Литье 2010 (Что-то вроде лекций или метод), страница 12

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.

Рис.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 .

В
ведение 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.

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

.Рис.6.10. К определению параметров ребер.

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.

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.