Литье. исправлено (Лекции по литью), страница 11

Следует отдельно отметить сплав АЛ2 за его плохую обрабатываемость особенно при литье под давлением. Причина в следующем. Это эвтектический сплав при содержании кремния в эвтектике 11%. Обычно кремния в сплаве содержится 13%, поэтому при быстрой кристаллизации избыток кремния высыпает по полю эвтектики в виде песчинок повышенной твердости, что приводит к быстрому износу резца. Кроме того, низкие механические свойства сплава не позволяют получить чистую поверхность после резания.

Выбор формы.

Форма детали определяется ее функциональным назначением. При выборе формы руководствуются рядом критериев, из которых главными являются следующие: функция детали, конструктивная целесообразность, технологичность и эстетичность.

Функция детали оказывает, как правило, сильное влияние на выбор формы сопрягаемых поверхностей РЭ и БЭ. Обычно бывает достаточным ограничиться группой типовых поверхностей – плоскость, цилиндр, сфера – и это верно, так как отработаны технологические методы их обработки. Однако никак нельзя согласиться с выводом сделанным в работе В.В.Кулагина «Основы конструирования оптических приборов»: «Функция детали лишь слабо коррелирует с формами поверхностей СЭ». Очевидно, что прочность и жесткость (а это критерии функции детали) во многом определяются формами и расположением поверхностей свободных элементов детали. Нельзя согласиться и с тем, что простота механической обработки является основным фактором при выборе формы поверхности. Безусловно, это важно, но главным является – обеспечение условий выполнения функционального назначения.

Здесь анализируются основные факторы, формирующие главные показатели качества детали и во многом зависящие от технологии литья под давлением – прочность, жесткость, точность.

Конструктивные способы повышения жесткости.

Как было сказано выше в деталях оптических приборов наиболее важным показателем качества является не прочность, а жесткость. Недостаточная жесткость детали проявляется не только в процессе эксплуатации, но и при механической обработке, когда под воздействием силы резания деталь упруго деформируется, что приводит к существенной потере точности обработки.

Главные конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы следующие:

• всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжатием;

• для деталей, работающих на изгиб целесообразная расстановка опорных стенок, исключение не выгодных по жесткости видов нагружения;

• рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы, увеличение моментов инерции сечений;

• рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие;

• усиление участков перехода от одного сечения к другому;

• блокированием деформаций введением поперечных и диагональных связей;

• для деталей коробчатого типа – применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и тому подобных форм;

• для деталей типа дисков- применение конических, чашечных, сферических форм; рациональное оребрение, гофрирование;

• для деталей типа плит – применение прочных, коробчатых, двутельных, ячеистых и сотовых конструкций.

Анализируя эпюры напряжений при разных нагрузках, можно отметить следующее.

Для повышения жесткости без увеличения массы деталей необходимо усиливать участки сечений, подвергающихся при данном виде нагружения наиболее высоким напряжениям, и удалять ненагруженные и мало нагруженные участки. При изгибе напряжены сечения, наиболее удаленные от нейтральной оси. При кручении напряжены внешние волокна; по направлению к центру напряжения уменьшаются, и в центре они равны нулю. Следовательно, целесообразно всемерно развивать наружные размеры, сосредотачивая материал на периферии и удаляя его от центра.

Наибольшей жесткостью и прочностью при наименьшей массе обладают развитые по периферии полые тонкостенные детали типа коробок, труб и оболочек.

Примеры согласования конструкции с технологией литья.

а) б) в) г)

Рис.6.7. Конструкции литых кронштейнов разной жесткости.

На рис.6.7 приведены модификации кронштейна с различными усилениями жесткости. Балочный кронштейн подвергается изгибу (рис.6.7,а), тогда как в раскосом кронштейне стержни работают преимущественно на растяжение-сжатие (рис.6.7,б). Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой, связывающей их в жесткую систему (рис.6.7,в). Кронштейн ферменного типа с вертикальным стержнем (рис.6.7,г) значительно мене жесткий, чем кронштейн на рис.6.7,б, так как конец вертикального стержня под нагрузкой перемещается приблизительно по направлению действия силы и для ограничения деформаций его жесткость не используется.

Все виды рассмотренных кронштейнов могут быть оформлены любым способом заполнения при литье под давлением.

Если кронштейн на рис.6.7,г заполнять дисперсным потоком, то трубчатый вертикальный стержень будет хорошо работать и на изгиб.

Рис.6.8. Консольные литые тонкостенные системы.

В тонкостенном цилиндрическом отсеке, несущем поперечную силу Р (рис.6.8,а), все участки, расположенные по образующим, подвергаются изгибу. Нагрузку воспринимают преимущественно боковые стенки (рис6.8,б), параллельные плоскости действия изгибающего момента (зачернены на рисунке), так как их жесткость в этом направлении во много раз больше жесткости стенок, расположенных перпендикулярно плоскости действия момента.

При конической форме (рис.6.8,в,г), приближающей конструкцию к ферменной, стенки конуса, расположенные в плоскости действия изгибающего момента работают: верхние на растяжение, а нижние, подобно раскосу, на сжатие. Боковые стенки испытывают преимущественно изгиб; их жесткость соизмерима с жесткостью верхних и нижних стенок. Следовательно, при конической форме стенки отсека полностью включаются в работу; прочность и жесткость конструкции увеличивается.

Связь между растянутыми и сжатыми стенками осуществляют кольца жесткости m и n, которые помимо силового замыкания предотвращают овальность конуса под действием нагрузки. Такие кольца являются непременным условием правильной работы тонкостенных конструкций. Близки к конусам по жесткости тюльпанные (рис.6.8,д), сферические (рис.6.8,е), тороидные (рис.6.8,ж) и аналогичные формы.

Литьем под давлением тонкостенные конструкции лучше оформлять дисперсным потоком. Получившаяся сотовая конструкция будет хорошо работать как на растяжение так и на сжатие. Отметим, что конструкция по рис.6.8,г не может быть получена литьем под давлением из-за невозможности оформления внутренней полости. Трудно оформить конструкции по рис.6.8,в,д. Для литья под давлением подходят конструкции по рис6.8,г,ж.

Оребрение.

Для увеличения жесткости, особенно литых корпусных деталей, широко применяют оребрение. Однако при этом необходимо соблюдать осторожность, так как неправильное соотношение сечений ребер и оребряемой детали может вместо упрочнения привести к ослаблению.

Р
ис.6.9. Формы ребер.

У деталей подвергающихся изгибу в плоскости расположения наружных ребер (рис.6.9,а), на вершине ребра возникают напряжения растяжения, достигающие большого значения вследствие малой ширины и малого сечения ребра. Особенно опасны тонкие ребра, сужающиеся к вершине (рис.6.9,б,в); разрушение детали всегда начинается с разрыва вершины ребра [орлов]. Для усиления ребер конструктор вводит утолщение ребер (рис.6.9,г,д) у вершин, что недопустимо при литье под давлением.

Для оценки влияния ребер рассмотрим их параметрические характеристики (рис 6.10). – отношение высоты ребра к высоте исходного профиля; – отношение ширины ребра к ширине исходного профиля. Для сечения с рядом параллельных ребер (рис.6.10,в) величина представляет собой шаг ребер ( ). Относительный шаг .

Введение ребер во всех случаях увеличивает момент инерции сечения и, следовательно, жесткость детали на изгиб и тем резче, чем выше ребра и больше их относительная толщина.

Рис.6.10. К определению параметров ребер.

Иная картина для моментов сопротивления. Введение ребер, сечение которых мало по сравнению с сечением оребренной детали (малые значения , большой шаг ) уменьшает момент сопротивления, т.е. ослабляет деталь. Момент сопротивления в неблагоприятных случаях ( , ) уменьшается в три раза по сравнению с исходным профилем.

Как это ни кажется парадоксальным, удаление таких ребер упрочняет деталь. Добиться увеличения прочности можно увеличением высоты ребер. Ребра с относительной высотой не уменьшают прочности детали вплоть до самых больших значений относительного шага, какие могут встретиться на практике ( ).

Однако у литых деталей высота ребер ограничивается технологией литья (тонкие протяженные стенки трудно заполняются). В конструкторской документации, исходя из условий литья, ограничивают толщину ребер; обычно ее рекомендуют делать не более (0,6-0,8) .

При литье под давлением толщину ребер можно делать равной толщине стенки, при этом заполняемость ребер только улучшиться, а отрыва ребер (или трещин) не следует опасаться, так как при ускоренном охлаждении произойдет формирование прочной оболочки, которая будет препятствовать разрушению ребер.

Внутренние напряжения.

Внутренние напряжения возникают в стенках отливки, усадка которых тормозится сопротивлением элементов формы или действием смежных стенок. Усадочные раковины и пористость появляются в частях отливки, застывающих в последнюю очередь,— в утолщениях и массивах, теплоотвод от которых затруднен (горячие узлы).

Повышенные внутренние напряжения вызывают коробление отливки и могут привести к образованию трещин.

Со временем внутренние напряжения перераспределяются и частично рассеиваются в результате медленно протекающих диффу­зионных процессов (естественное старение). Через длительный промежуток времени (2-3 года) деталь меняет первоначальную форму, что недопустимо для точных приборов.

Усадочные напряжения возникают лишь на тех стадиях остывания, на которых металл теряет пластичность. При более высоких температурах изменение размеров компенсируется пластическим течением метал­ла; здесь усадка проявляется лишь утонением стенок.

В коробчатой отливке длиной и шириной (рис. 6.11,а) внутренняя перегородка (на рисунке зачернена) остывает медленнее, чем горизонтальные стенки. Пусть в рассматриваемый момент перегородка имеет температуру , соответствующую температуре перехода металла из пластичного состояния в упругое, а стенки – более низкую температуру , при которой металл уже находится в упругом состоянии.