Моргунов В.Н. Основы конструирования отливок. Параметры точности и припуски на механическую обработку

Подождите немного. Документ загружается.

– повышение плотности отливок и основных механических ха-

рактеристик на 15–30 % по сравнению с литьем в песчаные формы;

– повышение точности изготовления отливок; размерная точ-

ность может достигать 15-го квалитета, а шероховатость поверхно-

сти соответствовать Rа 20 – Rа 5,0;

– увеличение выхода годного до 75–95 % и снижения припус-

ков на механическую обработку.

Основными

недостатками кокильного литья являются:

– увеличенная продолжительность подготовки производства

отливок;

– ограничение по серийности производства отливок (для круп-

ногабаритных отливок не менее 20 шт.; для мелких отливок из чугу-

на – не менее 400 шт.; для отливок из алюминиевых сплавов – не ме-

нее 400–700 шт.);

– большая трудоемкость изготовления литейной оснастки;

– ограничение по

сложности конструкции, толщине стенок и

габаритам отливок;

– повышенная чувствительность к изменениям параметров

процесса;

– повышенная поверхностная неоднородность структуры, со-

става и механических свойств отливок;

– большая склонность отливок к образованию трещин.

Целесообразность и область применения

Кокильное литье целесообразно применять в массовом и серий-

ном производстве отливок. Особо широкое распространение оно

на-

шло в производстве отливок из цветных сплавов (алюминиевых,

магниевых, медных и т. п.). По конфигурации отливки, изготовляе-

мые литьем в кокиль, достаточно разнообразны: от простых, типа

плит и колосников, до особо сложных, типа головок блоков цилинд-

ров, поршней, различных корпусных деталей и т. п.

В механизированных кокильных установках изготавливают

чу-

гунные и стальные отливки массой до 160 кг, а из цветных сплавов

до 30 кг. В немеханизированных кокильных цехах (участках), на-

пример тяжелого машиностроения, изготавливают чугунные отливки

до 14 т, стальные – до 4 т, из цветных сплавов – до 0,5 т.

Чугунные и стальные отливки литьем в кокиль целесообразно из-

готавливать, если они несложной конфигурации, достаточно массив-

ные, с отсутствием механической обработки (или незначительной

обработкой), с повышенными требованиями к их плотности, герме-

тичности и износостойкости.

Литье

в кокиль накладывает определенные требования к конст-

рукции литой детали, толщине ее стенок, габаритным размерам, ко-

нусности поверхностей и т. п.

Литые детали из стали и высокопрочного чугуна, изготовляемые в

кокиль, должны быть достаточно простой конфигурации и иметь

толщину стенок не менее 8–10 мм.

Нежелательно изготавливать литьем в кокиль отливки из

чугуна с

пластинчатым графитом с толщиной стенки менее 4 мм при ее пло-

щади до 25 см

, с толщиной стенки менее 6 мм при ее площади от

25 до 125 см

, с толщиной стенки менее 10 мм при ее площади свыше

125 см

Нежелательно изготавливать литьем в кокиль отливки из алюми-

ниевых сплавов с толщиной стенки менее 3 мм при ее протяженно-

сти до 125 мм, с толщиной стенки менее 6 мм при ее протяженности

от 120 до 250 мм, с толщиной стенки менее 8 мм при ее протяженно-

сти от 250 до 350 мм и с толщиной стенки менее 12 мм

при ее протя-

женности от 350 до 500 мм.

Для упрощения извлечения отливок из кокиля в конструк-

ции литой детали необходимо предусматривать конусность

стенок, перпендикулярных плоскости разъема, внешних, по-

рядка 0,5–1,0°, а внутренних – порядка 1,5–3,0°.

3.2.6. Литье под низким давлением

При литье под низким давлением литые формы (в основном ме-

таллические – кокиля) заполняются расплавом снизу под давлением до

100 кПа. Затвердевание отливки в форме происходит так же под дей-

ствием давления. Разновидностями литья под низким давлением яв-

ляются литье с противодавлением и литье вакуумным всасыванием.

Литье с противодавлением совмещает литье под

низким давлени-

ем в период заливки, а в период кристаллизации – автоклавное литье.

Это позволяет регулировать скорость заполнения форм расплавом и

производить дегазацию в период затвердевания отливки в форме, что

приводит к получению отливок повышенного качества.

Литье вакуумным всасыванием применяется для изготовления

полых отливок, стенки которых кристаллизуются в специальном

кристаллизаторе при

всасывании в него расплава из печи. Незатвер-

девший расплав затем сливается из кристаллизатора обратно в печь.

Основными преимуществами данного способа литья являются:

– возможность создания последовательного затвердевания от-

ливки; причем массивные части отливки располагают снизу, где есть

подпитка из печи через металлопривод;

– создание избыточным давлением условия для получения бо-

лее

плотной отливки с высокой размерной точностью;

– обеспечение повышенного выхода годного своеобразной за-

ливкой формы снизу непосредственно из печи до 80–98 %;

– достаточно высокий уровень автоматизации процесса.

Целесообразность применения данного способа из-за сложности

оборудования возможна только при массовом производстве отливок.

Преимущественно литьем под низким давлением изготавливают от-

ливки из алюминиевых и

медных сплавов с минимальной толщиной

стенок: у отливок из алюминиевых сплавов – до 1,5 мм (оптималь-

ная – 6–10 мм); у отливок из медных сплавов – до 3,0 мм (оптималь-

ная – 8–12 мм).

3.2.7. Литье под давлением

Литье под давлением является одним из наиболее совершенных

способов массового производства отливок. При этом способе дости-

гаются хорошая заполняемость литейной формы, высокая размерная

и поверхностная точности отливок.

При литье под давлением применяется металлическая форма мно-

горазового использования, которая называется пресс-формой. Эта

форма заполняется расплавом под действием внешней силы, значи-

тельно

превосходящей силу тяжести. Затвердевание отливки в пресс-

форме происходит при избыточном давлении. Заполнение пресс-

формы расплавом и поддержание избыточного давления осуществ-

ляется специальным узлом прессования, который включает в себя

камеру прессования и поршень. Камера прессования соединена с по-

лостью пресс-формы литниковым ходом (щелевым питателем).

Пресс-формы для литья под

давлением представляют собой слож-

ный и точный инструмент. Для обеспечения необходимой точности

размеров отливки размеры рабочих поверхностей пресс-формы вы-

полняют по 8-му квалитету, а посадочные размеры сопрягаемых час-

тей – по 8–6-му квалитетам с параметром шероховатости поверхно-

сти Rа

2,5 – Rа

0,63.

Технология литья под давлением отличается очень коротким цик-

лом и реализуется в специальных машинах. По устройству узла прес-

сования машины литья под давлением могут быть:

– с вертикальной горячей камерой прессования;

– с вертикальной холодной камерой прессования;

– с горизонтальной холодной камерой прессования.

Машины с горячей вертикальной камерой прессования применя-

ются для изготовления отливок из сплава с низкой температурой

плавления (цинковые, свинцово-сурмянистые и магниевые сплавы).

Преимуществом этих машин является то, что раздаточная печь с уст-

ройствами дозирования и запрессовки находится непосредственно в

машине. Поэтому их производительность очень высока и достигает

1000–3600 запрессовок в час.

Технологические возможности машин с холодной горизонтальной

камерой прессования более широкие. Эти машины позволяют полу-

чать достаточно габаритные, сложные отливки из сплавов с более

высокой температурой плавления. В основном в машинах этого типа

изготавливают отливки из алюминиевых сплавов, латуней и магние-

вых сплавов.

В машинах с горизонтальной камерой прессования затруднитель-

но изготовление крупногабаритных отливок коробчатого типа. Для

изготовления отливок данного типа применяются машины с верти-

кальной холодной камерой прессования и центральным расположени-

ем литникового хода

Особенности литья под давлением

Особенности литья под давлением обусловлены условиями за-

полнения пресс-формы и питания отливок. Сплав заполняет пресс-

форму за доли секунды (0,1–0,6 с) при скорости до 120 м/с. При та-

ких условиях заливки только часть газов (воздух и пары смазочного

материала) удаляется из формы через венты (порядка 10–30 %). В

форме образуется воздушно-металлическая эмульсия, которая затем

затвердевает. Поэтому отливки имеют специфический дефект – газо-

вую пористость. Их нежелательно подвергать термообработке.

Вследствие гидравлического удара поверхностный слой отливки

(порядка 0,02–0,2 мм) получается плотным без газовых раковин. Это

необходимо учитывать при назначении механической обработки и

припусков на эту обработку.

В толстых стенках отливки могут

возникать усадочные раковины.

Во избежание их возникновения толщину стенок отливки при литье

под давлением не рекомендуется выполнять выше 6 мм.

Под действием гидравлического удара пресс-формы по разъему

могут разойтись. Это приводит к разбрызгиванию сплава и к образо-

ванию в дальнейшем заливов, а также к снижению размерной точно-

сти отливок.

Для предупреждения

образования газовых раковин в отливках при

литье под давлением могут производиться:

– вакуумирование полости пресс-формы и жидкого расплава;

– увеличение сечения питателей, чтобы они затвердевали позд-

нее отливки (это позволяет сделать допрессовку жидкого сплава в

тело затвердевающей отливки);

– заполнение полости пресс-формы перед началом запрессовки

кислородом (до полного вытеснения воздуха); кислород после за-

прессовки расходуется на окисление небольшой части расплава с

образованием оксидов, а основной источник образования газовой

пористости – азот – в данном случае отсутствует.

Основные преимущества и недостатки литья под давлением

Сочетание таких особенностей в литье под давлением

, как ис-

пользование металлической формы и высокого избыточного давле-

ния, действующего на металл в форме, позволяет получать отливки с

достаточно высокими механическими свойствами, высокой размер-

ной точностью и малой шероховатостью поверхности. Отливки, по-

лученные литьем под давлением, соответствуют 15–12-му квалите-

там размерной точности (можно добиться размерной точности

до 11–12 квалитетов). Шероховатость

поверхности соответствует

10 –

Ra 5,0. Прочностные свойства отливок, изготовленных лить-

ем под давлением, на 15–20 % выше по сравнению с их предполагае-

мым изготовлением в песчаных формах. Как правило, литые детали,

полученные литьем под давлением, не подвергают механической об-

работке, за исключением посадочных мест.

К преимуществам литья под давлением можно отнести:

– полное исключение формовочных и стержневых

смесей, а

также трудоемких операций формовки, сборки и выбивки форм;

– возможность изготовления отливок с малой толщиной стенок

(до 0,5 мм) и отверстиями диаметром до 1,0 мм;

– возможность изготовления отливок с элементами резьбовых

соединений (особенно литых деталей из цинковых сплавов – бараш-

ковые и колпачковые гайки, винты и т. п.);

– возможность

комплексной автоматизации производственного

процесса;

– возможность изготовления армированных отливок. Армиро-

вание отливок при литье под давлением решает определенные конст-

рукторские задачи, такие как:

– местное увеличение прочности литой детали и изменение в

отдельных элементах детали физических, механических и химиче-

ских свойств (износостойкости, электромагнитных, теплофизических

свойств и т. п.);

– экономия дефицитных материалов;

– формирование сложных внутренних полостей, системы раз-

ветвленных, изогнутых каналов и т. д.

Литье под давлением (по сравнению с литьем в песчаные формы)

снижает трудоемкость изготовления отливок в 10–20 раз, а готовых

деталей, прошедших механическую обработку, в 5–8 раз.

недостаткам литья под давлением можно отнести:

- достаточно высокую стоимость пресс-форм, сложность и

длительность их изготовления (стоимость пресс-формы в среднем в

3–5 раз выше стоимости кокиля, что необходимо учитывать при вы-

боре способа литья: кокиль – литье под давлением);

- невысокую стойкость пресс-форм, особенно при литье спла-

вов с

высокой температурой плавления (при литье медных сплавов

стойкость составляет 5–20 тыс. запрессовок; при литье алюминиевых

сплавов – 30–50 тыс. запрессовок);

- трудность выполнения отливок со сложными полостями и

поднутрениями;

- неподатливость металлической формы (возникновение внут-

ренних напряжений);

- ограничение номенклатуры отливок как по конструкции, так

и по применяемому сплаву;

- ограничение по серийности

производства (серия не менее

5000–10000 шт.; если исключить из процесса механическую обра-

ботку, то серия изготовления по целесообразности применения

уменьшается до 3000–4000 шт.).

Кроме этого, сплавы для литья под давлением должны обладать

определенными свойствами:

– узким интервалом кристаллизации, необходимым для полу-

чения отливок с равномерной плотностью;

– достаточными прочностью и пластичностью при

высоких

температурах во избежание разрушения отливки при ее извлечении

из формы;

– высокой жидкотекучестью;

– малой степенью привариваемости к материалу формы;

– стабильным химическим составом при длительной выдержке

в раздаточных печах.

Целесообразность и область применения

Литье под давлением является основным способом изготовления

отливок из алюминиевых, магниевых, цинковых и медно-цинковых

сплавов в массовом их производстве (корпуса карбюраторов, блоки

цилиндров, головки блока цилиндров

, детали сантехнической арма-

туры и т. п.). Масса отливок, изготавливаемых литьем под давлени-

ем, находится в пределах от нескольких граммов до десятков кило-

граммов с габаритами до 600–800 мм, но самый распространенный

развес отливок от 0,15 до 0,2 кг.

Литьем под давлением изготавливают цилиндрические и кониче-

ские зубчатые колеса диаметром 12–15 мм (шириной от 1,5

до 20 мм)

из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Отливки

зубчатых колес, как правило, не подвергаются механической обра-

ботке, т. е. верхний, прочный слой не снимается, что резко увеличи-

вает износостойкость зубчатых колес. Так, прочность и износостой-

кость зубчатых колес из медных сплавов соизмеримы с прочностью

и износостойкостью зубчатых колес из

углеродистой стали.

Применение чугуна и стали для изготовления отливок литьем под

давлением ограничено из-за низкой стойкости пресс-форм. Чугуны

вообще при литье под давлением применяются редко из-за возникно-

вения в отливках горячих трещин и отбела их поверхности. Для изго-

товления тонкостенных отливок из стали литьем под давлением при-

меняют в основном марки стали: 20Л; 10Х18Н9ТЛ и 20 Х13Л. Пресс-

формы в данном случае изготавливают из спеченных тугоплавких

сплавов на основе молибдена и вольфрама.

Основным требованием к конструкции литых деталей, изготов-

ляемых литьем под давлением, является выполнение по возможности

наименьшей толщины их стенок. В случае недостаточности прочно-

сти

и жесткости стенок следует укреплять их ребрами жесткости.

Толщина ребер жесткости при этом должна составлять 0,8–0,9 тол-

щины стенки.

3.2.8. Штамповка жидких металлов

Недостатки и особенности литья под давлением послужили пред-

посылкой к разработке нового технологического процесса, являюще-

гося разновидностью литья под давлением, – штамповки жидкого

металла.

Сущность метода заключается в том, что жидкий металл подают

непосредственно в металлическую форму и под давлением прессую-

щего пуансона (50–150 МПа) происходит уплотнение залитого ме-

талла. Сопряжение пуансона

и матрицы образует закрытую фасон-

ную полость. Наружные контуры отливки получают разъемной фор-

мой, если деталь имеет наружные выступы, или неразъемной фор-

мой – при отсутствии выступов; внутренние полости образуются

внедрением пуансона в жидкий металл.

Технологический процесс штамповки отливки из жидкого метал-

ла объединяет в себе процессы литья, горячей объемной штамповки

и выдавливания. Штамповкой жидкого металла изготавливают от-

ливки различной массы и сложности из цветных литейных и дефор-

мируемых сплавов на основе алюминия, меди и магния. Применение

черных металлов при получении отливок штамповкой жидкого ме-

талла ограничено, так как это значительно снижает стойкость форм.

Использование давления при формировании обеспечивает воз-

можность получения

острых и четких граней, высокой чистоты по-

верхности, плотности металла и повышенных механических свойств.

При штамповке из жидкого металла устраняется основной недоста-

ток литья под давлением – газовые и усадочные раковины. Кристал-

лизация отливок происходит в условиях напряженного состояния

всестороннего сжатия. При этом повышается пластичность сплавов,

что позволяет штамповать хрупкие сплавы,

например оловянные

бронзы.

Основное оборудование для штамповки из жидкого металла –

фрикционные или гидравлические прессы. Конструкция форм анало-

гична закрытым штампам для горячей объемной штамповки, матери-

ал форм – теплостойкие стали типа ХВГ, 3ХВ8.

Особенности литья

Штамповку из жидкого металла осуществляют в двух вариантах:

с кристаллизацией под поршневым давлением и выдавливанием из

жидкого металла.

Литье с кристаллизацией под поршневым давлением нашло при-

менение при изготовлении уплотненных сплошных отливок и ком-

пактных толстостенных фасонных отливок с толщиной стенок от

7 мм и выше, а также биметаллических

деталей арматуры. Залитый в

металлическую форму жидкий металл подвергают давлению со сто-

роны пуансона для уплотнения. Пуансон перекрывает матрицу и воз-

действует на металл. Избыток металла вытекает через систему выпо-

ров, прорезанных в вершине матрицы. Металл подвергают давлению

в течение всего периода времени, необходимого для затвердевания

отливки. При литье с кристаллизацией

под поршневым давлением

наблюдается следующее:

– практически полное устранение усадочных раковин и уса-

дочной пористости, поэтому отпадает необходимость применения

прибылей;

– внешнее давление на металл заставляет газы, находящиеся в

жидком металле, оставаться в растворе, благодаря чему отсутствуют

газовые раковины и пористость, устраняется ликвация составляющих

сплава, различных по плотности;

– увеличение

скорости затвердевания отливок, что способству-

ет измельчению структуры, повышению механических свойств отли-

вок.

Штамповку выдавливанием жидкого металла применяют для по-

лучения фасонных отливок с полостями толщиной стенок 2–100 мм.

Наиболее целесообразно выдавливанием изготавливать отливки с

центральными отверстиями диаметром до 90 и толщиной стенок до

7 мм. Жидкий металл, в данном случае, заливают в

матрицу до опре-

деленного уровня. Затем давлением пуансона жидкий металл выжи-

мают в полость формы со скоростью 0,1–0,5 м/с. После окончания

формообразования давление прессующего пуансона передают на

верхние торцы отливки и на ее внутреннюю поверхность для уплот-

нения в процессе затвердевания. Выдержку металла под давлением

продолжают до полного затвердевания отливки, что

обеспечивает