Отливки, формуемые без применения стержней

Открытые отливки целесообразно формо­вать по моделям без применения стержней. В этом случае модели придают конфигура­цию, точно соответствующую форме изделия. Непременное условие применения этого способа состоит в том, чтобы на внутренней поверхности детали не было подрезок.

На рис. 44 приведены примеры перевода типовых деталей на бесстержневую формовку.

Требования упрощения и удешевления производ­ства не всегда совпадают с требованиями прочности и жесткости детали и удобства эксплуатации.

Стержни

При конструировании внутренних полостей следует придавать стержню конфигурацию, обеспечивающую свободное его извлечение из стержневого ящика.

Рис. 44. Стержневая и бесстержневая формовка:
а, 6 – крышка; в, г – кронштейн; д, е –рычаг; ж, з – корпус; и, к – переходник; л, м – ротор; н, о – корпус подшипника

Конфигурация внутренних полостей должна допускать свободную установку стержней в форме. При конструировании внутренних полостей следует обеспечивать выход газов, выделяю­щихся из стержней при заливке металла.

Тонкие стержни для увеличения прочности обычно армируют проволочным каркасом. Необходимость извлечения каркаса при удале­нии стержня ограничивает минимальное сече­ние стержня и требует продуманного располо­жения окон.

Толщина стержня, армированного проволо­кой, для отливок небольшого и среднего раз­меров должна быть не меньше 6-8 мм. В местных перемычках допустимо утоньшение стержня до 5 мм.

При конструировании деталей с нескольки­ми стержнями примерно одинаковой конфигу­рации рекомендуется унифицировать стержни, добиваясь сокращения их номенклатуры.

В отливках с открытыми нижними полостя­ми стержни устанавливают основанием в ниж­ней опоке. Стержни, формирующие верхние полости, подвешивают в верхней опо­ке за обратный конус или с помощью проволоки, укрепляемой на брусе, опирающемся на верхнюю опоку. Целесообразнее опирать верхний стержень на нижний через окно в горизонтальной стенке отливки (вид г).

В закрытых полостях стержни крепят на знаках, представляющих собой отформо­ванные заодно со стержнем выступы, устанав­ливаемые в гнездах, образованных в форме со­ответствующими выступами на модели. Знаки выполняют цилиндрическими или коническими. Последние обес­печивают более точную установку стержня в поперечном направлении, но осевая фикса­ция получается менее определенной, чем при цилиндрических знаках, упирающихся в гнезда формы торцами.

Обычно для крепления знаков используют имеющиеся на детали отверстия. В отливках с замкнутыми внутренними полостями стерж­ни крепят с помощью специальных знаков, вы­водимых через отверстия в стенках отливки. В готовом изделии отверстия могут оставаться открытыми, если это допустимо по функ­циональному назначению детали. Отверстия, портящие внешний вид детали, а также отвер­стия полостей, которые должны быть герме­тичны, заглушают.

Для повышения устойчивости крепления и облегчения выбивки стержней отверстиям под знаки следует придавать максимальные размеры, допустимые без существенного ослабления детали и без ущерба для ее внеш­него вида.

Расположение знака должно обеспечивать устойчивую и по возможности точную уста­новку стержня во всех трех измерениях. Креп­ление должно быть достаточно прочным для того, чтобы выдержать вес стержня, а при за­ливке противостоять динамическому действию потока металла и гидростатических сил, вызы­вающих всплывание стержня вследствие раз­личия удельных весов жидкого металла и ма­териала стержня. Практически наибольшее значение имеет гидростатическая сила.

Для предотвращения всплывания необходи­мо располагать знаки с упором в верхнюю часть формы. Недопустимо консольное крепление стерж­ней с большим вылетом консоли относитель­но точки крепления,так как гидростатические силы вызывают выворачива­ние стержня из гнезда.

Формовочные уклоны

Для облегчения выемки модели из формы поверхностям, перпендикулярным к плоскости разъема, придают формовочные (ли­тейные) уклоны.

В табл. 11 приведены стандартные уклоны в зависимости от высоты h поверхности над плоскостью разъема и соответствующее попе­речное смещение крайних точек поверхности .

Таблица 11

Высота над поверхностью разъема h, мм	Угол наклона стенки a	Уклон (tga)	h tga, мм	Высота над поверхностью разъема h, мм	Угол наклона стенки a	Уклон (tga)	h tga, мм
До 20 20-50 50-100 100-200	3° 1°30' 1° 45'	0,052 0,026 0,0175 0,013	До 1 0,5-1,25 0,9-1,8 1,3-2,6	200-800 800-2000 Более 2000	30' 20' 15'	0,010 0,006 0,004	2-8 5-12 Более 8

Величину стандартных уклонов на чертежах не проставляют, и детали вычерчивают без уклонов. Однако уклоны следует учитывать, особенно при конструировании деталей, имею­щих большую высоту (в направлении, перпен­дикулярном к плоскости разъема).

На чертежах крупногабаритных отливок це­лесообразно указывать уклон или предпочти­тельнее предусматривать конструктив­ные уклоны, превышающие формовочные уклоны. Придерживаться стандартных кон­структивных уклонов необязательно.

Усадка

Усадкой называют сокращение размеров от­ливки при остывании. Усадка является одним из основных показа­телей литейных качеств материала и наряду с другими свойствами (жидкотекучесть, те­плоемкость, теплопроводность, окисляемость, склонность к образованию ликватов) опреде­ляет пригодность металла к литью. Чем меньше усадка, тем больше точность размеров отливки и тем меньше опасность по­явления усадочных напряжений, раковин, тре­щин и коробления отливки.

Фактическая усадка зависит от сопротивления, оказываемого внутренними частями формы сокращению размеров отлив­ки. При жестких стержнях усадка может уменьшиться на 30 – 50% по сравнению со свободной усадкой, но при этом в стенках отливки возникают повы­шенные усадочные напряжения.

Усадку учитывают корректировкой разме­ров формы.

Внутренние напряжения

Внутренние напряжения возникают в стен­ках отливки, усадка которых тормозится со­противлением элементов формы или действием смежных стенок. Усадочные раковины и пори­стость появляются в частях отливки, засты­вающих в последнюю очередь,– в утолщениях и массивах, теплоотвод от которых затруднен.

Повышенные внутренние напряжения вызы­вают коробление отливки и могут привести к образованию трещин.

Со временем внутренние напряжения пере­распределяются и частично рассеиваются в ре­зультате медленно протекающих диффу­зионных процессов (естественное ста­рение). Через длительный промежуток вре­мени (2 – 3 года) деталь меняет первоначаль­ную форму, что недопустимо для точных машин (например, металлорежущих станков).

Первопричиной усадочных напряжений яв­ляется различие температур стенок. На этом основан способ одновременного затвердевания. Обеспечивая равномерное остывание отливки, при котором температура стенок в каждый данный момент одинакова, можно получить отливку, свободную от усадочных напряжений.

Одновременное затвердевание

При проектировании отливок по принципу одновременного затвердевания нужно придерживаться следующих правил:

­ стенки отливки должны иметь по воз­можности равномерную толщину;

­ элементам отливки, остывающим в усло­виях пониженной теплоотдачи (внутренние стенки), следует для ускорения затвердевания уменьшать сечения;

­ переходы между стенками различной тол­щины должны быть плавными;

­ стенки отливки не должны иметь резких переходов; при изменении направления стенки должны быть соединены плавными перехо­дами:

­ нужно избегать местных скоплений ме­талла и массивов;

­ участки соединения стенок с массивами целесообразно выполнять с пологим утолще­нием по направлению к массивам или усили­вать ребрами.

Целесообразно увеличивать податливость отливки в направлении усадочных деформаций путем придания стенкам сводчатых форм, вве­дения тепловых буферов и др.

Технологически равномерность остывания обеспечивают активным управлением ско­ростью охлаждения. Массивные отливки, а также участки с ухудшенным теплоотводом охлаждают с помощью металлических холо­дильников, вставок из теплопроводных фор­мовочных составов (смеси с хромистым желез­няком, магнезитом и др.).

Образование усадочных раковин и пористо­сти в массивных участках предупреждают пи­танием поздно застывающих узлов жидким металлом (установка питающих бобышек, до­полнительных литников и выпоров, введение прибылей).

Торможение усадки внутренними элемента­ми формы устраняют, применяя податливые формовочные смеси, пористые, ячеистые и по­лые стержни.

Остаточные напряжения устраняют стабили­зирующей термической обработкой. Чугунные отливки подвергают искусственному старению (выдержка 5-6 ч при 500-550°С с последующим медленным охлаждением в пе­чи). Перед старением производят обдирку отли­вок. Окончательную механическую обработку производят после старения.

Детали, подвергнутые искусственному старе­нию, практически не меняют своих размеров в эксплуатации.

Эффективный способ устранения внутренних на­пряжений, а также общего повышения качества от­ливки состоит в контролируемом охла­ждении отливки. Металл заливают в подогретые формы. После затвердевания (точка солидуса) форму медленно охлаждают, давая выдержки при темпера­турах фазовых превращений, когда происходят на­ибольшие изменения объема, а также при температу­рах перехода из пластического состояния в упругое.

Этот способ устраняет первоисточник усадочных напряжений, так как в каждый данный момент тем­пература всех частей отливок одинакова. Напряже­ния, обусловленные торможением формы, предот­вращают, применяя податливые стержни.

Нагревом формы перед заливкой удаляется из фор­мовочной смеси влага, пары и газы, которые при за­ливке в холодные формы вызывают паровые и га­зовые раковины и пористость.

Стоимость такого процесса немногим превышает стоимость литья обычным способом с последующей стабилизирующей термообработкой.

Направленное затвердевание

Для отливки деталей из сплавов с пони­женными литейными качествами применяют способ направленного затвердева­ния. Стенкам придают сечения, прогрессивно увеличивающиеся кверху. За­твердевание идет снизу вверх; нижние сечения по мере затвердевания питаются жидким ме­таллом из расположенных выше сечений; верхние сечения, застывающие в последнюю очередь, питаются из массивных прибылей, располагаемых сверху отливки. Поперечные стенки делают наклонными, расширяющимися кверху, и соединяют со смежными стенками плавными галтелями. Усадочная раковина со­средоточивается в прибыли. В прибыль уходят неметаллические включения, шлаки, плены, за-соры.

Недостатки способа направленного затвер­девания:

1) утяжеление отливки в результате расширения стенок кверху (недостаток, особенно выраженный у отливок большой высоты);

2) увеличенный расход металла;

3) усложнение формовки из-за наличия прибылей;

4) затруднительность удаления прибылей.

Правила конструирования

Для одновременного затвердевания толщину внутренних стенок рекомендуется делать рав­ной примерно 0,8S (где S – толщина наружных стенок). Переходы от стенки к стенке следует выпол­нять с галтелями. Во всех случаях, когда позволяет конструк­ция, целесообразно применять максимальные радиусы переходов, допускаемые конфигура­цией детали.

В конструкции литых деталей следует избе­гать местных скоплений металла, утолщений, массивов, образующих горячие узлы. Проекти­руя отливку, нужно тщательно просмотреть все места скопления материала с учетом припусков на механическую обработку, которые суще­ственно влияют на распределение металла. На участках, где массивы неизбежны, сле­дует технологически обеспечивать ускоренное охлаждение.

Форма отливки должна облегчать усадку. Сводчатые, арочные, выпуклые, скорлупные формы уменьшают усадочные напряжения, улучшают условия отливки и увеличивают прочность деталей вследствие увеличения мо­ментов сопротивления сечений. Повышается жесткость конструкций, что особенно важно для отливки из сплавов с низким модулем упругости (серые чугуны, легкие сплавы).

Форма отливки должна обеспечивать всплывание неметаллических включений и выход га­зов, выделяющихся при остывании отливки в результате понижения растворимости газов в металле с уменьшением его температуры.

Внешние обводы литых деталей рекоменду­ется снабжать рантами (литейными окантовками, рис. 45, а, б) с целью увеличения жесткости, повышения равномер­ности застывания и (у чугунных отливок) пред­отвращения отбела чугуна.

У стыкуемых по торцам деталей (в) ранты способствуют равномерному распреде­лению сил затяжки. При наличии рантов легче зачистить неровности и уступы, образующиеся на стыках вследствие неточности литья, и до­биться совпадения наружных контуров стыков.

Как правило, следует снабжать окантовками облегчающие и технологические отверстия в стенках (г, д)для повышения прочности и улучшения условий охлаждения отливки. Ориентировочные размеры рантов приве­дены на видах а, г.

Следует избегать выполнения в отливках от­верстий малого диаметра и большой длины.

Такие отверстия следует сверлить. Длинные отверстия (типа масляных каналов) лучше выполнять сверлением, заливкой трубок или заменять их трубчатыми съемными магистралями.

Рис. 45. Окантовка кромок

Конфигурация литых масляных каналов и маслосодержащих полостей должна допускать полную очистку поверхностей от литей­ного пригара, песка и прочих засорений.

Для увеличения жесткости и прочности литых деталей и как средство улучшения от­ливки применяют оребрение. Целесообразное расположение ребер позволяет улучшить пита­ние элементов отливок и предупредить воз­никновение усадочных раковин и внутренних напряжений.

У верхушки ребер обязательны галтели ра­диусом не менее 1 мм. Основание ребер соединяют со стенкой галтелями.

Если ребро затвердевает при от­ливке позднее, чем стенка (как нередко бывает в случае внутренних ребер), то при усадке (на­правление усадки показано на рисунке штри­ховыми стрелками) в нем возникают напряже­ния растяжения (сплошные стрелки). Если ребро, напротив, затвердевает раньше, то в нем возникают благоприятные для проч­ности напряжения сжатия. Более быстрое остывание достигается уменьшением толщины ребер.

Ребрам следует придавать наиболее простые формы. Вогнутые ребра нецелесооб­разны по прочности; при работе на изгиб и растяжение в них возникают высокие напряже­ния, пропорциональные степени вогнутости. Ребра выпуклого профиля некрасивы и утяжеляют деталь. Лучше всего применять прямолинейные ребра, наиболее проч­ные при работе на растяжение-сжатие и изгиб.

В деталях, работающих на изгиб, рекомен­дуется избегать соединения ребра со стенкой в плоскости, где изгибающий момент имеет большую величину, так как момент сопротивления сечения в плоскости слияния ребра со стенкой понижен. Лучше подводить ребра до края детали (в область наименьших значений изгибающего момента), присоединяя их к поясам жесткости.

Во избежание ослабления следует не приме­нять механическую обработку ребер. Следует предупреждать возможность под­резки ребер, примыкающих к поверхностям, подвергаемым механической обработке. Ребра должны быть расположены ниже обрабатываемой поверхности на 3-6 мм. Не рекомендуется выводить ребра на не­обрабатываемую поверхность фланцев, так как на участках слияния ребер за­трудняется формовка. Целесообразно распола­гать ребра ниже необрабатываемых поверхно­стей на величину, равную радиусу закругле­ния фланцев (вид 17).

Участки перехода ребер в тело детали следует выполнять радиусами не менее 3-6 мм.

Как правило, ребра следует подводить к уз­лам жесткости – участкам изменения направ­ления стенок и крепежным узлам.

При двустороннем оребрении реко­мендуется во избежание местных скоплений металла, а также для уменьшения усадочных напряжений располагать ребра в шахматном порядке.

Нанесение размеров

Нанесение размеров на чертежах литых де­талей должно отражать расположение ли­тейных баз и баз механической обработки, а также учитывать отклонения размеров.

Основные правила нанесения размеров литых деталей следующие:

­ необрабатываемые поверхности следует привязывать к литейной черновой базе непос­редственно или с помощью других размеров;

­ исходную базу механической обработки следует привязать к черновой литейной базе; все остальные размеры механически обра­батываемых поверхностей – к базе механиче­ской обработки непосредственно или с по­мощью других размеров.

Привязывать литейные размеры к размерам механически обрабатываемых поверхностей и наоборот недопустимо, за исключением слу­чая, когда литейная база и база механической обработки совпадают (осевые базы).

Рис. 46. Нанесение раз­меров на литой детали

На рис. 46 приведены варианты нанесения раз­меров литой детали. Нанесение размеров по виду а неверно. Расстояние между обрабатываемыми пло­скостями, привязанными к черным поверхностям суммой размеров 15, 175 и 10 мм, в данном случае колеблется в широких пределах вместе с колеба­ниями размеров черных поверхностей.

Такая же ошибка допущена в конструкции б, где расстояние между обрабатываемыми поверхностями задано суммой размеров 185 и 15 мм.

При нанесении размеров по виду в расстояние между обрабатываемыми плоскостями (200 мм) вы­держивается в необходимых узких пределах (в пре­делах допуска на механическую обработку). Ошибка заключается в том, что черные поверхности привя­заны к смежным обрабатываемым плоскостям (раз­меры 15 и 10 мм). Выдержать такую координацию практически невозможно; положение черных поверх­ностей колеблется в пределах точности литья, а с ни­ми колеблется и расстояние до обрабатываемых плоскостей,

На виде г ошибка усугублена тем, что толщина верхней горизонтальной стенки (заданная в предыду­щих случаях непосредственно размером 5 мм) опре­делена высотой внутренней полости, заданной отно­сительно обрабатываемой нижней плоскости (размер 185 мм). Таким образом, вводится еще один источ­ник неточности. Толщина стенки будет колебаться в широких пределах.

В системе нанесения размеров по виду д положе­ние нижней обрабатываемой плоскости задано дву­мя размерами – от верхней черной поверхности де­тали (размер 190 мм) и от верхней черной поверхно­сти фланца (размер 15 мм). Выдержать такую координацию практически невозможно.

На виде е показана правильная система. В каче­стве черновой базы выбрана верхняя, необрабаты­ваемая поверхность фланца. К ней размером 15 мм привязана база механической обработки (нижняя плоскость фланца). К базе механической обработки привязана обрабатываемая верхняя плоскость (раз­мер 200 мм). Верхняя черная поверхность координи­руется от литейной базы (размер 175 мм) и от нее – толщина верхней стенки (размер 5 мм).

Расстояние к между верхней обрабатываемой пло­скостью и верхней черной стенкой становится замы­кающим звеном размерной цепи и служит компен­сатором отклонений расположения поверхностей, получаемых литьем. Поскольку величина к на чер­теже не оговорена, ее не принимают в расчет при контроле детали. Разумеется, номинальное значение к должно быть больше максимально возможною смещения верхней стенки в результате неточности литья.

Примеры неправильного и правильного на­несения размеров на литых деталях приведены на рис. 47 (неправильно нанесенные раз­меры заключены в прямоугольные рамки)

Рис. 47. Нанесение размеров на литых деталях

 

 

Таблица 10