механических и технологических свойств сплава, конфигура­ции и габаритных размеров детали, способа ее получения. Пра­вильно выбранная толщина стенок обеспечивает необходимые жесткость, герметичность и является одним из важнейших условий получения годных отливок с высоким коэффициентом ис­пользования металла. Чрезмерно толстые стенки увеличивают массу детали, вызывают появление усадочной рыхлости и порис­тости, снижают прочность изделий. Очень тонкие стенки при литье получить практически невозможно из-за большого брака по незаполнению формы, трещинам и прочим дефектам.

При конструировании литых деталей необходимо стремить­ся по возможности к одинаковой толщине стенок по всему се­чению, избегать локального скопления металла, так называе­мых горячих мест или термических узлов. Термический узел — место локального скопления металла, которое дольше остается горячим, дольше затвердевает и где больше вероятность обра­зования усадочных рыхлости и раковин.

Наименьшую толщину стенки литых деталей можно опреде­лить в зависимости от сплава по графикам (рис. 2.8). Для дета­лей прямоугольной формы приведенный габаритный размер N определяется по формуле

N = (2L + B + H)/4

где L, В и Н — соответственно длина, ширина, высота детали.

Для стальных и чугунных литых деталей при N  8 толщину стенок принимают соответственно 40 и 30 мм. Для медных и алюминиевых сплавов с приведенным габаритным размером N  0,1 мини­мальную толщину стенок можно принять: 4 мм для безоловян­ных сплавов; 2,5 мм для оловянных сплавов; до 2 мм для алю­миниевых сплавов.

Толщина стенок чугунных литых деталей, габаритные разме­ры которых меньше 0,5 м, может быть принята 1,5…2,0 мм, стальных — 4…5 мм. Учитывая более низкую жидкотекучесть высокопрочного и модифицированного чугунов, толщину сте­нок литых деталей из них следует увеличивать на 15…20 % по сравнению с серыми чугунами. Толщину внутренних стенок принимают равной: для чугунных и алюминиевых отливок на 10…20 % меньше толщины наружных, для стальных — на 20…30 %, для медных сплавов - на 15…20 %. Толщину стенок ли­тых деталей из легированных сталей принимают на 20…30 % меньше, чем однотипных деталей из углеродистых сталей.

Толщину краев стенок крупногабаритных литых де­талей рекомендуется увели­чивать для выравнивания температуры по сечению при охлаждении и уменьшения остаточных напряжений.

Прочность следует повы­шать не за счет увеличения толщины стенок, а прида­нием стенкам коробчатого, U-образного или ребрис­того профиля, что упрощает литейную техноло­гию и снижает соответствен­но себестоимость отливки.

Рис. 2.8. Графики для определе­ния толщины стенок

отливок: а - из углеродистых сталей (1), чугуна (2);

б - из медных без­оловянных сплавов (1), оловян­ных сплавов (2); в - из алюми­ниевых сплавов

К браку может привести значительная разница в тол­щинах сопрягаемых стенок.

В литых деталях со стенками разной толщины, с резкими и не­правильно выполненными переходами между сечениями, с боль­шими скоплениями металла возникают значительные внутренние напряжения, приводящие к короблению и трещинам, усадоч­ным раковинам и пористости.

Очень важно при конструировании литой детали осущест­вить правильное сопряжение стенок отливки. Отливка должна иметь (по возможности) плавно изменяющуюся толщину стенки, ибо в местах резкого их утолщения могут возникать дефекты уса­дочного характера (пористость, трещины, уса­дочные раковины). Сопряжения стенок различ­ной толщины выполняются плавными перехо­дами, при этом толщины стенок не должны отличаться более чем в 4 раза. Если сопрягаемые стенки отличаются по толщине менее чем в 2 раза, то переход между ними вы­полняют в виде галтели с определенным радиусом. Сопряжение же стенок с толщинами, отличаю­щимися друг от друга более чем в 2 раза, вы­полняют в виде клина с галтелями.

Радиусы галтелей в отливках при литье в песчаные и оболочковые фор­мы, а также в формы, изготовленные по выплавляемым моделям, выполняют равными примерно половине толщины сопрягаемых стенок (при небольшой их толщине), но не менее 1…2 мм; при литье в кокиль — равными полусум­ме толщин; при литье под давлением — 1/3 суммы толщин сопрягаемых сте­нок.

Требования к пересечениям ребер жесткости и стенок отливок. Не­обходимые для упрочнения конструкции ребра жесткости вызывают местные скопления металла, приводящие к образованию усадочных дефектов. Разгрузку узлов скопления металла в данном случае осуществляют при­менением различного типа сопря­жении, в том числе шахматного и кольцевого пересечений ребер.

Выполнение пазов, полостей, отверстий. Направленное затвер­девание отливок исключает возможность образования усадочных раковин и пористости. Этот процесс реализуется, если отливки конструируют с учетом правила вписанных окружностей. Предупредить образование уса­дочных раковин из-за местного скопления металла можно также путем вы­равнивания толщин стенок, формирования в отливках специаль­ных полостей, пазов, отверстий. Допускаемые размеры отверстий, получаемых в отливке, определяются типом отверстий (сквозное или глу­хое), составом сплава и способом литья. Ми­нимальный диаметр литого отверстия d воз­растает с увеличением его глубины h.

Окантовки (буртики), перемычки, выступы, бобышки выполняются по краям окон и отверстий для их усиления и исключения появления в отливках трещин. Ширина перемычек между окнами зависит от размеров отливок.

Форма отверстий в отливках (наличие скругленных кромок, бобышек) су­щественно влияет на их прочность.

Уклоны (конусность) на отливках необходимы для об­легчения съема полуформ. Их задают в градусах, миллиметрах или процентах от толщины вертикальной стенки отливки.

Правильный выбор состава литейного сплава, режимов и метода литья приводит к увеличению точности отливки, а также повышению ее механиче­ских и специальных свойств.