2.4. Выбор толщины стенок и способа их сопряжения

Толщина стенок деталей определяется расчетом на проч­ность, но для литых деталей необходимо дополнительно учи­тывать ряд особенностей литейного производства. Слишком тонкие стенки в литейной форме получить невозможно, так как вследствие ограниченной жидкотекучести расплав не заполняет узкие элементы формы и возможен брак по недо­ливу. Поэтому необходимо проектировать детали с толщиной стенки, превышающей минимально допустимую.

Наименьшая толщина стенки определяется химическим составом и жидкотекучестью сплава, габаритными размера­ми отливки и способом литья. Для отливок, получаемых в песчаных формах, минимально допустимую толщину стен­ки t_min можно определить из таблицы 3 или ориентировочно по эмпирической зависимости:

t_min=L/200+4,

где L – габаритный наибольший размер детали, мм.

Таблица 3. Наименьшая толщина стенок отливок

Сплав	Категория отливок
	Мелкие, L≤500 мм	Средине, L=500 ... 1500 мм	Крупные, L>1500 мм
Сталь Чугун серый Бронза Алюминиевые сплавы	8-10 3-6 3-5 3-6	12-14 8-12 6-8 2-10	16—22 14—18 ----- -----

Литье по выплавляемым моделям, литье под давлением позволяют получать детали с меньшей толщиной стенки.

Чрезмерно толстые стенки отливок назначать нецелесо­образно, так как это ведет к повышению металлоемкости от­ливок и снижению удельной прочности. Увеличение толщины стенок обусловливает медленное затвердевание сплава, круп­нокристаллическую и неравномерную структуру, ликвацию, пористость. Начиная с некоторой критической толщины t_кр число отмеченных дефектов резко возрастает, а несущая спо­собность деталей при дальнейшем увеличении толщины стен­ки практически не повышается.

Критическая толщина стенки детали из серого и высоко­прочного чугуна составляет 50—60 мм, углеродистой конст­рукционной стали — 20—40 мм (меньшие значения соответст­вуют малоуглеродистым сталям). Критическая толщина ле­гированных и высоколегированных сталей может быть выше, поскольку специальные легирующие добавки способствуют повышению прочности и формированию равномерной микро­структуры.

Если расчетная толщина стенки превышает критическую, необходимо изменить конструкцию детали путем использо­вания многослойных, двутавровых и других сложных попе­речных сечений с малой толщиной стенки. Значительное увеличение несущей способности детали могут обеспечить ребра жесткости, толщину которых назначают на 10—20% меньше основной толщины стенки детали.

Важным технологическим требованием является обеспече­ние постоянства толщины стенки. В равностенных отливках охлаждение происходит равномерно, вероятность коробления, термических напряжений и трещин, усадочных раковин сни­жается, существенно упрощается сопряжение стенок друг с другом.

При наличии разнотолщинности неизбежны местные скопления металла (тепловые узлы), в которых могут обра­зовываться усадочные раковины и трещины. На рис. 6 пред­ставлены примеры устранения теплового узла (а) за счет уменьшения толщины фланца (б) или введения ребер жест­кости (в) при одновременном уменьшении толщины стен­ки. Такие конструкции, естественно, усложняют технологию литья, но позволяют получить бездефектные отливки при сни­жении материалоемкости. Размеры ребер жесткости назначают так, чтобы они не выступали за пределы детали с уче­том неизбежного смещения частей формы, т. е. ребра жест­кости не должны выходить на границу детали.

а ) б) в)

Рис. 6. Устранение местного скопления металла (а) путем изменения конструкции детали (б, в)

Сопряжения стенок во избежание их разрушения в про­цессе охлаждения должны быть плавными. При небольшой разнотолщинности, когда t₁/t₂≤2 достаточно сопряжения с радиусами r и R (рис. 7, а).

Если разнотолщинность значительна (t₁/t₂>2), необходи­мо обеспечить плавный переход от толстой стенки к тонкой с помощью клинового сопряжения (рис. 7, б). Для деталей, работающих при динамических нагрузках, клиновое сопряже­ние рекомендуется выполнять даже при меньшей разнотол­щинности t₁/t₂≤(1,25-1,5).

а ) б)

r С l r

t₁

t₂

t₁

r l C

t₂ r

R R

l

t₁ r t₂ r C

r r

Рис. 7. Рекомендуемые сопряжения стенок литых деталей

Размеры сопряжений можно рассчитать согласно опыт­ным зависимостям:

;

;

C = 3 или C = (0,8...1,0)  (t₁ – t₂); l = (4…5) C.

Меньшие значения г, С, l назначают для чугуна, цветных сплавов, а большие — для стали. Значения радиусов сопря­жений выбирают ближайшими из нормального ряда радиу­сов: 2,5,8, 10, 16,20,25,40.

При проектировании сопряжений следует избегать местных утолщений, т. е. скоплений металла, приводящих к усадочным раковинам. Крайне нежелательны сопряжения четырех и бо­лее стенок и сопряжения под острыми углами (рис. 8). Сле­дует отдавать предпочтение сопряжению под прямым и ту­пым углами.

НЕТЕХНОЛОГИЧНО ДОПУСТИМО ТЕХНОЛОГИЧНО

Рис. 8. Виды возможных сопряжений стенок для литых деталей

Усадка сплава в процессе кристаллизации приводит к уменьшению объема и понижению уровня жидкого металла, следовательно, к образованию усадочных раковин в верхней части отливки и внутри местных утолщений (рис. 9, а). Это особенно сильно проявляется на сплавах с большой усадкой (сталь, высокопрочный чугун и др.). Исходя из этого, конст­руктор при проектировании детали должен обеспечить или одновременное или направленное затвердевание.

а ) б) в)

d₄

d₃

d₂

d₁

Рис. 9. Конструкция стенки литой детали, приводящая к образованию усадочных раковин (а); ее изменение для обеспечения принципа одновременного затвердевания (б); и направленного затвердевания (в).

Принцип одновременного затвердевания выполняется при постоянной толщине стенки для сплавов с малой усадкой (рис. 9, б), например, для серого чугу­на. В этом случае прибыли можно не устанавливать, так как при одинако­вой толщине стенки раковины не возникают. Если на чугун­ных отливках есть утолщенные участки, то одновременное затвердевание можно обеспечить технологическими приема­ми. Например, жидкий металл следует подвести к тонким элементам конструкции, а у тол­стых установить холодильники, т. е. заложить внутрь формо­вочной смеси металлические вставки. Наличие холодильни­ков способствует отводу тепла от толстых элементов отлив­ки и одновременному затвердеванию при разнотолщинности до 50%.

Направленное затвердевание обеспечивают расположе­нием отливки в форме и проектированием стенок таким образом, чтобы кристаллизация начиналась в нижних самых тонких участках и постепенно распространялась на верхние более толстые элементы и заканчивалась в самой верхней части. Сверху должна быть предусмотрена прибыль для компенсации объемной усадки. Усадочная раковина в этом случае возникнет в отрезаемой впоследствии прибыли, а не в теле отливки (рис. 8, в). Направленность кристаллизации проверяется методом вписанных окружностей. Окружность, вписанная в самой нижней части (d₁), должна, постепенно увеличиваясь, выкатываться из отливки в прибыль (d₁≤d₂<d₃<d₄). Деталь, изображенная на рис. 8, а, этому принципу не удовлетворяет, и поэтому усадочные раковины неизбежны. Здесь потребуется боковая прибыль, что усложнит литейную форму.

При проектировании детали необходимо учитывать не только объемную (в процессе кристаллизации), но и линейную (в процессе охлаждения затвердевшей отливки) усадку. Линейная усадка может привести к образованию горячих тре­щин вследствие термического торможения, когда за счет гра­диента температуры в тепловых узлах возникают значитель­ные термические напряжения (см. рис. 6, а). Главным путем предотвращения горячих трещин, как уже отмечалось, сле­дует считать устранение разнотолщинности детали.

Уменьшение размеров отливки в процессе охлаждения может вызвать ее коробление, а если литейная форма или конструкция детали препятствуют усадке, то и разрушение отливки. Металлические формы создают механическое тор­можение усадке, песчано-глинистые формы обладают подат­ливостью и оказывают меньшее сопротивление. Поэтому кон­струкция детали должна быть такой, чтобы влияние механи­ческого торможения было минимальным. Например, спицы маховика во избежание разрушения лучше проектировать изогнутыми (рис. 10), так как термические напряжения сни­жаются за счет деформации спиц.

НЕТЕХНОЛОГИЧНО ТЕХНОЛОГИЧНО

Рис. 10. Изменение конструкции деталей с целью уменьшения термических напряжений

Коробление отливок, особенно с большой разницей размеров по длине и высоте, неизбежно. Его можно ослабить за счет конструктивных или технологических ребер жесткости. Толщину таких ребер жесткости берут на 20—40% меньше толщины стенки отливки с тем, чтобы ребра осты­вали быстрее и препятствовали короблению всей отливки.