Обработка деталей

        Первая группа  факторов связана с условиями  заливки расплава и качеством  изготовления литейной формы,  которые влияют на геометрические  и размерные характеристики заготовки.

        Вторая группа  связана с условиями кристаллизации  расплава и охлаждения отливки.  Эти факторы определяют возможность  получения детали с заданным  кристаллическим строением и  вероятность появления в ней  дефектов (раковин, трещин и др.)

4. Выбор рационального способа изготовления отливки проектируемой детали

        Инструментами  для изготовления отливок являются  литейные формы, которые классифицируют  по числу заливок: разовые и  многократно используемые, а также  по материалу формы: песчаные, металлические и т.п. В зависимости от числа заливок в формы существующие способы литья можно разделить на две группы:

         1. Литье  в разовые формы - песчаные  формы (ПФ) (фильм), оболочковые формы  (ОФ) (фильм), по выплавляемым моделям  (ВМ) и др.

         2. Литье  в многократно используемые формы  - в кокиль (К) (фильм), центробежное (Ц) (фильм), под давлением (Д) и  др.

         Сущность  способов литья, их технологические  возможности (табл. 21.1) и практическое  освоение приемов изготовления  отливок были изучены студентами  при прохождении учебно-технологического  практикума. Поэтому в курсе лекций  по ТКМ основное внимание уделено  методике выбора рационального  способа получения отливки при проектировании изделия.

Таблица 21.1 Технологические возможности основных способов литья

    Одну и ту же деталь  можно изготовить из заготовок,  полученных различными способами.  Одним из основополагающих принципов  выбора способа получения отливки  (в условиях массового и крупносерийного  производств) является обеспечение  максимального приближения ее  размеров к проектируемой детали. В этом случае существенно  сокращается расход металла, объем  механической обработки и производственный  цикл изготовления детали. Однако  при этом в заготовительном  производстве увеличиваются расходы  на технологическое оборудование  и оснастку, их ремонт и обслуживание. Поэтому при выборе способа  получения заготовки следует  проводить технико-экономический  анализ двух этапов производства - заготовительного и механообрабатывающего.

         Основными  факторами, определяющими выбор  способа получения отливки, являются  те же, что и при проектировании  поковки (см. лекцию №17). Конструкторско-технологическими  признаками изделия являются: форма  и размеры заготовки; требуемая  точность и качество поверхностного  слоя; технологические свойства  материала заготовки и программа  выпуска.

         Форма и  размеры заготовки. Литье в  песчаные формы и по выплавляемым  моделям позволяет получить заготовки  сложной формы с различными  полостями и отверстиями. В  тоже время, некоторые способы  литья (под давлением, центробежное  и др.) выдвигают определенные  ограничения к свойствам расплава, форме отливки и условиям ее  изготовления.

         Максимальные  размеры и масса заготовок,  минимальные значения толщины  стенок и массы отливок, а  также химический состав расплава  часто являются параметрами, определяющими  выбор оптимального способа литья.  Так, масса и размеры отливок  при литье в песчаные формы  практически не ограничены, а  заготовки с толщиной стенки  равной 0,5 мм могут быть получены  литьем по выплавляемым моделям  и под давлением. При этом  литьем под давлением изготавливают,  как правило, отливки только  из цветных металлов и их  сплавов.

         С увеличением  точности отливок возникают затраты  на их изготовление. Это определяется  главным образом увеличением  стоимости оснастки, уменьшением  допуска на ее износ, применением  оборудования с более высокими  параметрами точности, увеличением  расходов на его содержание  и эксплуатацию.

         Качество  поверхностного слоя заготовки  влияет на технологический процесс  ее последующей обработки и  на эксплуатационные свойствах детали (например, усталостная прочность, износостойкость). Оно формируется практически на всех стадиях изготовления заготовки. Выбранный способ литья определяет не только макрогеометрию поверхности, но и физико-механические свойства поверхностного слоя.

         В качестве  примера сравним заготовки, изготовленные  литьем в песчаных формах и  под давлением. В первом случае  получают шероховатую поверхность.  При обработке такой заготовки  в процессе резания возникает  неравномерная нагрузка на инструмент, что, в свою очередь, снижает  точность обработки. Заготовки,  получаемые литьем под давлением,  имеют низкую шероховатость (Ra 40...10 мкм). Однако в связи с высокой скоростью охлаждения и отсутствием податливости формы в поверхностном слое отливки возникают остаточные напряжения растяжения, которые могут привести к короблению заготовки или образованию трещин.

         Технологические  свойства материала отливки. Каждый  способ изготовления заготовок  требует от расплава определенного  комплекса литейных свойств. Поэтому  часто технологические свойства  материала накладывают ограничения  на выбор способа получения  отливки. Так, серый чугун имеет  высокие литейные свойства, поэтому  отливки из этого сплава могут  быть получены всеми известными  способами литья. При изготовлении  заготовок из высоколегированных  сталей, характеризующихся низкой  жидкотекучестью, как правило,применяют способ литья по выплавляемым моделям.

         Литейные  свойства расплава оказывают  влияние на себестоимость изготовления  отливок. Например, переход при  изготовлении отливок из чугуна  к стали, повышает себестоимость  заготовок (без учета стоимости  материала) на 20…30%.

         Тип производства  влияет на выбор способа получения  отливок. Например, в условиях  крупносерийного и массового  производств рентабельны способы  литья с использованием металлических  и оболочковых форм. В единичном  производстве отливок может окупиться  только простая и недорогая  оснастка, например, при литье в  песчаные формы применяют деревянные  модели. При этом отливки имеют  припуски, напуски и литейные  уклоны больше, чем при изготовлении  заготовок специальными способами  литья. С увеличением программы  выпуска изделий становится экономически  целесообразно использовать металлические  модельные плиты при изготовлении  отливок в песчаных формах  на автоматических линиях либо  применять более дорогие специальные  способы литья. В этом случае  возможно получение заготовок  с высоким качеством поверхностного слоя и меньшими допусками и припусками на механическую обработку.

         Производственные  возможности предприятия. Процесс  проектирования изделий, изготовление  которых предполагается в условиях  действующего предприятия, следует  связать с его технологическими  возможностями. Для этого необходимо  располагать сведениями о типе  и количестве имеющегося оборудования, производственных площадях, возможностях  ремонтной базы, вспомогательных  службах и т.п.

5. Литейные свойства сплавов и их влияние

на  конструктивные размеры и форму  отливок

        К литейным  свойствам относятся технологические  свойства металлов и сплавов,  которые проявляются при заполнении  формы, кристаллизации и охлаждении  отливок в форме. Наиболее важные  литейные свойства - жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность сплавов к ликвации, образованию трещин, поглощению газов, пористости и др.

         Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки при затвердевании. Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, теплофизических свойств формы и др.

         Чистые  металлы и эвтектические сплавы  обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в широком интервале температур. Чем выше вязкость, тем ниже жидкотекучесть расплава. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме. При повышении температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, поэтому расплав заполняет ее лучше, чем металлическую форму.

         Жидкотекучесть расплава зависит от химического состава: фосфор, кремний и углерод повышают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит углерода и кремния больше, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью. Минимально возможная толщина стенок определяется величиной жидкотекучести расплава и составляет (при литье в песчаные формы) для отливок из серого чугуна - 3…4 мм, а из стали - 5…7 мм. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы.

         Усадка - свойство  литейных сплавов уменьшать объем  при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках  протекают с момента заливки  расплавленного металла в форму  вплоть до полного охлаждения  отливки. Различают линейную и  объемную усадку.

         На линейную  усадку влияют химический состав  расплава, температура его заливки,  скорость осаждения сплава в  форме, масса, конструкция отливки  и литейной формы. Так, усадка  серого чугуна уменьшается с  увеличением содержания углерода  и кремния. Усадку алюминиевых  сплавов уменьшает повышенное  содержание кремния. Увеличение  температуры заливки и скорости  отвода тепла от залитого в  форму расплава приводит к  возрастанию усадки отливки.

         Усадка  в отливках проявляется в виде  усадочных раковин, пористости, трещин  и коробления.

         Усадочные  раковины - сравнительно крупные  полости, расположенные в местах  отливки, затвердевающих последними (рис. 21.1,а). Они образуются при изготовлении отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава и с узким интервалом кристаллизации.

         Усадочная  пористость - скопление пустот, образовавшихся  в отливке в тех местах, которые  кристаллизуются последними без доступа к ним расплавленного металла (рис. 21.1,б). Вблизи температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом, что приводит к разобщению ячеек, заключающих в себе остатки жидкой фазы. В результате усадки в каждой ячейке образуется небольшая усадочная раковина. Множество таких межзеренных раковин образуют пористость, которая располагается по границам кристаллитов.

Рис. 21.1 Схема образования усадочной  раковины (а) и усадочной пористости (б):

1 - корка твердого металла; 2 - новый  твердый слой металла; 3 - усадочная  раковина;

4 - жидкая фаза; 5 - разобщенные ячейки; 6 - усадочная пористость

        Для устранения  усадочных раковин в отливках  устанавливают прибыли - резервуары, которые обеспечивают доступ  расплавленного металла к участкам  отливки, затвердевающим последними. Однако, прибыль не всегда может обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки (рис. 21.2,а). В этом месте образуются усадочная раковина и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли 3 (рис.21.2,б) устраняет образование усадочной раковины и пористости. Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных (рис. 21.2, в) или внутренних (рис. 21.2, г) холодильников. Они способствуют выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей изделия.

         В отливках  в результате неравномерного  затвердевания расплава и торможения  усадки формой при охлаждении  возникают напряжения, которые тем  выше, чем меньше податливость  формы и стрежней. Для предупреждения  возникновения горячих трещин  при проектировании отливок необходимо  избегать резких переходов от  толстой части к тонкой, острых углов, выступающих частей и т.п. Кроме того, для предупреждения этих дефектов необходимо при изготовлении отливок создать в них условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры, равномерному охлаждению и увеличению податливости литейных форм. В целях предотвращения образования холодных трещин и коробления отливок целесообразно применять холодильники (внутренние и внешние), которые позволяют выравнивать скорость охлаждения толстых и тонких частей заготовок.