При центробежном литье к отмеченным силам добавляется в десятки раз большая центробежная сила. Частицы жидкого металла перемещающиеся к периферии, утяжелены в десятки раз, и заполняют непрерывно образующиеся при затвердевании межкристаллические пустоты.

Центробежные силы создают условия не только строго направленного затвердевания отливки (первая особенность), но и многократно усиленного питания жидким металлом затвердевающего слоя. А это, как известно, главные условия получения плотных беспористых отливок.

Третья особенность. При обычном литье неметаллические и газовые включения всплывают благодаря разности плотностей металла и включений. Они всплывают медленно и мало вероятно, чтобы могли полностью выделиться, так как на своем пути встречают затвердевающий сплав.

При центробежном литье затвердевание строго направленное. Зона последнего затвердевания должна быть всегда ближе к оси вращения. Поэтому неметаллические включения (как наиболее легкие) всегда выносятся в зону последнего затвердевания.

Отливки получаются с меньшим количеством неметаллических включений.

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.

10.Основные виды брака отливок

Брак может быть вызван несоблюдением технологии, ошибками при конструировании деталей и при проектировании технологического процесса изготовления отливки.

Короблением называется изменение размеров и контуров отливки под влиянием усадочных напряжений. Причинами этого вида брака могут быть нерациональность конструкции отливки (например, разностенность), что приводит к образованию внутренних напряжений; неправильный подвод металла, ухудшающий равномерность его остывания; неправильный состав или температура заливаемого металла, вызывающие чрезмерную усадку; неправильный режим охлаждения отливки и недостаточная податливость формы и стержней.

Газовыми раковинами называются полости, расположенные на поверхности или внутри отливки. Форма раковины сферическая или округленная, поверхность гладкая блестящая. Раковины могут быть одиночными или расположенными гнездами различного объема (газовая пористость). В большинстве случаев раковины обнаруживаются при механической обработке.

Газовые раковины появляются в том случае, когда в металле большое содержание газов вследствие плохого качества исходных материалов, неправильного режима плавки.

Песчаными раковинами называются закрытые или открытые раковины. Полностью или частично заполненные формовочным материалом. Причины такого брака следующие: местное разрушение или засорение форм при сборке; недостаточная прочность формовочной и стержневой смесей, а также отсутствие или недостаточность литейного уклона в отливке, или красок; применение неисправных моделей, что приводит к осыпанию формовочной смеси; неправильное конструирование отъемных частей модели; недостаточное крепление выступающих частей формы; слабая или неравномерная набивка форм и стержней; несоответствие размеров знака стержней и формы, что приводит к обжиму формы и засорению ее при сборке; неправильный подвод литниковой системы, что приводит к размыву формы или стержня, обвал формы при установке груза; нетехнологичность конструкции отливки, т.е. наличие в ней углублений, которые образуют непрочные тонкие выступы и острые углы в форме.

Усадочными раковинами называются открытые или закрытые пустоты в теле отливки, имеющие шероховатую поверхность с грубокристаллическим строением.

Рыхлотами или пористостью называется крупнозернистое и неплотное строение сплава с наличием межкристаллических пустот большей или меньшей величины (усадочная пористость).

Причинами брака по усадочным раковинам и рыхлотам могут быть неправильная конструкция отливки, не обеспечивающая равномерного ее охлаждения (имеются местные скопления металла); недостаточное питание отливки жидким металлом в процессе затвердевания из-за неправильного расположения прибылей, выпоров и литников; неправильные размеры и установка холодильников (металлических вкладышей); повышенное содержание элементов, увеличивающих усадку; чрезмерно высокая температура заливки.

Трещинами горячими и холодными называют сквозные и несквозные разрывы или надрывы в стенках отливок. Поверхности излома в горячих трещинах, поскольку они появляются при высоких температурах, всегда окислены; в холодных трещинах поверхность излома совершенно чистая или покрыта легким цветом побежалости. Трещины обнаруживаются постукиванием, гидропробой и способом магнитной дефектоскопии.

Причинами появления горячих и холодных трещин могут быть неправильная конструкция отливки с резким переходом от толстых к тонким сечениям; острые внутренние углы в отливках; сопротивление форм и стержней нормальной усадке металла из-за чрезмерной плотности набивки; неправильно подготовленный состав формовочной и стержневой смесей и малая их податливость; неправильное расположение ребер опор или каркасов в стержнях, что препятствует усадке отливки; неправильный химический состав, т.е. повышенное содержание элементов, увеличивающих усадку или уменьшающих предел прочности при высоких температурах; неправильный режим заливки и термической обработки; заливка слишком горячим металлом и неправильный подвод металла, что уменьшает равномерное остывание отдельных частей отливки; удары при отбивке литников или при транспортировке отливок, имеющих большие внутренние напряжения.

Недолив и спай. Недолив характеризуется тем, что при заливке некоторые части отливки остаются незаполненными. Спай – сквозные или поверхностные с закругленными краями потоки преждевременно застывшего металла. Причинами такого брака являются недостаточное количество металла в ковше; низкая температура сплава при заливке и недостаточная его жидкотекучесть; утечка металла из формы вследствие неплотной сборки; недостаточная вентиляция формы и стержня, вызывающее повышенное давление газов в форме; недостаточное сечение литниковой системы; нерациональная конструкция отливки из-за наличия слишком тонких стенок.

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.