Составитель: Н.В.Голубов, ст. препод.
УДК 621.75.008.001.2
Конспект лекций предназначен для самостоятельного изучения студентами теоретической части курса “ Технологические методы изготовления
заготовок деталей машин ” (для студентов специальности 7.090202 «Технология машиностроения» всех форм обучения)
/Сост. Н.В. Голубов – Донецк; ДонНТУ, 2012.
Проведены цели и задачи дисциплины, тематическое содержание дисциплины и конспект лекций дисциплины «Технологические методы изготовления заготовок деталей машин».
Составитель: Н.В.Голубов, ст. препод.
Ответственный за выпуск А.Н. Михайлов
Донецкий национальный
технический университет
Качество заготовок
Качество промышленной продукции - это совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Одними из важнейших показателей качества машин являются:
1) эксплуатационные, которые определяют технический уровень машины (ее совершенство), ее надежность, эстетические и другие характеристики;
2) производственно-технологические, которые характеризуют глинным образом технологичность конструкции машины и ее элементов.
3) экономические, которые характеризуют себестоимость изготовления, эксплуатации и ремонта машины.
Качество заготовки в большинстве случаев оценивается ее точностью и качеством поверхностного слоя.
Точность заготовок
Под точностью заготовки понимается ее соответствие требованиям чертежа и технических условий на ее изготовление. Отклонение реальной заготовки от требований чертежа (или эталона) называется погрешностью. Точность заготовок характеризуется как геометрическими (отклонения формы и размеров), так и физико-механическими свойствами (например, прочность, твердость, упругость, электропроводность и др.).
Точность, которая может быть достигнута при данном типе производства высококвалифицированным рабочим в наиболее благоприятных условиях, называется достижимой.
Экономическая точность достигается при данном технологическом методе в нормальных условиях производства. При проектировании технологических процессов технолог должен ориентироваться на среднеэкономическую точность, которая оговаривается справочной литературе.
Качество поверхностного слоя заготовок - это совокупность всех служебных свойств поверхностного слоя материала как результат действия на него одного или нескольких последовательно применяемых технологических процессов. Поверхностный слой заготовки качественно отличается от материала сердцевины заготовки.
Качество поверхностного слоя характеризуют две группы параметров: геометрические (волнистость, шероховатость, субмикрнеровности) и физико-механические (химический состав; микроструктура; микротвердость; величина, знак и глубина распространения остаточных напряжений и т. п.).
Качество поверхностного слоя определяется свойствами материала и технологией изготовления заготовки. Например, после горячей штамповки на поверхности заготовки будет окалина. Шероховатость поверхности заготовки, полученной холодной штамповкой, значительно ниже, чем заготовки, полученной горячей штамповкой, но ее поверхностный слой имеет наклеп. Если заготовка подверглась химико-термической обработке, ее поверхностный слой имеет иной химический состав и структуру, чем основа.
Геометрические параметры качества поверхностного слоя и точность заготовки в определенном смысле взаимосвязаны. Например, если заготовку получают литьем в песчаные формы, то микро- и макронеровности не позволяют получить высокую точность размеров. Выбирая вид заготовки и технологию ее производства, необходимо знать точность и качество поверхностного слоя заготовки, которые при этом могут быть получены.
Основные понятия технологичности заготовок
Технологичность конструкции изделия, согласно ГОСТ 14.205— I 83, представляет собой совокупность свойств конструкции, определяющих ее приспособленность, к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных, показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Отработка на технологичность обязательна на всех стадиях создания изделий.
Вопросы технологичности должны решаться комплексно, начиная со стадии проектирования заготовки и выбора метода ее изготовления и кончая процессом механической обработки и сборки всего изделия. Отработанная на технологичность заготовка не должна усложнять последующую механическую обработку. Технологичность, как правило, закладывается на стадии проектирования, поэтому от конструктора требуется высокий уровень технологической подготовки.
Технологичность - понятие относительное. Одна конструкция заготовки может быть технологична при данном типе производства и совершенно нетехнологична при другом. Технологичность зависит также от производственных возможностей данного предприятия (завода). Развитие производственной базы предприятия (например, внедрение станков с'ЧПУ, автоматизированного оборудования) изменяет требования к технологичности.
Порядок и правила обеспечения технологичности устанавливаются государственными стандартами. Современные тенденции состоят в том, что отработка конструкции на технологичность все в большей степени смещается на стадию разработки конструкторской документации. Это требует делового и творческого сотрудничества конструкторов и технологов как при выборе вида заготовки, так и при разработке технологии ее последующей обработки.
Показатели технологичности
Показатели технологичности различают двух видов: качественные и количественные.
Качественную оценку («хорошо - плохо», «допустимо — «недопустимо») является оценкой предварительной. Ее получают путем сравнения двух и более вариантов заготовок. Критерием в этом случае являются справочные данные и опыт технолога и конструктора. Обычно такая оценка производится на стадии эскизного проектирования и всегда предшествует количественной оценке.
Количественные показатели дают возможность объективно и достаточно точно оценить технологичность сравниваемых конструкций. Выбор показателей зависит от назначения детали (заготовки), типа производства и условий эксплуатации. Для каждой детали выбирают свои, наиболее характерные показатели.
Применительно к заготовкам чаще всего в качестве показателей технологичности используют трудоемкость изготовления, технологическую себестоимость и коэффициент использования металла.
Трудоемкость изготовления заготовки представляет собой суммарные затраты времени на производство заготовки по всем технологическим операциям.
На ранних стадиях проектирования применяют приближенные методы оценки трудоемкости. Например, «весовым методом» трудоемкость оценивается по трудоемкости типовой заготовки, аналогичной по форме, точности и технологии изготовления:
где Тпр, Ттип - трудоемкость соответственно проектируемой и типовой заготовок; Gпр, Gтип - масса соответственно проектируемой и типовой заготовок.
Для оценки технологичности используют также отношение трудоемкости механической обработки к трудоемкости получения заготовки Тмех/Тзаг. Чем меньше это отношение, тем технологичнее заготовка (уменьшается объём механической обработки). Отношение Тмех/Тзаг зависит также от типа производства (для единичного производства оно максимально).
Технологическая себестоимость изготовления применяется для выбора наилучшего варианта заготовки в условиях одного способа производства (цеха, завода). В общем виде для одной детали она состоит из следующих элементов:
Ст.д=М+3+Иио-Соб,
где М -стоимость расходуемых основных материалов, грн/шт.; 3 - заработная плата производственных рабочих, грн/шт.; Иио - возмещение износа оснастки, р./шт.; Соб - расходы, связанные с содержанием и эксплуатацией оборудования за время изготовления одной детали, руб/шт.
Все элементы себестоимости взаимосвязаны. Например, изменение вида заготовки вызывает изменение затрат на механическую обработку. Изменение конструкционного материала может вызвать изменение номенклатуры технологического оборудования. Из сравниваемых вариантов выбирают тот, для которого технологическая себестоимость минимальна независимо от отдельных составляющих.
Коэффициент использования металла - это безразмерная величина, определяемая отношением массы изделия к массе израсходованного металла:
Ки.м =mд/mp,
где mд - масса готовой детали, mp - масса всего израсходованного металла
Различают коэффициент выхода металла Кв.м, и коэффициент весовой точности Кв т
Кв м =mз/mp,
Кв т =mд/mз,
где mз - масса заготовки.
При прочих равных условиях более выгодны высокие значения Ким. Для оценки влияния технологичности заготовки на коэффициент использования металла необходимо помнить, что
Ки.м =Кв м Кв т
Требования к заготовкам с точки зрения последующей обработки
Помимо минимальной металлоемкости и трудоемкости к заготовкам предъявляют ряд требований с точки зрения их последующей механической обработки. К числу таких требований относятся:
- минимальные припуски на обработку;
- рациональное расположение литейных и штамповочных уклонов;
- повышенная точность размеров;
- минимизация или полное устранение дефектных слоев и др.
Минимизация припусков уменьшает количество проходов и переходов механической обработки и тем снижает ее стоимость.
Штамповочные и литейные уклоны ограничивают возможность использования отдельных поверхностей заготовки в качестве технологических баз при механической обработке, снижают точность обработки. Соответствующим выбором способа получения заготовки конструктор может создать наиболее приемлемую ее форму, позволяющую осуществить механическую обработку с наименьшими трудозатратами. Основным требованием здесь является такое расположение плоскости разъема штампа или литейной формы, при котором установочные. поверхности заготовки будут лишены уклонов и следов разъема.
Точность размеров заготовок, получаемых различными способами, колеблется от сотых долей до нескольких десятков миллиметров. Естественно при этом стремление получить точность заготовки максимально приближенной к требованиям чертежа готовой детали. В этом случае иногда удается обойтись без механической обработки. Особенно возрастают требования к точности заготовок и стабильности размеров при обработке их на прутковых автоматах, станках типа «обрабатывающий центр», в гибких производственных системах, робототехнических комплексах и пр. Низкая точность заготовок в автоматизированном производстве часто является причиной отказа сложных систем и линий. Поэтому точность заготовок перед запуском их на обработку в автоматизированном производстве часто приходится повышать путем предварительной обработки базовых поверхностей.
Наличие дефектного слоя на поверхности, подлежащей механической обработке, с одной стороны, приводит к увеличению припусков, с другой - к снижению стойкости режущего инструмента. Дефектный слой у чугунных отливок, получаемых в песчаных формах по деревянным моделям, составляет 1...5 мм, у поковок - 1,5...3 мм, у штампованных поковок - 0,5...1,5, у горячекатаного проката - 0,5...1,0 мм. Без учета влияния вышеперечисленных факторов на последующую механическую обработку невозможно квалифицированно выбрать способ получения заготовки.
Влияние точности и качества поверхностного м слоя заготовки на структуру ее механической ее обработки
Поверхности деталей делятся на обрабатываемые и необрабатываемые. В этой связи все детали в машиностроении можно разделить на три группы.
К первой группе относятся детали, точность и качество поверхностного слоя которых могут быть обеспечены тем или иным способом получения заготовки без какой-либо механической обработки. Типичными представителями таких деталей являются детали, получаемые холодной штамповкой из пластмасс, металлических порошков черных и цветных Металлов, а также (реже) прецизионными способами литья и горячей штамповки.
Вторая группа - детали, у которых все поверхности должны быть обработаны механически. Необходимость в механической обработке здесь может быть обусловлена двумя причинами: отсутствием способов получения заготовки, обеспечивающих требуемые по чертежу точность и качество поверхностного слоя, или экономической нецелесообразностью (дороговизной) получения требуемого качества детали имеющимися технологическими способами получения заготовок.
Третью группу составляют детали, у которых часть поверхностей не обрабатывается, а наиболее точные, исполнительные поверхности, подлежат обработке путем снятия стружки. Третья группа наиболее многочисленна и занимает промежуточное положение между первыми двумя. Производство деталей первой группы обходится наиболее дешево. Оно открывает путь к безотходной или, по крайней мере, малоотходной технологии. В стремлении к такому производству проявляется однаиз самых важных тенденций развития машиностроения. Однако низкий уровень большинства наиболее распространенных в настоящее время способов получения заготовок вынуждает иметь в структуре любого машиностроительного завода механические цехи, в которых заготовки превращаются в детали путем снятия с их поверхностей припусков на обработку.
Таким образом, основной тенденцией заготовительного производства является повышение точности и улучшение качества поверхностного слоя заготовок. Однако достижение этих качеств, при малой программе выпуска может оказаться экономически невыгодным, так как расходы на оснастку для заготовительных процессов могут превысить экономию на механической обработке.
Себестоимость детали можно представить в виде:
Сд= См + Сз + Сп + Сч + Со,
где См - стоимость исходного материала, идущего на изготовление заготовки, грн.; Са — стоимость изготовления заготовки, грн.; Сп, Сч, Co - стоимость соответственно предварительной, чистовой и отделочной обработки, грн.
Практика машиностроения показывает:
- с увеличением допуска Т (простые и дешевые способы получения заготовок) увеличиваются затраты на материал См, затраты на получение заготовок Сз уменьшаются, а затраты на механическую обработку Сп возрастают;
- с уменьшением допуска Т уменьшаются расходы на материал См, затраты на предварительную Сп, а иногда и на чистовую Сч обработку отпадают, зато резко возрастают расходы на получение заготовки Сз.
Рисунок 2.5 --Зависимость полной себестоимости детали Сд
от допуска Т на изготовление заготовки при постоянной
Контрольные вопросы
1. Определите технологические возможности основных способов получения заготовок.
2. Какие цели преследует выбор способа получения заготовки?
3. Назовите факторы, определяющие выбор способа производства заготовок.
4. Сформулируйте последовательность выбора способа изготовления заготовок.
5. Какие требования предъявляются к заготовке с точки зрения последующей механической обработки?
6. Каковы способы уменьшения массы технологического и заготовительного отходов?
7. Как изменяются затраты на получение заготовки и на механическую обработку с повышением точности ее формы и размеров (с уменьшением полей допусков) ?
Размеры и форму отливок
К литейным свойствам сплавов относятся жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации и газопоглощению.
Жидкотекучесть — способность жидкого металла полностью заполнять полости литейной формы и четко воспроизводить очертания отливки. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры заливаемого в форму сплава и теплопроводности материала формы. Фосфор, кремний и углерод улучшают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит углерода и кремния больше, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью. Повышение температуры жидкого металла улучшает жидкотекучееть, и чем выше его перегрев, тем более тонкостенную отливку можно получить. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее и расплавленный металл заполняет ее лучще, чем металлическую форму, которая, интенсивно охлаждает расплав.
Усадка — свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадки:
eлин=(lф-lот)100/lот; eоб=(Vф-Vот)100/Vот,
где lф, Vф - соответственно линейный размер и объем полости формы; lот, Vот - линейный размер и объем отливки при температуре 20 °С.
Линейная и объемная усадки связаны соотношением
eлин»3 eоб.
На усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния, алюминиевых сплавов - с повышением содержания кремния. Увеличение температуры заливки и скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможений.
Помимо искажения линейных размеров усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений. При правильном учете усадочных процессов затвердевание отливки должно идти снизу вверх с образованием концентрированной усадочной раковины. В противном случае в теле отливки образуется усадочная пористость.
Ликвация — это неоднородность строения в различных частях отливки. Возможна ликвация по химическому составу (зональная или дендритная), по плотности, неметаллическим включениям и другим факторам.
Зональная ликвация представляет собой химическую и другие неоднородности в объеме всей отливки; дендритная — в пределах одного зерна (дендрита). Склонность к ликвации зависит от химического состава сплава, скорости охлаждения сплава и размеров отливки.
Неоднородность химического состава и структуры по сечению приводит к неоднородности механических .свойств отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения отливки.
Склонность к газопоглощению — это способность литейных сплавов в жидком состоянии, растворять кислород, азот и водород. Их растворимость растет с перегревом расплава (температуры заливки). Движение металла в форме мелкими струйками или турбулентными потоками также способствует повышению растворимости газов. При охлаждении в литейной форме газонасыщенного расплава растворимость газов понижается и они, выделяясь из металла, могут образовать в отливке газовые раковины.
Элементы литейной формы
Для получения отливок, помимо сплава в жидком состоянии, необходимы еще литейные формы. На рис. 3.1 изображена литейная форма в разрезе для получения отливки . Эта форма состоит из трех отдельных частей: нижней, верхней и стержня.
Стержень служит для получения в отливке отверстия. Части литейной формы обычно изготовляются отдельно, а затем собираются. Внутри собранной литейной формы создается полость, которая соответствует конфигураций отливки. Полость литейной формы заполняется жидким сплавом через систему каналов, которую называют литниковой системой.
Литейнные формы подразделяют по количеству заливок на разовые и многократные, по материалу — на песчаные, песчано-цементные, гипсовые, металлические, из высокоогнеупорных материалов и др.
Рисунок 3.1 – Литейная форма (1- верхняя часть формы; 2 – стержень; 3- питатель; 4 – шлакоулавливатель; 5 – чаша питателя; 6 – выпор; 7,9 – опока; 8 – нижняя часть формы)
Металлические формы из чугуна и стали являются многократными постоянными, поскольку выдерживают сотни и тысячи заливок. Песчаные, оболочковые формы со смоляным связующим и формы, изготовленные по выплавляемым моделям, являются разовыми. Разовые литейные формы получают с помощью специальных приспособлений — моделей. Процесс изготовления литейных форм из формовочных смесей называют формовкой.
Литейная форма должна обладать прочностью (выдерживать силовые нагрузки), газопроницаемостью (пропускать газы, образующиеся в литейной форме), податливостью (уменьшаться в объеме при усадке отливки), огнеупорностью (не оплавляться под действием тепла жидкого металла) и др.
Комплект приспособлений, используемых для изготовления отливок, называют литейной оснасткой. Часть оснастки включающая все приспособления, необходимые для образования рабочей полости литейной формы при ее формовке, называется модельным комплектом. В комплект входят модели отливки и элементов литниковой системы, модельные и сушильные плиты, стержневые ящики, формующие, контрольные и сборочные шаблоны для конкретной отливки.
Модельный комплект должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1) Обеспечивать получение отливки определенной геометрической формы и размеров;
2) Обладать высокой прочностью и долговечностью, т.е. обеспечивать изготовление необходимого числа форм и стержней;
3) Быть технологичным в изготовлении;
4) Обладать минимальной массой и быть удобным в эксплуатации;
5) Иметь минимальную стоимость с учетом стоимости ремонта;
6) Сохранять точность размеров и прочность в течение определенного времени эксплуатации.
Существует также понятие «формовочный комплект», под которым подразумевается полный комплект оснастки, используемый для получения разовой формы. В него дополнительно входят наряду с приспособлениями модельного комплекта необходимые при формовке опоки, наполнительные рамки, штыри, скобы и др.
Модель это часть модельного комплекта, предназначенная для образования отпечатка в литейной форме, соответствующего наружной конфигурации и размерам отливки. При этом размеры модели увеличивают по сравнению с соответствующими размерами отливки с учетом линейной усадки сплава (0,8—2%) и припусков на механическую обработку. Модели изготавливают из древесины, металлических и специальных модельных сплавов, а также из пластмасс. Различают модели разовые и многократные. Деревянные модели отличаются простотой изготовления, относительно малой массой и невысокой стоимостью. Однако они недолговечны.
По сравнению с деталью модель имеет выступающие части (так называемые стержневые знаки), посредством которых стержень, оформляющий внутреннюю полость, крепится в форме
Модельная плита обеспечивает формирование поверхности разъема литейной формы и несет на себе различные части модели, включая литниковую систему. При машинной формовке часто используют металлические модельные плиты в сочетании с быстросменной модельной оснасткой, которые вместе образуют молельные комплекты. Молельные плиты подразделяют на односторонние (часть модели с одной стороны) и двусторонние (части модели располагаются с двух сторон шипы). Односторонние плиты используются при раздельной формовке полуформ. Стержневые ящики (неразъемные — вытряхные — и разъемные) предназначены для изготовления стержней.
При их изготовлении, в основном, используют те же материалы, что и при производстве моделей. Для удержания формовочной смеси при изготовлению литейной формы, а также при транспортировке последней и ее заполнения жидким металлом используют опоки, представляющие собой сварные, литые или сборные жесткие металлические рамы различной конфигурации.
Литниковая система служит для плавного подвода жидкого сплава в полость литейной формы и питания отливок в процессе кристаллизации. Место подвода сплава к отливке во многом определяет ее плотность, внешний вид и образование различных литейных пороков. Выбор литниковой системы, обеспечивающей получение отливок хорошего качества, является наиболее сложной частью литейной технологии. Поэтому формовщик, мастер и технолог при выборе литниковой системы должны учитывать особенности литейной технологии.
Рисунок 3.2 – Литниковая система (1-литниковая чаша, 2- стояк, 3- питатели, 4- шлакоуловитель, 5- прибыль, 6- выпор, 7- отливка.)
Правильно построенная литниковая система должна удовлетворять следующим требованиям: 1) обеспечивать хорошее заполнение формы металлом и питание отливки в процессе ее затвердевания; 2) способствовать получению отливки с точными размерами, без поверхностных дефектов (засоров, ужимин, шлаковых включений и др.); 3) способствовать направленному затвердеванию отливки; 4) расход металла на литниковую систему должен быть минимальным.
Литниковая воронка для мелких отливок и литниковая чаша-резервуар для крупных отливок предназначены для приема струи металла, вытекающего из ковша, и задержания шлака, попадающего вместе с металлом в чашу. При полной до краев чаше в стояк поступает чистый металл, а легкий шлак находится наверху. Кроме того, обеспечивается непрерывная подача металла в форму при одном и том же напоре. Для задержания шлака отверстия стояков иногда закрывают чугунными пробками, тонкими жестяными пластинками. Пробки открывают после того, как вся чаша заполнится металлом, пластинки же расплавляются горячим металлом. Форму необходимо заполнять металлом по возможности быстро, при этом металл должен иметь достаточную температуру.
Во время заливки металла литниковая чаша обязательно должна быть полной. При недостаточно большой глубине металла в чаше образуется воронка, через которую воздух и шлак, плавающий на поверхности металла, могут попасть в стояк и затем в отливку. Для мелких отливок, особенно в условиях массового производства, шлак в чаше задерживают фильтровальными сетками, которые изготовляют из стержневой смеси.
Стояк - вертикальный канал, передающий металл их воронки к другим элементам литниковой системы. Его выполняют несколько суживающимся книзу для удобства формовки и обеспечения гидравлического напора в литниковой системе. Конусность стояка 2-4%. При изготовлении крупных отливок стояк и другие элементы литниковой системы часто выполняют из стандартных шамотных трубок-кирпичей.
Шлакоуловитель служит для задержания шлака и передачи из стояка металла, свободного от шлака, к питателям; располагается в горизонтальной плоскости. Обычно шлакоуловитель выполняют в верхней полуформе, а питатели - в нижней. Поперечное сечение шлакоуловителей делают трапецеидальным. В процессе заполнения формы металлом для лучшего задержания шлака шлакоуловитель должен быль обязательно заполнен металлом. Это обеспечивается соответствующим соотношением сечений стояка, шлакоуловителя и питателя. Если расход металла через стояк больше расхода через питатели, то шлакоуловитель заполняется металлом и шлак, всплывая, задерживается в нем. Если расход через стояк меньше расхода через питатели, то шлакоуловитель будет незаполненным и шлак попадает в отливку. Таким образом, для задержания шлака сечение стояка должно быть больше сечения шлакоуловителя, а сечение шлакоуловителя больше суммарного сечения питателей. Такую литниковую систему называют запертой.
Питатели (литники) - это каналы для подачи жидкого металла непосредственно в полость формы. Сечение питателей должно быть такой конфигурации, чтобы металл плавно поступал в полость формы, мало охлаждался на пути от шлакоуловителя к отливке, а после затвердевания ее питатели легко отламывались от отливки. Практикой установлено, что наилучшая конфигурация поперечного сечения питателей - трапеция с переходом в широкий прямоугольник в месте сопряжения с отливкой. Для лучшего отделения питателей от отливок, в случае если толщина ее тела меньше полуторной высоты питателя в месте его подвода к отливке, на питателях на расстоянии 2-2,5 мм от отливки делают пережим.
Выпоры служат для вывода газов из полости формы и для питания отливки. Они же уменьшают динамическое давление металла на форму и сигнализируют о конце заливки. В зависимости от величины формы ставят один или несколько выпоров. Сечение выпора в основании обычно составляет 1/2 -1/4 сечения стенки отливки. Выше основания сечение выпора увеличивается.
К числу элементов литниковой системы, обеспечивающих питание отливки жидким металлом в процессе ее затвердевания, относятся питающие выпоры и прибыли.
Прибыли и питающие выпоры применяют для отливок из белого низкоуглеродистого, высокопрочного чугуна, а также для толстостенных отливок из серого чугуна. Они служат для питания утолщенных мест отливки, застывающих последними. Прибыли располагают так, чтобы металл в них застывал последним. Толщина прибыли должна быть больше толщины того места отливки, над которым ее ставят. Прибыли больших размеров экономически невыгодны, так как увеличиваются расход металла на прибыли и себестоимость обливок.
При конструировании прибылей необходимо руководствоваться следующими правилами:
Прибыль должна затвердевать позже питаемого узла отливки.
Размеры прибыли должны быть достаточными, чтобы компенсировать усадку отливок.
Высота прибыли должна быть такой, чтобы вся усадочная раковина разместилась выше шейки прибыли - места соединения с отливкой. Шейка должна быть возможно короткой и так же, как прибыль застывать после отливки. Если отливка имеет несколько утолщенных мест, разделенных тонкими стенками, то у каждого утолщения необходимо ставить отдельную прибыль.
Конструктивное оформление элементов отливки
При проектировании детали необходимо назначать наименьшую толщину стенки, обеспечивающую требуемую расчетную прочность, т.к. с увеличением толщины увеличивается время остывания заготовки, а следовательно, и ухудшение механических свойств .
При организации направленной кристаллизации снизу вверх получают плотную отливку без усадочных раковин и пористости. Это достигается в основном за счет установки прибылей. Однако они приводят к усложнению формовки и увеличению расхода металла. Одновременно повышается опасность возникновения трещин. Усадочные раковины и рыхлоты образуются в отливке из-за некомпенсированной усадки в процессе кристаллизации. Она может возникнуть при неправильном распределении массы металла по сечению отливки. Для того чтобы избежать дефектов усадки производят проверку конструкции стенки методом «вписанных окружностей» (рис. 3.3). Суть его заключается в том, что по мере приближения фронта кристаллизации к прибыли диаметр окружности, вписанной в сечение отливки, должен увеличиваться. Иными словами, любая вписанная окружность должна беспрепятственно «выкатываться» в направлении прибыли.
 |  |
| Рисунок 3.3 - Схема направленного затвердевания металла:а,— нетехнологично; б — технологично; 1, 2 — усадочные рыхлоты; 3 — прибыль | Рисунок 3.4 - Лобовое сопряжение стенок |
Иногда для обеспечения технологичности используют принцип одновременной кристаллизации, который заключается в том, что все стенки отливок - от нижней части до верхней - имеют одинаковую толщину и застывают практически одновременно. Этот принцип применяется в основном для мелких и средних отливок с тонкими стенками из сплавов с небольшой усадкой. Однако при этом не всегда обеспечивается высокая прочность и плотность отливки.
При лобовом сопряжении стенок различной толщины отношение толщин стенок не должно превышать 4:1. Если отношение толщин сопрягаемых стенок s/si<2, то .сопряжение выполняется с помощью радиусов закруглений (рис. 3.4). В зависимости от типа сплава радиус закругления
R= (0,3...0,4)(s-si).
Такое сопряжение выполняется и при s/si > 2, если деталь не испытывает ударных нагрузок. Если деталь подвержена ударам, переход выполняют в виде клина (рис. 3.4). При этом длина переходного участка
l>4(s-si),
для отливокиз чугуна, магниевых и алюминиевых сплавов и
l>5(s-si),
для отливок из стали и медных сплавов.
Минимальная толщина стенок назначается так, чтобы обеспечить необходимую расчетную прочность и удовлетворить требованиям технологии выбранного способа литья. Наименьшую толщину стенок определяют в зависимости от приведенного габарита заготовки:
N= (2l+b+h)/3,
где l, b, h — соответственно длина, ширина и высота заготовки, м.
Для отливок, получаемых литьем в песчаные формы, минимальную толщину стенок определяют по графикам (рис. 3.5). Если приведенный габарит N окажется больше 8, толщину стенок принимают для стальных и чугунных отливок соответственно не менее 40 и 30мм. При N не более 0,1 минимальную толщину стенок принимают: для алюминиевых сплавов - до 2 мм, для медных оловянных сплавов — 2,5, для безоловянных сплавов — 4 мм.
Рациональные соотношения размеров угловых и Т-образных (тавровых) сопряжении приведены в табл. 3.1 и 3.2.
Необходимо отметить, что угловое сопряжение при правильном конструировании имеет наименьшую склонность к образованию усадочной раковины. Тавровое же сопряжение наиболее опасно в этом отношении, особенно при наличии острых углов, большой разнице толщин сопрягаемых стенок и больших радиусах 'закруглений, так как все эти факторы создают большие скопления металла и неблагоприятные условия охлаждения и кристаллизации.
К-образные и крестообразные сопряжения стенок создают в местах пересечений большое скопление металла (рис. 3.6). Из-за замедления охлаждения в этих местах возникает опасность образования усадочных рыхлот. В этом случае скопление металла необходимо рассредоточить путем смещения стенок, местного утонения, уменьшения радиуса закругления и т. п.
В связи с тем, что у литых конструкций необходимо обеспечить минимальную толщину стенок, для повышения прочности и жесткости отливок следует применять оребрение нагруженных стенок. Однако это ведет к увеличению концентрации напряжений, а в местах пересечения ребер со стенками - к скоплению излишнего металла. Поэтому для обеспечения технологичности конструкции отливки необходимо обеспечить свободную деформацию ребер при усадке, для чего ребра должны располагаться перпендикулярно к плоскости разъема формы.
Рисунок 3.6 -К-образные и крестообразные сопряжения стенок:
а — нетехнологнчио; б — технологично; 1 — усадочная рыхлота; 2— разгрузочное отверстие
Толщина наружных ребер жесткости не должна пр