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 tmin можно определить по табл. 1.3 или ориентировочно по эмпирической зависимости:

Tmin=l/200+4

где I - наибольший габаритный размер детали, мм.

Наименьшая толщина стенок отливок

Сплав	Категория отливок
	Мелкие, I <500 мм	Средние, 1 = 500 -1500 мм	Крупные, 1 > 1500 мм
Сталь Чугун серый Бронза Алюминиевые сплавы	8-10 3-6 3-5 3-6	12-14 8-12 6-8 5-10	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 и снижению удельной прочности. Увеличение толщины стенок обусловливает медленное затвердевание сплава, крупнокристаллическую и неравномерную структуру, ликвацию, пористость. Начиная с некоторой критической толщины tкр число отмеченных дефектов резко возрастает, а несущая способность деталей при дальнейшем увеличении толщины стенки практически не повышается.

Критическая толщина стенки детали из серого и высоко прочного 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 разной толщины неизбежны местные скопления металла (тепловые узлы), в которых могут образовываться усадочные раковины и трещины. На рис. 1.5 представлены примеры устранения теплового узла (а) за счет уменьшения толщины фланца (б) или введения ребер жесткости (в, г) 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

р аковинам.

Сопряжения стенок во избежание их разрушения в процессе охлаждения должны быть плавными. При небольшой разнотолщинности, когда t1/t2<2, достаточно сопряжения с радиусами г и Л (рис. 1. 6, а). Если разнотолщинность значительна (t1/t2 > 2), необходимо обеспечить плавный переход от толстой стенки к тонкой с помощью клинового сопряжения (рис. 1.6, б). Для деталей, работающих при динамических нагрузках, клиновое сопряжение рекомендуется выполнять даже при меньшей разнотол­щинности (t1/t2<21,25—1,5).

Радиусы сопряжений можно рассчитать согласно опытным зависимостям:

Меньшие значения r, с, I назначают для чугуна, цветных сплавов, а большие - для стали. Значения радиусов сопряжений выбирают 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

Крайне нежелательны сопряжения четырех и более стенок и сопряжения под острыми углами (рис.1. 7). Следует отдавать предпочтение сопряжению под прямым и тупым углами

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. 1.8, а). Это особенно сильно проявляется на сплавах с большой усадкой (сталь, высокопрочный чугун). Поэтому конструктор при проектировании детали должен предусмотреть или одновременное или направленное затвердевание.

Принцип одновременного затвердевания выполняется при постоянной толщине стенки (рис. 1. 8, б). В этом случае усадочная раковина будет сосредоточена вне отливки - в прибыли, т. е. в дополнительной полости, заполняемой жидким металлом. Ширина прибыли обычно превышает толщину стенки отливки, поэтому пределы детали с учетом неизбежного смещения частей формы, т. е. ребра жесткости не должны выходить на границу детали.

Рис. 1.8. Конструкция детали, приводящая к усадочным раковинам (а), и ее изменение для обеспечения принципа одновременного (б) или направленного (в) затвердевания

металл здесь затвердевает позже и компенсирует усадку в глубине отливки.

Для сплавов с малой усадкой, например для серого чугуна, прибыли можно не устанавливать, так как при одинаковой толщине стенки раковины не возникают. Если на чугунных отливках имеются утолщенные участки, то одновременное затвердевание можно обеспечить технологическими приемами: металл следует подвести к тонким элементам, 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 отливок обеспечивают расположе­нием отливки в форме и проектированием стенок таким образом, чтобы кристаллизация начиналась в нижних, самых тонких участках, 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 внутри отливки (рис. 1. 8, в).

Направленность кристаллизации проверяется методом вписанных окружностей. Окружность, вписанная в самой нижней части должна постепенно увеличиваясь, выкатываться из отливки в прибыль. Деталь, изображенная на рис. 1. 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. 1. 5, 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 криволинейными (рис. 1. 9, а), так как термические напряжения снижаются за счет деформации спиц. На деталях, имеющих фланцы, перемычки, буртики, которые обжимают форму в процессе остывания, предпочтительнее конструктивные уклоны (рис. 1. 9, 6). В этом случае напряжения от механического торможения усадки со стороны формы будут меньше.

Коробление отливок, особенно с большой разницей между длиной и высотой, неизбежно. Его можно ослабить за счет конструктивных или технологических ребер жесткости (см. рис. 1. 9, б). Толщину таких ребер жесткости берут на 20—40% меньше толщины стенки отливки с тем, чтобы ребра остывали быстрее и препятствовали короблению всей отливки.

отливки и ее сплава (см. табл. 1.5). При выполнении учебной курсовой работы можно назначить припуски по номограмме (рис. 1. 10), которая дает менее точные значения, но упрощает процесс назначения припуска. Припуски для недостающих рядов (5, 7, 9, 11) определяют по номограмме путем экстраполяции. Номограмма составлена для чистовой обработки, стандарт содержит припуски для черновой, получистовой, чистовой и окончательной обработки.

Размер отливки lотл устанавливают больше (+ z) или меньше (- z) размера детали lдет зависимости от расположения припусков

Расчет размеров отливки ведут с учетом выбранного положения ее в форме (см. 1.3). Размеры на чертеже детали и отливки проставляют с учетом измерительной базы (базы разметки) и базы первоначальной обработки поверхности.

Измерительной базой называют необрабатываемую поверхность (или ее ось), относительно которой производят первоначальную обработку. Размеры отливки и размеры детали до необрабатываемых поверхностей проставляют от измерительной базы.

За базу первоначальной обработки принимают поверхность, обрабатываемую в первую очередь. Все размеры детали, обеспечиваемые механическим способом, проставляют от базы первоначальной обработки. В различных направлениях системы координат выбирают свои базы.

Чертеж отливки выполняют в соответствии с требованиями ЕСКД с указанием дополнительной информации: контур детали изображают сплошными тонкими линиями; проставляют размеры и отливки и детали или припуски на механическую обработку; остатки прибылей и питателей, удаляемые окончательно в механических цехах. Контур отливки изображают основной линией, под наименованием детали пишут слово "Отливка". В технических требованиях необходимо указать группу отливки, нормы точности, а также допускаемые дефекты или допустимость их устранения вырубкой и заваркой.

На чертеже отливки указывают все радиусы литейных сопряжении и формовочные литейные уклоны. Формовочные уклоны выбирают по ГОСТ 3212-92. Значения уклонов приведены в следующем разделе. Уклоны на обрабатываемые поверхности предусматривают сверх припуска за счет увеличения размеров или толщины стенки. Уклоны на необрабатываемые поверхности назначают за счет увеличения размеров (тонкостенные детали) или их уменьшения - (толстостенные детали). При наличии уклонов на наружных и внутренних поверхностях следует стремиться к равной толщине стенки отливки.

В мелкосерийном и индивидуальном производстве чертежи отливок не выпускают, а все сведения помещают на размеченной копии чертежа детали.