Тема: конструирование литой детали, отливаемой в песчаные формы

План лекции

1. Оценка технологичности литой детали.

2. Разработка рациональной конструкции литой детали.

Оценка технологичности литых деталей. Под технологичностью дета- ли в общем виде понимается оценка конструкции детали для выбранного ва- рианта изготовления ее с точки зрения обеспечения минимальных затрат ма- териала и труда и в конечном итоге минимальной себестоимости. При этом должны быть обеспечены надежные эксплуатационные качества детали. Та- кая оценка позволяет из нескольких вариантов изготовления детали выбрать наилучший или убедиться в приемлемости уже выбранного.

Обычно задача по оценке технологичности конструкции литой детали решается для данных условий производства (материал, характер производст- ва).

Ниже приводятся данные для такой оценки.

Технологичные литые детали должны иметь:

- простые и прямолинейные общие контуры, облегчающие изготовле- ние модельных комплектов, а также процессы формовки, сборки форм и очи- стки отливок;

- рациональную толщину стенок в различных сечениях, что обеспечива- ет необходимую прочность конструкции и возможность заполнения формы металлом;

- плавные переходы в сопряжениях различных сечений, способствую-

щие снижению внутренних напряжений в отливке;

- достаточное число окон для удобной и надежной простановки стерж-

ней, вывода из них газов и очистки внутренних полостей отливки;

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

- возможность транспортирования различными средствами.

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.

Задача по оценке технологичности конструкции литой детали решается для данных условий производства.

Комбинирование и расчленение литых деталей. Сложные детали, а так- же детали с большими габаритными размерами рекомендуется делать сбор- ными, так как при этом обычно упрощаются процесс изготовления моделей и

формовка, уменьшаются по размерам и упрощаются по форме стержни, появ- ляется возможность уменьшения внутренних напряжений в отливках. Все это создает условия для снижения брака отливок.

Пример расчленения детали, изготавливаемой литьем, приведен на рис. 104. Цилиндр четырехтактного двигателя выполнить цельнолитым (рис. 104, а) трудно, так как он имеет глухую внутреннюю полость. Изготов- ление этой детали после расчленения (рис. 104, б) упрощается. Особенно це- лесообразно расчленение детали, обеспечивающее применение машинной формовки, ибо последняя позволяет получать детали более точными, со ста- бильными размерами. При расчленении детали необходимо обеспечить неиз- менность ее эксплуатационных характеристик, основных размеров, качества рабочих поверхностей и надежность крепления составных частей.

Не рекомендуется расчленять детали с повышенными требованиями к жесткости. Мелкие и простые литые детали бывает целесообразно комбини- ровать в более крупную и сложную деталь. При этом обычно снижается рас- ход металла на механической обработке, упрощается сборка узлов и машин, повышается их надежность.

При комбинировании деталей также следует обеспечивать возможность применения машинной формовки.

Рис. 104. а – цельнолитой цилиндр четырехтактного двигателя; б – пример расчленения цельнолитого цилиндра

Внешнее очертание литых деталей. Внешнее очертание литой детали должно быть по возможности простым. Это и облегчает процесс изготовле- ния модели и исключает необходимость применения отъемных частей моде- лей. Простое внешнее очертание отливки позволяет изготавливать форму с минимальным количеством стержней. Лишние стержни увеличивают трудо- емкость изготовления формы, приводят к появлению таких видов брака, как перекосы и несовпадение размеров, вызывают неточность изготовления и ус- тановки стержней.

Внешнее очертание и конструкция литой детали должны быть такими,

чтобы модель можно было изготовить с одним плоским разъемом. Это осо-

бенно важно при машинной формовке.

Модель или части модели должны при формовке легко извлекаться из формы. Для проверки этого требования можно использовать метод теневого рельефа. Если на деталь или часть детали направить пучок параллельных лу- чей, перпендикулярных предполагаемой плоскости разъема формы, или стержневого ящика, то отсутствие теневых мест обеспечивает выполнение этого требования. На рис. 105 приведены примеры такой проверки.

Рис. 105. Метод теневого рельефа нетехнологичные (а)

и технологичные (б) конструкции деталей

При наличии у литой детали выступающих наружу крепежных прили-

вов и бобышек рекомендуется следующее:

- близко расположенные приливы или бобышки необходимо объеди-

нять в один прилив (рис. 106);

- если деталь имеет внутренние полости, выполняемые с применением стержней, то выступающие наружу приливы и бобышки следует переносить внутрь детали;

- наличие приливов и бобышек не должно вызывать местных скоплений металла, для чего их высота не должна превышать толщины стенки, на кото- рой они расположены. При этом наименьшая высота бобышек назначается в зависимости от наибольшего габаритного размера детали. В табл. 44 приво- дятся рекомендуемые высоты бобышек.

Верхним (по положению при заливке) плоским поверхностям большой протяженности необходимо придавать при заливке некоторый наклон, в про- тивном случае поверхность будет плохого качества из-за наличия таких видов брака, как ужимины и газовые раковины.

Не следует допускать у литой детали двустороннюю механическую об- работку, при которой в стружку удаляется наиболее (рис. 107) прочный слой металла. Кроме того, при назначении припусков на обработку создается ме- стное скопление металла, что приводит к появлению усадочных раковин и трещин. Примеры правильного (б) и неправильного (а) назначения механиче-

ской обработки даны на рис. 107.

Рис. 106. Объединение бобышек или приливов

Рекомендуемые пределы высоты бобышек

Таблица 44

Наибольший габаритный размер детали, мм	до 500	500-2000	свыше 2000
Наименьшая высота обрабатываемой бобышки, мм

а б

Рис. 107. Примеры правильного и неправильного назначения механической обработки:

а – неправильно; б – правильно

Внутренние полости и отверстия в отливках. Внутренние полости от- ливок необходимо по возможности выполнять без применения стержней за счет выступающих частей формы – «болванов». При машинной формовке вы- ступающие части, расположенные в нижней опоке, и стоящие на своем осно- вании, могут иметь высоту Н, меньшую или равную размеру основания D (диаметру или диаметру вписанной окружности). Выступающие части верх- них опок, свешивающиеся вниз (подвесные болваны), могут иметь высоту h меньше или равную 0,3 размера своего основания D (рис. 108).

При ручной формовке вышеуказанные нормы рекомендуется умень-

шить до 50 %.

Конфигурация внутренних полостей должна быть по возможности про-

стой. При наличии сложных полостей стержни рекомендуется расчленять на более простые, обеспечивая удобство сборки стержня и надежность крепле- ния его частей. Желательно, чтобы целые стержни или части составных стержней могли быть изготовлены машинным способом. Стержни должны иметь размеры в сечении, позволяющие применять металлические каркасы для увеличения их прочности. Выходные отверстия для знаков стержня изго- тавливаются с размерами, достаточными для надежного крепления стержней. При малом их количестве предусматриваются дополнительные отверстия.

Рис. 108. Размеры выступающих частей опок

При наличии замкнутых полостей в отливке необходимо предусмотреть технологические отверстия для выхода знаковых частей стержня. Для закры- вания этих отверстий должны быть установлены соответствующие заглушки. Пример устройства дополнительного отверстия для выхода знака стержня приведен на рис. 109, б.

Дополнительное крепление стержней при помощи жеребеек (рис. 109, а) крайне нежелательно, так как жеребейки, заливаемые металлом, часто являются причиной брака отливок (газовые раковины, несваривае- мость).

Отверстия в отливках в значительной степени осложняют технологиче-

ский процесс, особенно если они имеют малый диаметр и большую глубину. Стержни для образования этих отверстий трудно изготовить и обеспечить их прочность.

Поверхность таких отверстий обычно имеет пригар, затрудняющий их дальнейшую обработку. Эти обстоятельства должны быть учтены при проек- тировании.

Размеры литых отверстий. Отверстия в отливках в значительной сте- пени осложняют технологический процесс. Стержни для выполнения отвер- стий малых диаметров трудно изготавливать и обеспечивать должную проч- ность. Кроме того, из таких отверстий трудно удалять пригар. Поэтому отвер- стия в отливках могут высверливаться, если диаметр их не превышает:

- при массовом производстве 20 мм;

- при серийном производстве 30 мм;

- при единичном производстве 50 мм.

а б

Рис. 109. Пример устройства жеребеек и дополнительных отверстий для выхода знака стержня:

а – дополнительное крепление стержней при помощи жеребеек;

б – дополнительное устройство отверстия для выхода знака стержня

Обрабатываемые отверстия некруглого сечения не выполняются в от- ливке, если диаметр вписанной окружности отвечает вышеприведенным нор- мам.

Размеры квадратных, прямоугольных и фигурных отверстий. Опреде- ление наименьших размеров указанных отверстий, выполняемых отливкой, производится по таблицам.

Припуски на механическую обработку отливаемых отверстий должны приниматься независимо от расположения отверстия.

Выполнение уступов и пазов. При наличии на детали уступов и пазов малого размера они должны выполняться механической обработкой. Выпол- нение их в отливке вызывает пригар и увеличивает количество стержней, не- обходимых к постановке в форму. На рис. 110 приводятся примеры выполне- ния их путем механической обработки, а не отливкой.

Толщина стенок отливок. У литых деталей толщину стенки необходи- мо назначать, учитывая требуемую расчетную прочность, а также жидкотеку- честь металла и возможность заполнения формы при назначенной толщине. Лимитирующим обычно является обеспечение необходимой прочности дета- ли. Поэтому толщина стенки назначается наименьшей, но обеспечивающей необходимую прочность и достаточной для заполнения формы. Всякое уве- личение толщины стенки приводит к замедлению скорости затвердевания ме- талла и неоднородности структуры. Следствием этого является снижение прочности детали.

Для выбора наименьшей толщины стенки отливки при литье в песчаные

формы, может быть использована табл. 45.

Рис. 110. Типы уступов (а, б, в, г, е) и пазов (ж, з)

Наименьшая толщина стенок отливок

Таблица 45

Материал	Наибольший размер детали, мм
до 500 (мелкие)	500-1500	свыше 1500 (крупные)
Чугун серый
Чугун ковкий			-
Сталь
Цветные сплавы			-

Наименьшую толщину стенки можно также определить расчетным пу-

тем по формуле

t L 4,

где t – толщина стенки, мм; L – наибольший габаритный размер детали, мм.

При выборе толщины стенки отливки необходимо учитывать, что, на- чиная с некоторой (критической) толщины, прочность увеличивается несо- размерно.

Сечениям стенок литых деталей рекомендуется придавать форму, обес- печивающую наименьшее торможение усадки. Наличие термического (нерав- номерность затвердевания и остывания) и механического (сопротивление формы) торможения усадки может приводить к короблению и трещинам.

Схемы возможных конструкций сечений стенок отливок приводятся на рис. 111.

Рис. 111. Схемы возможных конструкций сечений стенок отливок

Внутренние стенки у литой детали рекомендуется делать несколько тоньше (примерно на 20 %) внешних стенок. Стенки отливки должны быть по возможности, одинаковой толщины, что обеспечивает равномерное затверде- вание и остывание отливки, ее равномерное строение, предотвращает короб- ление и образование трещин. Допускается местное увеличение толщины стенки до 20 % при значительном удалении его от места подвода металла.

Сопряжения стенок, углы и переходы. При конструировании машино- строительных деталей часто приходится сопрягать стенки различной толщи- ны. У литых деталей для большей их надежности при сопряжении стенок, от- личающихся по толщине меньше чем вдвое, рекомендуется применять галте- ли (радиусы внутренних углов). Галтели обеспечивают плавный переход и предотвращают возникновение трещин из-за неравномерного затвердевания и остывания отливки (рис. 112).

Радиус галтели рекомендуется выбирать от 1/6 до 1/3 среднего арифме-

тического толщин сопрягаемых стенок:

r 1 1

6 3

a b.

2

По нормальному ряду радиусов выбирают ближайший: 1, 2, 5, 8, 10, 16,

20, 25, 40. По возможности все галтели должны быть одного радиуса. Если

толщины сопрягаемых стенок разные (вдвое и более), рекомендуется клино- вое сопряжение (рис. 113). При этом сопряжение может быть выполнено по вариантам 1 и 2.

Рис. 112. Сопряжение стенок различной толщины при помощи галтелей

Рис. 113. Пример клинового сопряжения стенок

Длину сопряжения L рекомендуется принимать:

- для чугуна и цветных сплавов L = 4×(а – b);

- для стали L = 5×(а – b).

При угловых сопряжениях стенок разной толщины с соотношением (а / b) < 2 для получения плавного перехода делают закругление с внешним ра- диусом R, равным толщине стенки (стенки большей толщины), и внутренним радиусом r в пределах от 1/6 до 1/3 среднего арифметического толщин сопря- гаемых стенок.

Такое сопряжение показано на рис. 114.

Оформление сопряжений стенок под острым углом – на рис. 115.

При соотношении толщин сопрягаемых стенок (а / b) > 2 переход необ-

ходимо оформить, как показано на рис. 116.

При этом с 3

а b; b с

а; для чугунного и цветного литья

h 4 c; для стального литья h 5 c.

В месте сопряжения стенок внутренний радиус закругления,

r 1 1

6 3

a b,

2

а наружный радиус закругления

R r a b.

Рис. 114. Пример углового сопряжения стенок

Рис. 115. Пример сопряжения стенок под острым углом

Рис. 116. Примеры сопряжения стенок

Сопряжение трех стенок осуществляется по вариантам 1, 2, и 3, как по-

казано на рис. 117.

Здесь при (а / b)<1,25; с = 0; при (а / b) = 1,25-2,0; с = а - b; при (а / b)>2;

с 3 а b.

Рис. 117. Примеры сопряжения трех стенок

Значение h для вариантов 1, 2 и 3 выбирают: для чугуна и цветных

сплавов

h 4 c; для стали h 5 c.

Радиус закругления

r 1 1

6 3

a b.

Для варианта 3 а = b + с; R = r + b + с.

Радиусы закруглений наружных углов отливок ≤ 3 мм.

При наличии у заданной детали более сложных сопряжении их техно-

логичность оценивают, используя специальные рекомендации по конструи-

рованию литых деталей.

Места скопления металла. У литых деталей, несмотря на стремление конструктора обеспечить равномерную толщину стенок, всегда имеются мес- та скопления металла – металлотермические узлы.

Эти узлы образуются в местах пересечений и сопряжении стенок; мес- тах расположения выступов, приливов и бобышек, а также за счет утолщения при назначении припусков на механическую обработку. Такие горячие узлы медленнее затвердевают, и в них вследствие недостаточного питания жидким металлом в процессе затвердевания образуются усадочные раковины и рых- лоты. Особенно нежелательно наличие термических узлов у отливок из спла- вов с повышенной усадкой.

В связи с тем, что обеспечить равномерное затвердевание отливки бы- вает затруднительно, на практике применяют так называемый принцип на- правленного затвердевания. При этом литую деталь необходимо так конст- руктивно оформить, расположить в форме и подвести к ней жидкий металл, чтобы затвердевание началось в тонких местах, постепенно распространяясь

на более толстые, и заканчиваясь в прибылях, установленных на самых мас-

сивных местах.

Направленность затвердевания отливки проверяется методом вписан- ных в сечение окружностей. При направленном затвердевании окружность, вписанная в тонкое сечение, должна, постепенно увеличиваясь, выкатываться из отливки в прибыль. Принцип направленного затвердевания иллюстрирует- ся рис. 118.

Рис. 118. Принцип направленного затвердевания

Здесь слева дана конструкция детали, не удовлетворяющая данному принципу, поэтому в местах скопления металла она поражена усадочными раковинами. Справа расположена реконструированная деталь, удовлетво- ряющая этому принципу.

При наличии у отливки мест скопления металла, которые трудно обес- печить дополнительным питанием за счет установки прибылей для равномер- ного или направленного затвердевания применяются внутренние или внеш- ние холодильники. Имеющиеся местные утолщения у отливок можно умень- шить, а для сохранения необходимой жесткости установить ребра жесткости. Толщина ребер жесткости на внешней поверхности отливки не должна пре- вышать 0,8, а внутренних ребер 0,6 толщины стенок.

Высота ребер не должна превышать пятикратной толщины стенок.

При наличии у литой детали мест, где могут возникать термические (неравномерность затвердевания и остывания) и усадочные (затрудненная усадка) напряжения, в ее конструкцию во избежание образования горячих трещин вводятся литейные ребра.

Сопряжения ребер жесткости и литейных ребер с сечением основного тела отливки не должны приводить к местным скоплениям металла, для чего такие места необходимо конструктивно облегчить, например, как показано на

рис. 119.

Ребра должны располагаться симметрично по контуру детали во избе- жание ее коробления. Литейные ребра обычно делают мелкими для легкого их удаления при обрубке отливки.

Рис. 119. Пример сопряжения ребер жесткости и литейных ребер с сечением тела отливки

Ребра жесткости. При конструировании литых деталей рекомендуется предусматривать ребра жесткости, которые позволяют уменьшить сечение отдельных элементов детали при сохранении необходимой прочности, сни- зить внутренние напряжения, предотвратить коробление и образование тре- щин. Толщина ребра жесткости должна быть не менее 0,8 толщины сопрягае- мой стенки.

Ребра следует располагать в шахматном порядке с шагом L более 2 S,

избегая крестообразных сопряжений (рис. 120).

Рис. 120. Расположение ребер жесткости

Форма ребра должна обеспечивать свободную деформацию при усадке металла (рис. 121).

Ребра жесткости рекомендуется располагать в плоскости разъема фор-

мы, и перпендикулярно к ней, во избежание отъемных частей (рис. 122).

В местах пересечения ребер не следует допускать утолщения сечений,

способствующих образования усадочных раковин и рыхлот (рис. 123, 124).

Рис. 121. Форма ребер

Рис. 122. Расположение ребер жесткости

Рис. 123. Сопряжение стенок отливки

Фланцы, бобылки, приливы. В местах сопряжения фланцев, бобышек

или приливов с основной стенкой детали не должно быть узких прорезей и острых углов. В этих случаях рекомендуется делать плавный переход (рис. 125)

Рис. 124. Сопряжение стенок отливки

Рис. 125. Сопряжение бобышек с основной стенкой

В случае, когда опорная поверхность под болты гайки может быть по- лучена фрезерованием или зенкованием, специальные приливы делать не ре- комендуется (рис. 126).

Обрабатываемую поверхность установочных плоскостей следует огра- ничивать до минимума, предусматривая лишь обработку специальных участ- ков (рис. 127).

В целях упрощения механической обработки деталей, обрабатываемые поверхности бобышек и приливов следует располагать на одном уровне (рис. 128).

Особенности конструирования литых деталей из цветных сплавов. В связи с идентичностью значений величин линейной и объемной усадок серого чугуна и оловянных бронз правила конструирования отливок из этих сплавов

аналогичны.

Основные требования к конструкции детали из оловянных бронз: ми- нимальная толщина стенок; минимальное количество обрабатываемых по- верхностей с минимальной величиной припуска на механическую обработку; максимальное сокращение местных утолщений и плавные сопряжения сте- нок; толщина фланцев должна быть меньше двойной толщины тела детали; выступающие части крупных деталей необходимо укреплять небольшими тонкими ребрами жесткости во избежание образования трещин при остыва- нии.

Рис. 126. Опорная поверхность под болты и гайки

Рис. 127. Конструирование литых деталей с обрабатываемыми поверхностями

Рис. 128. Конструирование бобышек и приливов с обрабатываемыми поверхностями

Безоловянные бронзы и латуни обладают большой линейной и объем-

ной усадкой, что определяет близость конструкции деталей, отливаем из этих

сплавов, к литым стальным конструкциям. Они требуют устранения узлов металла, наличия плавных переходов, удобных площадок для установки при- былей.

В некоторых случаях необходимо вводить в конструкцию отливок спе- циальные ребра, позволяющие питать несколько утолщенных мест от одной общей прибыли. Эти питающие ребра должны иметь толщину g, равную 2-3 толщинам тела. На рис. 129 изображена конструкция литых деталей с питаю- щими ребрами.

Рис. 129.

Толщина стенки детали должна быть не менее 5 мм. Наиболее плотный металл получается при изготовлении отливок в металлических формах.

Подавляющее большинство алюминиевых сплавов имеет повышенную линейную и объемную усадку, что сближает правила конструирования литых деталей из этих сплавов с правилами конструирования стальных литых дета- лей.

Усадка алюминиевых сплавов составляет 1,2-1,4 %. Исключением явля-

ется сплав с содержанием 12 % кремния, усадка которого 1,1 %.

С увеличением толщины стенок отливки снижаются механические свойства алюминиевых сплавов, поэтому детали должны иметь минимальную толщину стенок.

Применение питающих ребер недопустимо; ребра жесткости должны иметь минимальные сечения, чтобы они не являлись источником пористости.

Припуски на механическую обработку назначать минимальными. Уста-

новка жеребеек в формы не рекомендуется.

Особенности конструирования деталей из износостойких сплавов. Особенностью износостойких сплавов является значительная хрупкость, склонность к образованию горячих и холодных трещин, большая усадка и ма- лая теплопроводность.

В связи с этим к конструкции литых деталей предъявляются следующие требования: создание условий направленного затвердевания и хорошего пи- тания отливок; равномерная толщина стенок отливки и отсутствие термиче- ских узлов; плавные переходы от одного сечения к другому; минимальные припуски на механическую обработку.

Контрольные вопросы.

1. Как выполняют угловые сопряжения?

2. По каким правилам проектируют внешние контуры отливки?

3. Как проверяется направленность затвердевания?

4. Как проектируют внутренние контуры отливки?

5. Уступы и пазы в отливках, рекомендации по их применению.

6. Для чего предусматривают ребра жесткости при конструировании литых деталей?

7. Как следует располагать бобышки и приливы при конструировании деталей?

8. Почему местам скопления металла необходимо дополнительное пи-

тание?

9. Что учитывают, назначая толщину стенки детали?

10.Что такое «болваны»?

11.В чем заключается правило световых теней?

Дата добавления: 2014-01-07