Технологичность конструкций литых деталей

Таблица 3.1. Технологические возможности основных способов литья

Выбор рационального способа изготовления отливок

Одну и ту же деталь можно изготовить из отливок, полученных различными способами литья, причём зачастую технические требования, предъявляемые к конкретной отливке, могут быть обеспечены разными способами литья с одинаковой надёжностью. Поэтому при выборе оптимального способа получения отливок, как правило, требуется проводить сравнительный анализ возможных вариантов литья и их технологических показателей, ориентировочно представленных в табл. 3.1.

Показатель	Литьё в песчаные формы	Литьё в оболочковые формы	Литьё по выплавляемым моделям	Литьё в кокиль	Литьё под давлением	Центробежное литьё
Максимальная масса отливки, кг				7000 – чугун; 4000 – сталь; 500 – цв. сплав
Максимальный размер отливки, м	Любой	1,5	1,0	2,0	1,2	6,0
Минимальная толщина стенки, мм	3,0	2,0	0,5	3,0	0,5	4,0
Наивысшая группа сложности
Возможный класс размерной точности
Наименьшая шероховатость поверхности Rz, мкм
Минимальный припуск на механическую обработку, мм	0,3	0,2	0,0	0,3	0,2	0,3
Средний КИМ, %
Относительная себестоимость единицы массы отливки	1,0	1,8	2,8	1,4	1,9	0,7
Экономически оправданное минимальное количество, штук	Любое

На начальном этапе решения задачи выбора оптимального способа литья следует учитывать наиболее важные критерии, к которым относятся: 1) количество (размер партии; программа выпуска) изготавливаемых изделий; 2) масса и размеры отливки; 3) сложность формы отливки; 4) требуемые точность геометрических показателей и качество поверхности; 5) технологические свойства материала отливки.

Количество. В условиях крупносерийного или массового производства рентабельны способы литья с применением металлических или оболочковых форм. Но если необходимо изготовить одну или всего несколько отливок (единичное производство), то нерационально изготавливать для этого дорогостоящий кокиль или использовать дорогостоящее литьё по выплавляемым моделям. Поэтому в данном случае может окупиться и является наиболее рациональным применение литья в песчаные формы, для которого можно использовать недорогие деревянные модели.

Масса и размеры отливки. Необходимость изготовить чугунную отливку массой 20000 кг сразу же предопределяет выбор литья в песчаные формы. При массе чугунной отливки 5000 кг уже можно рассматривать и вариант её изготовления литьём в кокиль. Если масса чугунной отливки типа тела вращения – 500 кг, а длина – 5 м, то литьё в кокиль не подойдёт из-за габарита отливки, и надо рассматривать возможность её изготовления либо литьём в песчаные формы, либо центробежным литьём. Если полая отливка из цветного сплава имеет толщины стенок или рёбер жёсткости 0,5 мм, то следует сопоставлять возможности применения литья по выплавляемым моделям и литья под давлением.

Сложность формы отливки. В зависимости от конфигурации, размеров, массы, необходимого количества стержней и особых технических требований отливки делят на шесть групп сложности. Наиболее простые отливки относят к первой группе, которая характеризуется гладкими и прямолинейными наружными поверхностями с наличием невысоких усиливающих рёбер, фланцев, отверстий, а также внутренними поверхностями простой формы. Типовые изделия – крышки, фланцы, муфты, колёса вагонеток. Самые сложные отливки относят к шестой группе, которая характеризуется криволинейными наружными поверхностями, имеющими рёбра, кронштейны и фланцы значительной протяжённости, пересекающиеся друг с другом под различными углами, а также внутренние полости особо сложной конфигурации с затруднёнными выходами на поверхность отливки. Типовые изделия – станины специальных металлорежущих станков, сложные корпуса насосов, рабочие колёса гидротурбин.

Самые сложные отливки можно получить литьём в песчаные формы, а литьём в кокиль изготовляют наиболее простые формы, также как и центробежным литьём, которое, к тому же, используют, как правило, для изготовления отливок типа тел вращения.

Требуемые точность геометрических показателей и качество поверхности. Если выбранный способ литья обеспечивает получение отливок с заданной точностью размеров и шероховатостью поверхности, то это может исключить необходимость механической обработки этой поверхности и позволить сохранить литейную корку, которая обладает повышенными твёрдостью, усталостной прочностью и износостойкостью, что может быть исключительно важно для некоторых видов изделий. К тому же высокоточное литьё, дающее минимальные припуски на механическую обработку, экономит металл и снижает общую трудоёмкость изготовления. Однако при этом увеличиваются расходы на литейное оборудование и оснастку, их ремонт и обслуживание. Поэтому, строго говоря, при выборе метода получения отливки следует проводить технико-экономический анализ не одного (литейного), а двух этапов производства – заготовительного (литейного) и механообрабатывающего. При этом может оказаться, что, несмотря на следование основополагающему принципу максимального повышения КИМ и снижения объёма механической обработки, в целом применение более сложного и дорогостоящего способа литья будет экономически невыгодным.

Приведём поясняющий пример. Допустим, при получении отливки литьём в песчаную форму её стоимость составляет 20 руб. Низкая точность и чистота поверхности этого вида литья обуславливают значительный объём окончательной механической обработки, стоимость которой оставляет 30 руб. Таким образом, в этом случае стоимость детали составит 50 руб. При использовании литья по выплавляемым моделям за счёт значительного повышения точность и чистоты поверхности, а также снижения припусков втрое сокращается необходимый объём окончательной механической обработки, стоимость которой составит уже только 10 руб. Поскольку меньше металла надо удалять в стружку, то будет достигнута и экономия на металле, необходимом для производства данной детали, которая составит, скажем, 6 руб. Однако стоимость отливки, полученной литьём по выплавляемым моделям в 2,8 раза превышает стоимость её получения литьём в песчаные формы, т.е. составит 56 руб. Таким образом, в целом при использовании литья по выплавляемым моделям будем иметь стоимость детали 56+10–6=60 руб. Следовательно, производимая деталь станет на 10 рублей дороже, т.е., несмотря на получение целого ряда плюсов от замены литья в песчаные формы на литьё по выплавляемым моделям, в данном случае такая замена будет экономически невыгодной.

Технологические свойства материала отливки. Допустим, отливка по своей форме и другим показателям хорошо подходит для литья в кокиль. Однако если её материал обладает высокой усадкой, то от литья в кокиль придётся отказаться, чтобы избежать получения непригодных изделий из-за трещин и усадочных раковин. А при изготовлении отливки из высоколегированной стали, характеризующейся низкой жидкотекучестью, обычно следует применять литьё по выплавляемым моделям, но не литьё в кокиль или песчаную форму.

Иногда к получаемым отливкам предъявляют требования обеспечения определённой, например, равномерной мелкозернистой, структуры, что также диктует определённый выбор способа литья. Для уникальных специзделий (например, космического корабля) определяющей может являться не экономическая целесообразность, а гарантированное получение необходимых служебных характеристик детали. В этом случае вполне возможно затратное изготовление кокиля или пресс-формы для производства всего одной отливки.

Производственные возможности предприятия. Выбор способа получения отливки в условиях конкретного действующего предприятия следует согласовывать с его производственными возможностями. Допустим, предприятию необходимо изготовить 100 штук чугунных труб с фланцем, аналогичных показанной на рис. 3.20. Для этого наиболее хорошо подходит способ центробежного литья. Но у данного предприятия нет машины центробежного литья, нет свободных площадей для её установки и нет персонала, обученного работе на такой машине, её обслуживанию и ремонту. Кроме того, неизвестны перспективы по дальнейшему производству аналогичных изделий, т.е. неизвестно, будет ли машина центробежного литья использоваться и далее. Но зато на предприятии хорошо освоено универсальное литьё в песчаные формы. Поэтому в данном случае будет более рациональным изготовить необходимые отливки менее технологичным, но уже хорошо отработанным способом литья, чем заниматься требующим времени и средств приобретением нового оборудования, поиском площадей для его размещения, а также обучением обслуживающего персонала.

Таким образом, выбор рационального способа изготовления отливок является многокритериальной задачей, оптимальное решение которой зависит от многих конкретных факторов.

При конструировании технологичной отливки следует стремиться к упрощению как её наружных, так и внутренних поверхностей. Желательно, чтобы габаритные размеры отливки были минимальными, особенно по высоте, так как в противном случае затрудняется изготовление литейной формы. Минимальная толщина стенок отливки должна устанавливаться в зависимости от литейных свойств материала и способа литья.

Целесообразно, чтобы: 1) вся отливка могла быть расположена в одной полуформе (рис. 3.27- б), т.к. это упрощает формовку, повышает точность изготовления, устраняет вероятность брака по взаимному перекосу или смещению верхней и нижней половин отливки при изготовлении их в разных полуформах (рис. 3.27- а); 2) форма отливки допускала использование формы с плоским разъёмом (рис. 3.27- г), поскольку неплоский профилированный разъём значительно увеличивает сложность трудоёмкость изготовления песчаных форм, модельных плит, а также и металлических форм; 3) форма отливки обеспечивала удобную установку и надёжное крепление стержней, а также минимизацию их количества

Рис. 3.27. Примеры менее технологичных (слева) и более технологичных (справа) конфигураций отливок: а – отливка располагается в двух полуформах; б – отливка располагается в одной полуформе; в – отливка требует неплоского разъёма формы; г – отливка изготавливается с плоским разъёмом формы; д – отливка требует применения двух отдельных стержней и жеребеек; е – отливка изготавливается с применением одного стержня; ж – отливка требует применения жеребеек и препятствует выходу газов из вентиляционного отверстия стержней; з – отливка изготавливается без применения жеребеек и со свободным выходом газов из вентиляционного отверстия стержней

(рис. 3.27- е), т.к. увеличение количества стержней (рис. 3.27- д) повышает стоимость их изготовления и трудоёмкость их установки, часто требует применения жеребеек с присущими им недостатками, повышает вероятность перекоса одной полости относительно другой при неточной установке любого из стержней; 4) форма отливки в соответствующих случаях не только обеспечивала удобную установку и надёжное крепление стержней, но и свободный выход газов из их вентиляционного отверстия (рис. 3.27- з), поскольку в противном случае (рис. 3.27- ж) возрастает вероятность брака из-за газовой пористости, а также уменьшается доступ для последующего удаления стержня из поднутрения верхней полости.

Рис. 3.28. Примеры менее технологичных (слева) и более технологичных (справа) конфигураций отливок: а – бобышки препятствуют свободному извлечению модели из формы; б – добавление приливов делает извлечение модели свободным; в – повёрнутые под углом рёбра жёсткости препятствуют свободному извлечению модели из формы; г – правильно ориентированные рёбра жёсткости делает извлечение модели свободным; д – выступающий фланец препятствует свободному извлечению модели из формы; е – утолщение горловины делает извлечение модели свободным; ж – предназначенные для крепления рёбер жёсткости поперечные выступы образуют пазы, которые препятствуют свободному извлечению модели из формы; з – другой вариант крепления рёбер жёсткости делает извлечение модели свободным; и – узкая верхняя часть полости затрудняет изготовление стержня и его последующее извлечение из отливки; к – вариант конструкции без узкого поднутрения облегчает изготовление стержня и его последующее извлечение из отливки

Для выполнения пунктов 3) и 4) в конструкции отливки нужно предусматривать показанные на рис. 3.27- е, з технологические окна, обеспечивающие требуемое размещение стержней.

Бобышки, рёбра, фланцы необходимо конструировать так, чтобы не затруднять извлечение модели из формы; пазы и узкие полости желательно заменять на другие конфигурации (рис. 3.28).

Минимальные диаметры отверстий, которые целесообразно получать в отливках при их изготовлении в песчаных формах, следует выбирать в зависимости от материала отливки и толщины получаемой стенки. Например, для чугунных отливок при толщине стенки 10 мм минимальный диаметр отверстия, получаемого стержнем, составляет 8 мм, а при толщине стенки более 10 мм – 20 мм.

Рис. 3.29. Конструкции отливок, обеспечивающие их одновременное (а) и направленное (б) затвердевание

При конструировании мелких и средних тонкостенных отливок целесообразно применять принцип одновременного затвердевания, который достигается равномерной толщиной стенок (рис. 3.29- а); участок, застывающий последним, подпитывается прибылью. При конструировании отливок с повышенными требованиями по плотности и герметичности, особенно из материалов с повышенной усадкой, применяют принцип направленного затвердевания, достигаемый плавным увеличением толщины стенок в направлении установки прибыли (рис. 3.29- б).

Рис. 3.30. Нетехнологичная (а) и технологичная (б) конструкция углового термического узла: 1 – застывание этого угла замедлено из-за сильного нагрева прилегающего участка формы пересечением тепловых потоков; 2 – застывание этого угла ускорено из-за одновременной теплоотдачи в двух взаимно перпендикулярных направлениях и соприкосновения с мало нагретым участком формы; 3 – скруглением углов достигнута бόльшая равномерность тепловых потоков вдоль поверхностей контакта отливки и формы

Для снижения усадочных и термических напряжений, а также вероятности трещинообразования следует избегать термических узлов, которые возникают в местах неравномерного распределения тепловых потоков, идущих от поверхностей отливки в форму (рис. 3.30- а). Для выравнивания теплоотвода следует избегать резких изменений направления контактных поверхностей отливки, т.е. нужно такие части отливки выполнять скруглёнными (рис. 3.30- б). При этом желательно, чтобы толщины стенок на сопрягаемых участках не отличались более чем в 4 раза. Сопряжения стенок, отличающихся по толщине менее чем в 2 раза, выполняют в виде галтелей (рис. 3.31- а), а при отличии по толщине в 2 раза и более для повышения плавности рекомендуется выполнять переход в виде галтелей с клиновым переходом (рис. 3.31- б).

Поскольку в массивным частях возможно возникновение усадочных раковин и пористости, то нужно стремиться создавать конструкции отливок с равномерной толщиной стенок без большого скопления металла в отдельных местах. Равномерность толщины стенки и скопление металла определяются диаметром вписанной окружности (рис. 3.32). Лучше всего, если соотношение диаметров вписанных окружностей в близко расположенных сечениях не превышает 1,5. Реализация принципа уменьшения скопления металла в узлах ребристых панелей показана на рис. 3.33.

Рис. 3.31. Рекомендуемые переходы от одной стенки отливки к другой: а – в виде галтелей при перепаде толщин менее чем в 2 раза; б – в виде галтелей с клиновым переходом при перепаде толщин в 2 раза и более

Поскольку из-за теплового окружения внешними стенками и меньшей поверхности контакта с формой внутренние стенки, полки и рёбра затвердевают с меньшей скоростью, то для обеспечения одновременности затвердевания с целью предотвращения образования литейных дефектов рекомендуется уменьшать толщину внутренних элементов на 10…30% по сравнению с толщиной наружных (рис. 3.34).

Возникновение остаточных напряжений, коробления и трещин в отливках барабанов, зубчатых колес, маховиков, шкивов и рукояток вентилей связано с различной скоростью охлаждения обода, ступицы и соединяющих их дисков или спиц. Для снижения усадочных напряжений и предотвращения трещинообразования и коробления целесообразно плоские соединительные элементы (рис. 3.35- а, в) заменять коническими (рис. 3.35- б, г) или иной неплоской формы. Из сопротивления материалов известно, что прямолинейный брус, нагруженный осевыми сжимающими силами Р (рис. 3.35- д), будет работать только на сжатие и в этом случае оказывать большое сопротивление деформации. Но если ось бруса изогнута (рис. 3.35- е), то помимо сжимающих сил на брус будут действовать и изгибающие моменты, вызывающие намного большие перемещения, чем простое сжатие. Таким образом, неплоские соединительные элементы будут обладать значительно большей радиальной податливостью, чем плоские, и поэтому будут оказывать значительно меньшее сопротивление усадке более мощного внешнего обода. Кроме того, опыт показывает, что при заливке наклонных щелей улучшается вывод газов из формы, т.е. снижается вероятность образования газовых раковин или пористости.

Рис. 3.32. Примеры повышения технологичности сопряжений стенок отливок: а – скопление металла в тавровом узле; б – уменьшение скопления металла с помощью технологического углубления; в – скопление металла в крестообразном узле; г – уменьшение скопления металла с помощью смещения одной стенки; д – скопление металла в цилиндрическом узле; е – уменьшение скопления металла с помощью отверстия
Рис. 3.33. Примеры повышения технологичности сопряжений ребристых панелей: а – нетехнологичное крестообразное пересечение рёбер; б – технологичное шахматное расположение рёбер; в – технологичное сотовое расположение рёбер
Рис. 3.34. Нетехнологичная одинаковая толщина внутренних и наружных элементов отливки (а) и технологичная меньшая толщина внутренних элементов отливки по сравнению с наружными (б): 1 – внутренняя полка; 2 – внутренние рёбра

Рис. 3.35. Примеры повышения технологичности отливок с поперечными соединяющими элементами: а – нетехнологичная конструкция намоточного барабана с плоскими перегородками; б – технологичная конструкция намоточного барабана с коническими перегородками; в – нетехнологичная конструкция зубчатого колеса с плоским соединяющим диском; г – технологичная конструкция зубчатого колеса с коническим соединяющим элементом; д – силовая схема, объясняющая увеличение жёсткости плоской перегородкой (перегородка работает только на сжатие, что повышает её сопротивление деформации); е – силовая схема, объясняющая увеличение податливости конической перегородки (отклонение от линии действия сил облегчает деформацию перегородки за счёт её изгиба сжимающими силами Р)

Рис. 3.36. Технологичные литые рукоятки вентилей: а – рукоятка с нечётным числом прямолинейных спиц; б – рукоятка с чётным числом изогнутых спиц; в – силовая схема, объясняющая увеличение податливости при нечётном количестве прямолинейных спиц (направленная вдоль спицы сила Р далее проходит через пустоту и может отгибать наклонные спицы); г – силовая схема, объясняющая увеличение податливости при чётном количестве изогнутых спиц (форма спиц облегчает их деформацию за счёт изгиба сжимающими силами Р)

При необходимости изготовления отливок типа колёс со спицами, например, маховиков или рукояток вентилей, в случае выполнения спиц прямыми рекомендуется, чтобы количество спиц было нечётным (рис. 3.36- а). При чётном числе спиц следует выполнять их изогнутыми (рис. 3.36- б). Кроме того, для дополнительного увеличения податливости целесообразно делать спицы наклонными и уменьшать их толщину в плоскости изгиба от сил усадки, т.е. делать их поперечные сечения овальными, а при назначении для работы под большой нагрузкой – двутавровыми (см. верхнюю часть рис. 3.36- б). Помимо этого, для уменьшения усадочного давления со стороны обода можно выполнять его поперечное сечение в виде облегчённой кольцеобразной формы (см. верхнюю часть рис. 3.36- б).