Считается установленным, что увеличение прочности отливок достигается не столько путем увеличения толщины их тела, сколько улучшением структуры чугуна в связи с переходом на тонкостенные конструкции, усиленные ребрами, приливами, окантовкой. Кроме того, прочность чугунных отливок зависит не только от механических свойств чугуна, но и в значительной мере от их конструктивной формы. Наибольшей прочностью обладают отливки, выполненные в виде таврового и коробчатого сечения.
Обладая высокими литейными свойствами, чугун может быть применен для отливок любой формы. Как уже указывалось, в настоящее время широко используются асимметричные конструкции, в которых металл распределен наиболее выгодно по отношению к нагрузке. Однако при создании технологичной конструкции необходимо стремиться не только к лучшему использованию материала, но и получению отливки, лишенной литейных пороков и внутренних напряжений.
Так как чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, то чугунные отливки при надлежащей форме по своей прочности могут не уступать стальным, несмотря на недостаточную упругость. На рисунке показана конструкция станины токарного станка, отлитая из стали (а) и из чугуна (б). Если сравнить открытую станину, изготовленную из стали, со станиной такой же формы, изготовленной из чугуна, то чугунная, конечно, окажется менее прочной. Но используя положительное свойство чугуна — жидкотекучесть, станине можно придать иную конфигурацию , бла-годаря которой получится облегченная конструкция, отличающаяся максимальной прочностью на изгиб и скручивание. Чугунные отливки, с тонкими стенками охлаждаются с повышенной скоростью, благодаря этому структура получается мелкозернистой, выделения графита мелкими, а отливка достаточно прочной. Усадочные напряжения в отливках из чугуна меньше, чем в отливках из других сплавов, так как чугун имеет небольшую объем-ную усадку. Чугунные отливки, работающие под большим внутренним давлением, как правило, имеют минимальные припуски на механическую обработку по наружной поверхности, так как мелкозернистый поверхностный слой отливки наряду с повышенными механическими свойствами обладает высокой плотностью. Если деталь работает в очень тяжелых условиях, плотность отливки можно увеличить, получая ее в металлической форме или применяя холодильники при литье в песчаную форму. Но главным условием сохранения плотности отливки является равномерность толщины ее стенок. Для этого при конструировании чугунных деталей должны быть приняты меры, исключающие местные скопления металла.
Получение тонкостенной отливки требует тщательного проведения технологического процесса формовки и сборки формы. Если деталь изготовляется с применением стержней, их установка во избежание перекосов должна осуществляться на массивных знаках, а не на жеребейках. Последние, не свариваясь с телом отливки, способствуют образованию пористости, особенно недопустимой для деталей, работающих под давлением.
На рисунке показана литая конструкция кронштейна, высокой прочности которого добились за счет придания детали соответствующей формы. Ребра жесткости, имеющие толщину всего 4 мм, хотя и препятствуют протеканию процесса свободной усадки, все же обеспечивают максимальную равностенность детали. Исключено скопление металла в местах сочленения и уменьшена возможность коробления и появления усадочных пороков в отливке.
При конструировании деталей из ковкого чугуна, усадка которого в 1,5-2 раза больше усадки серого, особое внимание необходимо уделять выбору формы сечений и равномерности толщины стенок. Наиболее выгодными являются сечения коробчатого и таврового вида, из которых тавровые открытые сечения вследствие меньшего сопротивления усадке являются наилучшими.
Детали из ковкого чугуна, с целью предупреждения возникновения горячих трещин, снабжаются ребрами жесткости. Чтобы в процессе формовки они не мешали свободному удалению модели из формы, применять их следует только на горизонтальных плоскостях модели. Сочленение ребер жесткости с основным телом отливки осуществляется так же, как и в отливках из стали и чугуна. При расстановке ребер жесткости, учитывая хорошую сопротивляемость ковкого чугуна сжимающим нагрузкам, необходимо добиваться, чтобы они работали на сжатие, а тело Отливки на растяжение.
При конструировании деталей из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом следует учитывать склонность этого чугуна к образованию сосредоточенных усадочных раковин. Поэтому особенно важно в отливках из высокопрочного чугуна не допускать местных скоплений металла и создавать условия для направленного затвердевания. Для этого стенкам отливки придают необходимую конусность. Отливки из высокопрочного чугуна склонны к образованию холодных трещин, поэтому переход от массивных сечений плавным.
Знание процесса кристаллизации и свойств чугуна позволяет правильно решать вопросы конструирования литых деталей. Для получения высококачественных деталей необходимо:
а)по возможности уменьшать толщину стенок;
б)делать равномерный и плавный проход от толстых сечений к тонким;
в)использовать хорошую жидкотекучесть чугуна для создания технологичных деталей;
г)эффективно использовать литейную корку для получения гидропрочных отливок.
КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ
Номенклатура литых деталей из стали из года в год расширяется. Этому в немалой степени способствует высокая технологичность создаваемых конструкций. Но все же, несмотря на высокие механические свойства литой стали, замена кованых деталей литыми идет еще крайне медленно. Это отчасти объясняется тем, что не всегда удается получение отливок, свободных от усадочных и газовых раковин, шлаковых и неметаллических включений. Кроме того, труден еще расчет прочности литых деталей, который необходимо проводить с учетом не только механических свойств стали и особенностей эксплуатации отливок, но и с учетом особенностей ее литой структуры, зависящей от технологии производства. Следовательно, конструкция отливок определяется как механическими, так и литейными свойствами стали.
Литейные свойства стали, несмотря на ее высокую температуру плавления, очень низки и создают большие неудобства при проектировании отливок. Высокая объемная усадка требует применения больших прибылей и особых способов питания металлом утолщенных мест отливок. Нередко в связи с этим вес отливки составляет меньше половины веса жидкого металла, заливаемого в форму.
Уменьшение числа прибылей на отливках возможно лишь в случае, когда отливки не имеют разобщенных друг от друга тонкими стенками толстых сечений или когда отливки сплошь равностенны и не требуют больше одной прибыли. Но самой совершенной конструкцией литой детали, изготовляемой из стали, следует считать такую конструкцию, которая не требует применения прибылей. Появление таких отливок, не нуждающихся в установке прибылей, является результатом длительных исканий и творческих усилий конструкторов и технологов.
Получение бесприбыльных отливок возможно при условии, если толщина их основных стенок находится в пределах не больше 8-10 мм. При этом с целью получения максимальной прочности необходимо строго придерживаться правила равностенности отливки и только в редких случаях допускать утолщенные места, оформляя их плавными переходами от одного сечения к другому. Если все же в отливке образуется усадочная раковина, в каждом отдельном случае необходимо решать вопрос, ослабляется ли конструкция вследствие наличия этого порока и нельзя ли переместить его в те места отливки, где его присутствие не отразится на прочности этой конструкции.
Во многих случаях усадочная раковина, располагаясь внутри массивной части отливки, не влияет на ее прочность и не уменьшает ее надежности в работе. ‘К числу таких деталей относятся буферные стаканы, тормозные башмаки и некоторые детали железнодорожных вагонов. Без прибылей отливают ведущие звездочки тракторов и многие виды литого инструмента. Так, при массовом изготовлении литых резцов для бурения угля в месте перехода от хвостовика к более массивной части стального корпуса обычно появляется небольшая усадочная раковина округлой формы, слегка вытянутая вдоль оси инструмента. Резкий переход от массивного сечения к тонкому вообще понижает прочность, в резце же в этом месте имеется и раковина, устранение которой возможно, но потребовало бы усложнения процесса отливки. С целью определения допустимости указанного порока были опробованы образцы резцов с усадочной раковиной и без нее. В результате испытания на кручение (резцы при работе испытывают большой крутящий момент) был сделан обоснованный вывод, что усадочная раковина, располагаясь в области нейтральной оси, практически не оказывает влияния на прочность корпуса литого, инструмента. Конструкция резца в связи с этим не потребовала пе-ределки, а технологический процесс изготовления резца не усложнился.
Детали, для изготовления которых Применение прибылей затруднительно, необходимо отливать с холодильниками, установленными в литейной форме в местах скопления металла. Однако применение холодильников сопряжено с усложнением производства и удорожанием готовой продукции и не всегда дает положительные результаты. Поэтому при конструировании рекомендуется избегать применения холодильников, создавая отливки со стенками равной толщины, отсутствием острых углов и резких переходов от одного сечения к другому.
При конструировании литой детали конструкторы и технологи стремятся к тому, чтобы различные узлы детали питались не несколькими прибылями, а всего одной. На рисунке показаны элементы конструкции литой крышки редуктора, которая в результате кропотливых экспериментов значительно упростилась и стала технологичной. В последнем варианте в) совсем устранена внутренняя стенка, а вместе с ней и стержень, образующий в отливке полость A. B связи с улучшением конструкции значительно облегчилась обрубка и очистка отливки.
Стальные тонкостенные детали, сконструированные равностенными, после нанесения припусков на механическую обработку вследствие образования целого ряда местных утолщений иногда перестают быть технологичными. Это объясняется тем, что деталь конструировалась без учета особенностей литейного производства и возможной механической обработки, на которую полагаются соответствующие припуски. Сталь имеет низкие литейные свойства и склонна к образованию газовых раковин на поверхности отливок, поэтому припуски на механическую обработку достигают 8-10 мм для мелких и средних и 10-15 мм для крупных отливок. При литье тонкостенных деталей местное увеличение толщины стенок за счет припусков на механическую обработку может резко изменить технологичность конструкции. Например, на отливке, показанной на рисунке, нанесение припуска 1 на обработку создало местное утолщение, не доступное для питания его прибылями. Это сопровождалось повышенным браком отливок. В некоторых случаях после нанесения припуска разница в толщине стенок достигает таких размеров, что изготовление здоровой отливки без применения большого количества прибылей становится очень трудным. Однако установкой прибылей не всегда удается ликвидировать местную рыхлость и усадочные раковины, тогда как в ряде случаев значительные скопления металла устраняются без особых затруднений. На рисунке показана деталь с устраненными и неустраненными узлами скопления металла. В этой детали излишнее скопление металла устранено с помощью создания выемки 3, замены сплошного основания 1 прерывистым и установкой дополнительных стерженьков для получения литых отверстий 2. Указанные мероприятия полностью предохраняют отливку от возникновения усадочной рыхлости в утолщенных местах и в местах сочленения ребер жесткости с основной стенкой.
В деталях, в которых максимальную равноценность достичь невозможно и в которых неизбежны местные утолщения, необходимо стремиться к такому размещению утолщений, чтобы они легко питались металлом из близлежащей прибыли.
Сталь, как указывалось выше, имеет повышенную склонность к образованию усадочных раковин; при этом, чем толще стенки отливки, тем больше вероятность появления этих раковин. Поэтому прочность отливки определяется не столько толщиной стенки, сколько правильным размещением металла и выбором надлежащего профиля сечения. В связи с этим для стали так же, как и для чугуна, применение ребристых и коробчатых сечений, вместо сплошных, наиболее рационально.
Отливки с ребристыми сечениями имеют по сравнению с другими целый ряд преимуществ, главные из которых направленное затвердевание и меньшая склонность к образованию трещин. Отливки с ребристыми сечениями представляют собой легкие технологичные конструкции, обладающие вследствие отсутствия пороков усадочного происхождения большой прочностью.
В литых стальных деталях во избежание развития внутренних напряжений следует избегать применения сплошных плоских стенок, прямых ребер жесткости и больших фланцев. Рекомендуется, особенно в крупных отливках, в стенках и ребрах устраивать окна, способствующие разгрузке этих напряжений. Стенки следует делать не плоскими, а изогнутыми, для того чтобы они меньше сопротивлялись процессу усадки.
КОНСТРУИРОВАНИЕ ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ,АЛЮМИНИЯ
Отливки из алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы, подобно стали, обладают большой объемной и линейной усадкой, в результате чего конструирование алюминиевых отливок принято производить согласно правилам, установленным для стальных деталей. Исключения не составляют даже силумины, которые по сравнению с другими алюминиевыми сплавами обладают наибольшей жидкотекучестью, наименьшей усадкой и незначительной склонностью к образованию усадочных трещин. По своим литейным свойствам силумины ближе к стали, чем к чугуну.
При конструировании алюминиевых деталей следует учитывать не только механические свойства сплава, но и литейные. Очень часто жидкотекучесть является решающим свойством при решении вопроса о выборе сплава для сложных по форме деталей, так как только в этом случае представляется возможным получение здоровых отливок. Благодаря хорошим литейным свойствам силумины нашли более широкое применение, чем другие алюминиевые сплавы, особенно для тонкостенного литья. Детали из алюминиевых сплавов, особенно те из них, которые отлиты в песчаную форму, обладают одним существенным недостатком: для них характерна пористость. В связи с этим для получения плотных отливок рекомендуется литье под давлением, литье с затвердеванием отливок в автоклаве, литье в металлические формы и модифицирование жидкого металла перед его разливкой по формам. Массивные сечения отливок вследствие наличия пор, надрывов, ликвационных участков и осевой рыхлости имеют, как правило, пони-женные прочностные характеристики. Поэтому при конструировании следует учитывать это обстоятельство и назначать минимально допустимую толщину стенок. Кроме того, необходимо избегать острых углов, переходов от одного сечения к другому и по возможности соблюдать правило равностенности.
В деталях, имеющих ребра жесткости, в местах сочленения ребер с основными стенками рекомендуется делать выемки с целью устранения возможности образования рыхлости и усадочных раковин. На рисунке показаны конструкции отливок из чугуна и алюминиевых сплавов. Алюминиевые детали проектируются с максимальной равностенностью, что способствует повышению их качества.
Литые детали из алюминиевых сплавов следует изготовлять с минимальными припусками, так как при механической обработке снимается наиболее прочный поверхностный слой с отливок. Однако склонность алюминиевых сплавов к образованию поверхностного окисного слоя во время заливки отрицательно сказывается на жидкотекучести металла и качестве отливок. Учитывая эти особенности алюминиевых сплавов, необходимо создавать такие конструкции де-талей, которые имели бы простые плавные формы без выступов и карманов и легко заполнялись металлом. При этом должна быть обеспечена возможность беспрепятственного удаления окислов из полости литейной формы в прибыль или в выпоры.
