Литье. исправлено (Лекции по литью), страница 12

При дальнейшем остывании ниже температуры материал перегородки твердеет и, сокращаясь, подвергается растяжению. Так как сокращение происходит в двух направлениях (по осям и ), то в перегородке к концу остывания возникают двухосные напряжения растяжения, а в стенках – реактивные напряжения сжатия.

Рис. 6.11. Возникновение усадочных напряжений.

Если, наоборот, температура перегородки в исходный момент была ниже температуры стенок (вид б), то к концу остывания в перегородке возникают двухосные напряжения сжатия, а в стенках – растяжения.

Как правило, участки отливки, остывающие раньше, подвергаются сжатию, а участки, остывающие позднее, –растяжению.

Определим усадочные напряжения для случая, когда перегородка остывает позднее (см. рис.6.11, а). Ограничимся рассмотрением деформаций по оси .

К концу остывания перегородка должна была бы укоротиться на величину , стенки – на меньшую величину , где – длина стенок по оси ; – коэффициент линейного расширения; – конечная температура остывания. Разность определяет напряжения в отливке. Согласно закону Гука , где – сила, возникающая в системе; – среднее значение модуля нормальной упругости материала в интервале температур , и – площади сечений соответственно перегородки и стенок, нор­мальных к оси ( ; ).

Сила .

Напряжение растяжения в перегородке .

Напряжение сжатия в стенках .

Отношение напряжений .

Как видно из этих выражений, напряжения прямо пропорциональны произведению , разности температур , зависят от соотношения площадей сечений перегородки и стенок, но не зависят от их длины .

Для уменьшения напряжений в перегородке целесообразно увеличивать ее толщину и уменьшать толщину горизонтальных стенок. Опасен случай тонких и узких ( ) внутренних связей (вид в), в которых развиваются высокие напряжения растяжения (если они остывают позже стенок) или сжатия (если они остывают раньше).

Напряжения можно регулировать также ребрами. Следует иметь в виду, что поперечные ребра (вид г) влияют на усадочные напряжения только по оси , а продольные ребра (вид д) — только по оси .

Под действием напряжений стенки отливок деформируются, как показано на виде е (случай перегородки, застывающей позже). Напряжения можно значительно снизить, если придать отливке податливость в направлении усадки. Например, для уменьшения усадочных напряжений по оси целесообразно делать криволинейными перегородку (вид ж) или перегородку и горизонтальные стенки (вид з) или вводить усадочные буфера (вид и). Для уменьшения усадочных напряжений одновременно по осям и следует придавать перегородке и стенкам двояко-сводчатую форму.

Первопричиной усадочных напряжений является различие температур стенок. При напряжения равны нулю. На этом основан способ одновременного затвердевания. Считается, что обеспечивая равномерное остывание отливки, при котором температура стенок в каждый данный момент одинакова, можно получить отливку, свободную от усадочных напряжений. Следует заметить, что в реальной даже простой конфигурации отливке, обеспечить одновременное затвердевание не удается.

Толщина стенки. Толщина стенки отливки определяется совокупностью конструктивных и технологических факторов. К главным конструктивным факторам относятся масса отливки, жесткость конструкции и требования по прочности и герметичности. Основными технологическими факторами являются возможность заполнения и подпрессовки отливки, выталкивания горячей отливки из пресс-формы и применения высокопроизводительного оборудования.

Рассмотрим, как реализуются основные принципы конструирования отливок – одновременное затвердевание и направленное затвердевание – при определении толщины стенки отливки при литье под давлением с учетом характера заполнения исследованного в предыдущей главе.

Известно, что направленное затвердевание обеспечивается направленным фронтом температуры отливки (перепад температур по длине отливки) и направленным увеличением толщины стенки детали. При заполнении формы сплошным потоком (рис.6.12,а,б,в,г) возможны два основных режима заполнения, зависящих от скорости впуска металла.

В первом случае (рис.6.12,а,б) заполнение формы начинается от удаленной части отливки при перепаде температур от t₁ до t₂ (t₁ больше t₂ ) и создаются условия направленного затвердевания даже для равностенной отливки. К моменту окончания заполнения останется «жидкий клин», который будет подвергаться действию давления подпрессовки. компенсирующему усадку при затвердевании.

Во втором случае (вид в и г) заполнение начинается от питателя (случай ламинарного заполнения толстостенной отливки), в удаленную часть отливки придет уже охлажденный сплав и создается перепад температур, как и в первом случае. Однако жидкий клин будет расположен по-другому. Это может создать отрицательное направленное затвердевание, а значит, приведет к образованию усадочной пористости. Чтобы избежать этого крайне нежелательного явления необходимо уменьшить толщину стенки отливки в ее удаленной части до минимума (вид д).

При заполнении дисперсным потоком (рис.6.12,е) из-за очень малой длительности заполнения температура отливки по ее длине не изменяется, затвердевание будет происходить от стенки к центру и по тепловой оси сформируется «нитка» усадочной пористости.

В литературе [белоп] инженерная монография «Литье под давлением» считается, что «при литье под давлением направленность затвердевания отливки затрудняется высокими скоростями кристаллизации, поэтому следует создавать отливки, в которых металл затвердевал бы одновременно по всем сечениям. Этим условиям удовлетворяют только равностенные конструкции с минимально возможной толщиной стенки, позволяющие избавиться от концентрации усадочных и газовых раковин».

С этим выводом никак нельзя согласиться. Приведенные выше результаты анализа исследования процесса заполнения и затвердевания отливки, заполнение сложных корпусных деталей методом доз, выполненные автором на заводе Строительных отделочных машин, показывают, что при сочетании режимов сплошного заполнения, надлежащим расположением литниковой системы и конструкции отливки с толщиной стенки приблизительно 4 мм сердцевина стенки будет затвердевать направленно. от дальней части к питателю. При заполнении дисперсным потоком из-за короткого промежутка времени заполнения будет осуществляться одновременное затвердевание независимо от толщины стенки отливки. В местах равномерной стенки. образуется усадочная пористость по геометрической оси стенки, а в тепловых узлах образуется усадочная раковина как это показано на рис.6.13 .Если тепловой узел не будет вскрываться при м еханической обработке, то конструктор не должен этого бояться. Переделывать конструкцию как это показано на рис. 6.13 не требуется, разве, что для уменьшения массы детали. При литье под давлением определяется минимальная толщина стенки не из-за потери прочности, а из условия заполняемости полости формы. Направленность затвердевания таких конструкций обеспечивается не толщиной стенки, а надлежащим расположением литниковой системы и каналов водяного охлаждения. Подпрессовка предполагает обязательное направленное затвердевание, создаваемое конструкцией детали и тепловым фронтом формы.

Значения минимально допустимой толщины стенки для различных сплавов в зависимости от площади внешней поверхности отливки приведены в табл. 19.

Таблица 19. Минимально допустимая толщина стенки отливки, мм.

На современных машинах, развивающих скорость прессования до 5-8 м/с, можно получать еще более тонкостенные отливки.

В зависимости от толщины стенки изменяется плотность отливок и их механические свойства. С увеличением толщины стенки алюминиевых деталей (рис.6.14), отлитых под давлением из сплава АЛ4, плотность и предел прочности уменьшаются, а относительное удлинение увеличивается [45]. Увеличение прочностных свойств с уменьшением толщина стенки объясняется возрастанием роли гидродинамического уплотнения в тонко­стенных отливках. Оптимальное сочетание механических свойств наблю­дается при толщине стенки 2,5-3 мм ( =25 кгс/мм² и =2%). Прочность отливок из цинковых сплавов при увеличении толщины стенки снижается не так значительно, как отливок из алюминиевых сплавов. На рис.6.15 приведена зависимость относительной прочности отливки (в процентах по отношению к прочности отливок толщиной 1,5 мм) от увеличения толщины ее стенки [46]. Если для алюминиевых отливок при увеличении толщины стенки от 1,5 до 5 мм прочность падает на 30%, то для отливок из цинкового сплава, при той же толщине стенки, прочность снижается лишь на 20%.

Конструкция отливки и толщина ее стенки зависят для каждого сплава от соотношения пределов прочности при сжатии и растяжении. По данным М. Шенберга, предел прочности при сжатии для магниевых сплавов в 1,5-2 раза превышает предел прочности при растяжении [96]. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе конфигурации элементов отливки и выборе толщины ее стенки.