Рассмотренные процессы, происходящие при кристаллизации отливки во вращающейся форме характерны для большинства сплавов. Однако имеются исключения из этого общего правила, когда центробежные силы могут оказывать вредное действие.

Исключение первое. Жидкость гетерогенная (это жидкость, состоящая из несмешиваемых компонентов), например, расплав свинцовой бронзы представляет собой эмульсионную смесь свинца и меди. Во вращающейся форме свинец центробежными силами отбрасывается к периферии, а медь, как более легкая, вытесняется к центру вращения. Ликвация может проявиться настолько сильно, что внутренняя часть отливки окажется медной. Предупредить это вредное явление можно усилением охлаждения отливки снаружи (водоохлаждаемая металлическая форма) и одновременно снижением скорости вращения формы.

Исключение второе. Выпадающая твердая фаза легче жидкости, например, заэвтектический силумин, содержащий более 12% кремния. В начале затвердевания такого сплава выделяются кристаллы чистого кремния, которые легче алюминия, и они центробежной силой оттесняются в зону последнего затвердевания отливки. Так и образуется твердая корка, то есть затвердевание идет с двух сторон от периферии и от центра. К концу затвердевания в средних слоях будут усадочные пустоты.

Область применения центробежного литья определяется особенностями процесса затвердевания отливок, техническими и экономическими преимуществами этого способа.

Центробежным способом можно получить более тонкостенные отливки, чем при литье в неподвижную форму. Производительность труда выше, а условия труда лучше, чем при литье в разовые формы.

Центробежным способом изготавливаются крупные отливки из легированных сталей, втулки и венцы из антифрикционных сплавов, детали из жаропрочных и титановых сплавов.

Глава 6Рекомендации по конструированию отливок

1.Конструктивные характеристики литой детали

Приступая к работе конструктор должен иметь техническое задание на проектирование детали, которое содержит:

• функциональное назначение с указанием рабочих и базирующих поверхностей;

• тип производства (объем выпуска).

При выполнении работы рекомендуется придерживаться последовательности приведенной ниже.

Выбор материала.

Выбор материала – весьма важный этап конструирования деталей, так как здесь закладываются многие показатели качества конструкции в целом, такие как масса, прочность, жесткость, экономичность и др.

Знание материалов и умение находить необходимый среди известного в технике широкого набора материалов обязательны для инженера-конструктора. Знать материалы – значит располагать конкретными сведениями о номенклатуре, физико-механических и технологических свойствах основных конструкционных материалов, применяемых в отрасли: необходимо также общее представление о физической природе основных конструкционных сплавов.

Определение формы.

Форма детали обуславливается формами ограничивающих деталь поверхностей, их сочетанием и соотношением; выбор форм деталей сводится к выбору форм поверхностей из набора существующих (плоскость, цилиндр, сфера и т.д.) При выборе формы руководствуются рядом критериев, из которых главными являются следующие: функция детали, конструктивная целесообразность, технологичность и эстетичность. На выбор формы рабочего и базирующего элементов решающее влияние оказывает функция детали. В работе (Кулагин В.В.) отмечается, что функция детали лишь слабо коррелирует с формами поверхностей свободных элементов, представляя конструктору широкий выбор. Это неверно. Выбор формы свободных поверхностей полностью обуславливается функциональным назначением детали. Свободные поверхности определяют прочность, жесткость, точность, размеры, эстетичность и технологичность детали.

Определение и нанесение размеров.

Геометрические размеры – основные конструктивные параметры деталей – подразделяются в зависимости от принадлежности их к структурным элементам детали на следующие:

• размеры рабочих элементов;

• размеры базирующих элементов;

• размеры, координирующие рабочие и базирующие элементы между собой;

• размеры свободных элементов.

Первые три вида размеров будем называть функциональными.

Определение размеров (номинал и допуск) соответствует приведенному делению.

Размеры рабочих элементов определяют в основном из условий функциональной точности детали, которая в оптических приборах вытекает из расчетов оптических схем.

Размеры базирующих элементов определяются из условия точности ориентирования рабочего элемента детали относительно других (сопрягаемых) деталей прибора. Точность ориентирования выявляется из расчета оптической схемы (или другой функциональной схемы).

Координирующие размеры назначаются исходя из расчетов оптической схемы (или другой функциональной схемы).Так как точность этих размеров при их обработке зависит от компоновки детали (жесткости), то деталь усиливается ребрами и фланцами.

Свободные размеры обеспечивают функциональную точность детали при точности самих размеров, соответствующей точности процесса изготовления заготовки.

2.Основные критерии выбора материала

Рассмотрим только основные критерии определяющие выбор материала: прочность, жесткость, масса детали, точность размеров и обрабатываемость, технологичность.

Прочность. Основная масса деталей оптических приборов не требует высокой прочности. Прикидочные расчеты на прочность показывают, что для восприятия конструкцией детали силового воздействия, достаточно назначить толщину стенки один миллиметр. Силовое воздействие бывает больше при механической обработке детали или при сборке. Но деформации в этом случае поддаются расчету. Следует заметить, что деформации можно рассчитать лишь в простейших случаях методами сопротивления материалов и теории упругости. В большинстве случаев приходится иметь дело с нерасчетными деталями, сечения которых определяются условиями изготовления (технологией литья под давлением) Поэтому конструктор назначает технологическую толщину стенки конструкции (соответствующую минимальной толщине способа получения заготовки). Стенки деталей полученных литьем под давлением имеют неодинаковую прочность в поперечном сечении из-за быстрой кристаллизации и различных ее условий (наружные стенки, внутренние стенки). Прочность максимальна в поверхностном слое, где металл приобретает мелкокристаллическую структуру и где образуются благоприятные для прочности остаточные напряжения сжатия.

Чем толще стенка, тем резче разница между прочностью сердцевины и корки, поэтому увеличение толщины стенки не сопровождается пропорциональным увеличением прочности.

По этим причинам, а также для уменьшения массы целесообразно стенки отливок выполнять наименьшей толщины, которая допускается условиями литья.

Необходимую прочность и жесткость обеспечивают формой детали; оребрением, приданием детали выпуклых, сводчатых, сферических, конических и тому подобных форм. Такой метод всегда приводит к получению более легких конструкций.

После этого сразу же возникает второй критерий, связанный с первым.

Жесткость. Известно, что работоспособность конструкции в той же мере, как и прочность (а иногда и в большей), определяет жесткость. Жесткость имеет большое значение для приборов облегченного типа. Стремясь облегчить конструкцию и максимально использовать прочностные ресурсы материала, конструктор в данном случае повышает уровень напряжения, что сопровождается увеличением деформаций.

Жесткость оценивают коэффициентом жесткости, представляющим собой отношение силы Р, приложенной к системе, к максимальной деформации f , вызываемой этой силой.

Для случая растяжения-сжатия бруса постоянного сечения в пределах упругой деформации коэффициент жесткости согласно закону Гука

,

где – сечение бруса, мм²; – длина бруса в направлении действия силы, мм; Е – модуль нормальной упругости материала.

Жесткость конструкций определяют следующие факторы:

• модуль упругости материала (модуль нормальной упругости Е при растяжении-сжатии и изгибе, модуль сдвига G – при сдвиге и кручении);

• геометрические характеристики сечения деформируемого тела (сечение F при сдвиге и растяжении-сжатии, момент инерции I при изгибе, полярный момент инерции I при кручении);

• линейные размеры деформируемого тела (длина l);

• вид нагрузки и тип опор.

Модуль упругости является устойчивой характеристикой металлов, мало зависит от термообработки и содержания легирующих элементов и определяется лишь полностью атомно-кристаллической решеткой основного компонента.

На жесткость конструкции косвенно влияет прочность материала. При прочих равных условиях деформации пропорциональны напряжениям. Но напряжения принимают, как правило, пропорциональными прочности материала; допустимые напряжения представляют собой отношение предела прочности (или предела текучести) к коэффициенту прочности. Следовательно, чем выше прочность материала, тем больше допустимое напряжение и при прочих равных условиях больше деформация системы. Напротив, чем меньше запас прочности и ближе действующее в системе напряжение к пределу прочности, тем больше деформация и меньше жесткость системы.

Наиболее простой способ уменьшения деформаций заключается в уменьшении уровня напряжений. Однако этот путь не рационален, так как он сопряжен с увеличением массы конструкции.

При сравнении жесткости, прочности и массы деталей, изготовленных из различных материалов, следует различать четыре основных случая:

1. Детали одинаковые по конфигурации (при равной нагрузке имеют одинаковое напряжение).

2. Детали равножестки (имеют одинаковые деформации при различных сечениях и напряжениях).

3. Детали равнопрочные (имеют одинаковый запас прочности, различные сечения и напряжения, пропорциональные пределу прочности материала).

4. Детали имеют одинаковую массу.

Первый случай (замена материала детали другим без изменения ее геометрических размеров) практически встречается, когда сечение детали задано технологическим процессом (например, литые детали).

Показатели массы, жесткости и прочности при растяжении-сжатии для рассмотренных случаев сведены в таблице 18. Значения удельной прочности и удельной жесткости одинаковы для всех материалов.

Таблица 18. Характеристики массы, прочности и жесткости.

В случае одинаковой конфигурации по жесткости E и прочности _0,2 наиболее выгодны стали и сплавы титана, а по массе  – сплавы алюминия и магния.

Так как модуль упругости сплавов определяется модулем упругости основного компонента и мало зависит от содержания легирующих элементов, то в случае деталей одинаковой конфигурации, когда на первом плане стоят требования жесткости а уровень напряжения не высок, целесообразно применять наиболее дешевые материалы (например, алюминиевые сплавы вместо сложно легированных). Если же наряду с жесткостью имеет значение прочность, то предпочтительны прочные сплавы.

Точность размеров. Зависит от точности формы, величины усадки сплава и конфигурации отливки. Материал влияет на точность отливок в основном через усадку. Чем меньше усадка сплава, тем меньше ее влияние на точность размеров детали. Подробно формирование точности размеров будет рассмотрено ниже.

Масса отливки. Если конструкция создается для использования в летательных аппаратах, то встает вопрос о минимизации массы отливки (хотя и в общих случаях излишняя масса грозит экономическими потерями). Выше было показано, что масса отливки тесно связана с прочностью, жесткостью и конфигурацией детали.

Выбор материала по его обрабатываемости.

Обрабатываемость обычно определяется цифровыми показателями, полученными путем сравнения данного металла с металлом эталоном. По нормам основным показателем обрабатываемости известного металла принимается скорость резания, соответствующая стойкости резца в течение 60 мин при соблюдении установленных условий резания. Величина сопротивления резанию и гладкость обработанной поверхности считаются дополнительными показателями.

Принимая в качестве эталона (обрабатываемость 100%) автоматную сталь с содержанием 0,12% С, можно получить следующие приблизительные величины показателей обрабатываемости для различных сплавов (в %):

Латунь 200

Сплавы цинка 200

Сплавы алюминия 300-1500

Сплавы магния 500-2000