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 (табл. 16.9). 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 (см. §16.1) и многие другие (см. табл. 16.9). 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_y=V/m, (16.1) 5, мм

1 „,•-

16 12

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

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 к, и Рис. 16.1. Определение минимальной толщины стенки отливки по ее приведен­ному габаритному размеру при литье в песчаные формы: / — сплавы Си, 2 — сплавы А1 и Mg

Конструкция отливки тем техно­логически рациональнее, чем меньше коэффициент ее габаритности. Влия­ние способа литья на технологичность и качество отливки рассмотрено в гл. 12—15. Взаимосвязь способа обра­ботки резанием с формой заготовки (в том числе отливки) освещена в разд. 5. Основные методы контроля приведе­ны в гл. 30. В данном параграфе рас­сматриваются методы обеспечения оптимальной геометрии отливки и ее элементов.

Расчет оптимальной толщины стенок отливок. При конструирова­нии литых деталей оптимальная толщина стенок вычисляется на основе прочностных расчетов. При литье в песчаные формы минимальную толщину 8 стенки отливки определяют по диаграммам (рис. 16.1) как функцию ее приве­денного габаритного размера:

K = (2! + b + h)/3,

(16.2)

где /, Ъ и h — соответственно длина, ширина и высота отливки, м; при К > 3 8 > 20 мм.

Диапазоны минимальных толщин стенок отливок, получаемых специ­альными способами литья, приведены в табл, 16.10, при этом меньшие зна­чения минимальной толщины стенки соответствуют площади поверхности отливки в диапазоне 2,510~³—1-Ю"² м², а максимальные — 5-10"²—0,1 м².

Отливки из медных сплавов имеют в 1,1—1,5 раза меньшую толщину стенок по сравнению с аналогичными отливками из сплавов на основе титана и никеля. Это обусловлено худшей жидкотекучестью титановых и никелевых сплавов. Поскольку внутренние стенки отливки охлаждаются более медлен­но, чем внешние, то толщина внутренних стенок составляет 0,8—0,9 толщи­ны наружных.

При литье под давлением мелкие отливки (размеры поверхности 9-10"⁶— 2,25-10 м) из алюминиевых и цинковых сплавов могут иметь более тонкие стенки (0,15—0,5 мм) по сравнению с размерами, приведенными в табл. 16.10. Данный метод литья не позволяет иметь толщину стенок отливки больше 5 мм из-за опасности возникновения в них воздушных включений и усадочных пустот.

Таблица 16.9. Показатели технологичности конструкции литой детали

Объект оценки	Критерий оценки	Показатель технологичности
Конструкция отливки	Компактность и оптимальная геометрия от­ливки	Наличие простых геометрических форм. Минимально возможные габариты. Минимально допустимая толщина стенок. Проектирование открытых внутренних полостей или соединение смежных полостей окнами. Конструирование отливок с учетом правила вписан­ных окружностей
Сплав	Свойства спла­ва	Физико-химические: температуры плавления и поли­морфного превращения, модуль упругости, химиче­ский и фазовый состав и др. Технологические: литейные (жидкотекучесть, усадка, ликвация), свариваемость, обрабатываемость резани­ем и др. Специальные (эксплуатационные): износостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и др.
Термическая обработка	Возможность проведения упрочняющей термической обработки
Способ литья	Характеристи­ка способа литья	Габаритные размеры отливки. Сложность формы отливки. Применимость для различных сплавов. Длительность технологического цикла. Коэффициент использования металла (КИМ). Стоимость оснастки. Возможные дефекты литья. Производительность. Преобладающие типы серийности производства
Обеспечение качества от­ливки	Точность размеров и массы отливок. Качество (шероховатость) поверхности отливок. Минимальная толщина стенки отливки. Величина припуска на механическую обработку от­ливок. Гарантированные плотность, структура и механиче­ские свойства отливок
Обработка резанием	Состав сплава	Взаимодействие обрабатываемого сплава с инструмен­том (налипание) и окружающей средой (окисление). Режим резания
Форма отливки	Расположение отверстий, приливов и баз для механи­ческой обработки. Допустимая последовательность обработки. Коэффициент необработанной поверхности (КНП).

Продолжение табл 16.9

Объект оценки	Критерий оценки	Показатель технологичности
Методы кон­троля каче­ства отливок	Неразрушаю-щие методы.	Измерение твердости. Анализ макроструктуры. Люминесцентный и рентгеновский (просвечиваю­щий) анализ. Контроль размеров детали после обработки резанием
Разрушающие * методы	Определение химического и фазового составов от­ливки. Определение механических свойств.

* Контроль осуществляется на образцах.

Таблица 16.10. Влияние способа литья и состава сплава на диапазон минимальных толщин стенок отливок

Способ литья	Сплавы на основе
А1	Mg	Си	Sn—Pb	Zn
Минимальная толщина стенок отливок, мм
В оболочковые формы В кокиль По выплавляемым моделям Под давлением	2,5—7 3—12 1,5—3,5 1—4	2,5—6 3—12 1,8—3,5 1,3-4	2,5—6 4—12 1,8-4 1,5—3,5	1,5-4 1,5-4 1,2—3	2—5 3—8 1—3 0,8—3

Если в тонкостенных отливках снижается жесткость, то в них необхо­димо предусматривать специальные ребра жесткости и перегородки.

рйшзг

Выполнение сопряжений н переходов. 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 (рис. 16.2), 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 радиусом г (рис. 16.2, а).

Сопряжение же стенок с толщинами, отличаю- „,,, „

^г ' Рис. 16.2. Виды сопряжения

щимися друг от друга более чем в 2 раза, вы- _{даух стешк различной тол}.

полняют в виде клина с галтелями (рис. 16.2, б). _ЩИНы:

У отливок из чугуна и легких цветных металлов _а — 8 / 51 < 2, б—8 /81 > 2

, г	> (/>	Хс*4
			^х4
к
Н	2s^co-
б		' в

Рис. 16.3. Формы углового сопряжения:

a —5i <5< 1_>256|,о>75°_>Л = г + 8;б —8>l,255i,

о > 75°, Л = г + 6, +А;в — 5, «5«1,255ь о < 75°,

длина переходной части / >

> 4(5 - 5i), а у отливок из стали и медных сплавов / >

> 5(6 - 5,); радиусы R = (6 + + 5,)/2иг = (6 + 5,)/4.

Правила выполнения угловых и тавровых сопря­жении приведены соответст­венно на рис. 16.3 и 16.4. Величины h и / определяют по табл. 16.11.

т	аблица 16.11. Определение значений А и/ в зависимости от5/5]
6/6,	<1Д5	1,25—1,8	1,8—2,5	>2,5
h		5-5,	0,8(5-5,)	0,7(5-5,)
1	/ > 5Л (стали и Си-сплавы); / > 4А (чугуны и А1, Mg-сплавы)

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. Выбранный радиус закругления сравнивают со значениями ряда чисел (согласно ГОСТ 10948—64), т. е. 1, 2, 3, 5, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40 и прини­мают равным ближайшему числу. В одной отливке рекомендуется иметь минимальное число значений радиусов.

Требования к пересечениям ребер жесткости и стенок отливок. Не­обходимые для упрочнения конструкции ребра жесткости вызывают местные

ФЕ

3)

V.

Ж

Рис 16.4. Формы таврового сопряжения:

а — Si < 5 < 1,256), 75° < а < 105°; б — 6> 1,258|, 75° < о< 105°; е-

б, < 6 * 1,256|, а < 75°, Л = г+8

гъл

ш

у^

ги

LrU

Рис. 16.5. Шахматное (а) и кольцевое (б) пересечения ребер и перегородок (N > 26, rf = 45)

скопления металла, приводящие к образованию усадочных дефектов. Разгрузку узлов скопления металла в данном случае осуществляют при­менением различного типа сопря­жений, в том числе шахматного и кольцевого пересечений ребер (рис. 16.5, а, б). Так, при пересечении в одной линии нескольких ребер де­лают центральное кольцевое ребро, к которому затем присоединяют ра­диальные ребра (рис. 16.5, б).

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 (рис. 16.6). Предупредить образование уса­дочных раковин из-за местного скопления металла можно также путем вы­равнивания толщин стенок (рис. 16.7), формирования в отливках специаль­ных полостей, пазов (рис. 16.8), 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. Зависи­мость между диаметром отверстий в отливках, получаемых литьем под давлением, и их макси­мальной глубиной представлена в табл. 16.12.

а 6

Таблица 16.12

Тип отверстия	Диаметр отверстия, мм
«3	>3
Глубина отверстия, мм
Глухие	2d	3d
Сквозные	3d	\d

Рнс. 16.6. Конструирование отливки без учета (а) и с уче­том (б) правила вписанных окружностей:

1 — прибыль; 2 — контрольные окружности; 3 — усадочная ра­ковина

Выполнение надписей на отливках.

Надписи на наружных и внутренних поверх­ностях отливок получают в процессе литья. Наиболее оптимальным (исходя из экономич­ности технологического процесса и обеспече­ния долговечности надписей) является способ

Рнс. 16.7. Разновидности конструкции отливки: а — с разнотолщинными стен­ками (с местным скоплением металла); б — с выровненными по толщине стен­ками (без местного скопления металла)

Рис. 16.8. Паз в литой детали (й < 2Ь при Ь> 1 мм)

формирования буквенных обозначений на отливке с выпуклым выступаю­щим шрифтом (рис. 16.9, а). Надписи также можно размещать в углублениях (рис. 16.9, б), если выступающие надписи по каким-либо причинам не допус­каются. Самым трудоемким является исполнение надписей заглубленным шрифтом (рис. 16.9, в).

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:

Наибольший размер отливки, мм......... До 125 250—500 750—1000 1500—2000

Минимальная ширина перемычки, мм 30 40 75 100

Соотношение размеров толщин стенок отливки и буртиков при специ­альных методах литья показано на рис. 16.10.

При литье в кокиль, под давлением и в керамические формы, изготовленные по выплавляемым моделям, высота выступа (или бобышки) h = (4 — €)d или h > 2,58 (рис. 16.11, а, б). При этом толщина стенки выступа зависит от толщины сгенки отливки: 8, = (1 -1,5)8, В = 2,25d.

Форма отверстий в отливках (наличие скругленных кромок, бобышек) су­щественно влияет на их прочность. Так, например, прочность стенки с отверсти­ем, представленной на рис. 16.10, б, равна 80% от прочности той же стенки без отверстия, принятой за 100%. Если же в данном отверстии дополнительно скруглить кромки, то прочность этой стенки с отвер-

,, „ „, _ стаем возрастет с 80 до 89%.

Рис. 16.9. Вариант шрифтов для букве 1-,

,. ^г - Уклоны (конусность) на

ных обозначении на литых деталях: \ з г

а - выпуклый, выступающий, б - выпуклый, отливках необходимы для об-рясположенный в углублении, в — заглубленный легчения съема полуформ. Их

шШ w™

Рис. 16.10. Влияние места расположения буртиков и отверстий в отливке на соот­ношение их размеров: а — на торце цилиндра, бив — двусто­роннее (б) и одностороннее (в) расположе­ние на плоской стенке

Рис. 16.11. Варианты расположения в отливке различных по форме вы­ступов (бобышек) с отверстиями: а — на плоской стенке, б — в углу

выполняют путем увеличения, уменьшения или одновременного уменьшения
и увеличения толщины стенки отливки (рис. 16.12, а—в). Уклоны задают в
градусах, миллиметрах или процентах от толщины h вертикальной стенки
отливки. Например, при литье в кокиль наружные уклоны а для сплавов
цветных металлов составляют 1—2,5% от h, а внутренние — 3—7%. Литей­
ные уклоны отливок, получаемых литьем под давлением, обычно составляют а =
10—30' для наружных поверхностей и а = 30'—2° для внутренних. В зависи­
мости от толщины вертикальной стенки уклоны для необрабатываемых по­
верхностей можно давать как «в плюс» (при толщине стенки до 3 мм), «в
плюс-минус» (при h = 3—6 мм), так и
«в минус» (при h > 6 мм). После ме­
ханической обработки вертикальных
стенок уклоны всегда дают «в плюс».
Анализ влияния конструкцион­
ных показателей на технологичность
и свойства литой детали позволяет
сделать некоторые выводы. ^Рис- ¹⁶-12- Варианты уклонов (конусно-

Компактность и оптимальная ге- ^ст^ ^{на отливках:}

~.._л™„„ „^„._га.„,______ „„._л__ „__ „„™ ^а — «^в плюс», б — «в минус»; в — «в плюс-

ометрия отливки достигаются прежде _MlfHVC>)

всего уменьшением габаритов отливки. Это позволяет использовать оснастку меньших размеров и менее мощное оборудование.

Более простая конфигурация (геометрическая форма) отливки способст­вует повышению ее точности. С другой стороны, чем проще геометрическая форма отливки, тем меньше стоимость модельной оснастки и общая трудо­емкость процесса литья. Расчленение конструкции отливки на отдельные более простые сборные элементы создает новые возможности для механиза­ции и автоматизации производства.

Конструирование отливок с учетом правила вписанных окружностей способствует направленному затвердеванию отливки и тем самым уменьше­нию опасности образования усадочных и шлаковых раковин.

С уменьшением необходимой толщины стенок отливки снижается веро­ятность возникновения в ней недоливов, спаев и раковин. Выравнивание толщины стенок с устранением местных утолщений, плавный переход от одних толщин к другим с помощью сопряжений и галтелей, повышение же­сткости конструкции отливки созданием угловых ребер — все это способст­вует уменьшению внутренних напряжений, а следовательно, и вероятности возникновения коробления, трещин и усадочной пористости. В то же время замена в литой детали горизонтальных поверхностей наклонными снижает возможность возникновения в ней газовых, песчаных и шлаковых раковин.

Размещение базовой поверхности в одной части формы (лучше — в нижней) способствует повышению точности отливки.

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