Правила конструирования отливок

Правила конструирования отливок

Сопряжение стенок

Для одновременного затвердевания толщину внутренних стенок рекомендуется делать равной примерно 0,8S (где S — толщина наружных стенок).

Переходы от стенки к стенке следует выполнять с галтелями (рис. 465, б). При сопряжении стенок под углом (вид а) вследствие встречи линий теплового потока во внутреннем угле соединения образуется горячий узел, замедляющий остывание. Кроме того, такое соединение затрудняет заполнение формы металлом и препятствует усадке.

Тепловой поток в угловом сопряжении стенок

На рис. 466, а—г показаны типовые формы углового сопряжения стенок. При обычном сопряжении радиусами R = (1,5—2)·s описанными из одного центра (вид а), возможно утонение стенки на участке перехода вследствие смещения стержни.

Лучше сопряжение радиусами, описанными из разных центров. Наружный радиус делают равным от 1 (вид б) до 0,7 (вид в) внутреннего радиуса. Для улучшения теплоотдачи, повышения жесткости и предупреждения усадочных трещин на сопряжениях малого радиуса полезно делать внутренние ребра (вид г).

Типовые формы углового сопряжения стенок

Во всех случаях, когда позволяет конструкция, целесообразно применять максимальные радиусы переходов, допускаемые конфигурацией детали (вид д).

Стенки, сходящиеся под тупым углом (вид е), соединяют радиусами R = (50—100)·s. Лучше в таких случаях применять криволинейные стенки, описанные одним большим радиусом (вид ж).

При определении минимальных радиусов сопряжения стенок различной толщины можно пользоваться приведенными выше соотношениями, заменив s средним арифметическим s0 = 0,5(S + s) толщин сопрягаемых стенок (виды з, и). При небольшой разнице можно принимать s0 = S.

Стенки с большой разницей сечений целесообразно соединять клиновидным переходным участком длиной l ≥ 5 (S—s) (вид к).

Следует избегать соединения стенок под острым углом (вид л). Если это неизбежно, то радиус сопряжения принимают не менее (0,5—1)·s0.

На видах м, н показаны рекомендуемые соотношения для Т-образных сопряжений, на видах о, п — для сопряжений стенок с фланцами.

Стенки различной толщины (рис. 467, а) следует соединять клиновыми переходами с уклоном от 1:5 до 1:10 (виды б, в). Целесообразно усиливать участок перехода ребрами (вид г).

Сопряжения участков отливки различной толщины

На видах д—р показаны формы сопряжения стенок с бобышками. В профильной проекции бобышки соединяют со стенками радиусами R = 2s (виды д, и) или уклонами от 1:1 до 1:5 (виды е, ж, к, л) с усилением ребрами (вилы з, м). В плановой проекции сопряжения выполняют радиусами R = (3—5)·s (виды н—р).

Найденные из приведенных ориентировочных соотношений радиусы округляют до ближайших стандартных размеров (R = 1, 2, 3, 5, 8, 10, 15, 25, 30, 40 мм). Так как небольшое изменение радиусов сопряжений мало влияет на качество отливки, то рекомендуется унифицировать радиусы.

Преобладающий радиус переходов на чертеже детали обычно не проставляют, указывая его на поле чертежа (в технических требованиях) надписью (Неуказанные радиусы 6 мм).

Для закругленных внешних углов преобладающий радиус указывают надписью (Неуказанные наружные гантели R3).

Устранение массивов

В конструкции литых деталей следует избегать местных скоплений металла, утолщений, массивов, образующих горячие узлы. Проектируя отливку, нужно тщательно просмотреть все места скопления материала с учетом припусков на механическую обработку, которые существенно влияют на распределение металла.

На рис. 468 представлены примеры устранения массивов (обозначены буквой m) на крепежных фланцах (виды а—в), платиках (виды г—е), в корпусной детали (виды ж—и), в отливке блочной рубашки двигателя (виды к, л).

Устранения массивов

На участках, где массивы неизбежны, следует технологически обеспечивать ускоренное охлаждение.

Полезно развивать поверхность соприкосновения с формовочной смесью путем оребрения стенок. Для улучшения заполнения формы следует усиливать связь массивных элементов с ближайшими стенками с помощью галтелей (рис. 469, а) клиновых переходов (вид б), раструбов (вид в) и ребер (виды г, д). Целесообразно применять гофрированные (вид е) и коробчатые (вид ж) стенки.

Усиление участков сопряжений с бобышками

Помимо улучшения условий литья, эти сопряжения увеличивают жесткость и прочность отливки.

Уменьшение усадочных напряжений

Форма отливки должна облегчать усадку. На рис. 470 показано зубчатое колесо большого диаметра, обод которого соединен со ступицей спицами. Конструкция (а) с прямыми спицами неправильна: спицы, остывающие раньше, тормозят усадку обода, который вследствие этого подвергается волнообразной деформации (штриховая линия). Внутренние напряжения в таких конструкциях нередко вызывают поломку обода.

Увеличение податливости спиц зубчатого колеса

Целесообразно применять податливые спицы; тангенциальные (вид б), спиральные (вид в), расположенные по конусу (вид г).

В дисковом шкиве с массивным ободом (рис. 471, а) диск застывает раньше обода и тормозит усадку обода; в диске развивают напряжения сжатия, в ободе — напряжения растяжения. Если раньше остывает обод (вид в), то диск при усадке подвергается растяжению, а в ободе возникают напряжения сжатия. Для уменьшения усадочных напряжений целесообразно в том и другом случае придать диску коническую форму (виды б, г).

Увеличение податливости отливок

В литой корпусной детали (вид д) перегородки m, расположенные в одной плоскости с массивными фланцами, тормозят усадку последних. Смещение перегородок с плоскости расположения фланцев (вид е) несколько улучшает условия усадки. Целесообразнее всего придать перегородкам коническую (вид ж) или сферическую форму.

Сводчатые, арочные, выпуклые, скорлупные формы уменьшают усадочные напряжения, улучшают условия отливки и увеличивают прочность деталей вследствие увеличения моментов сопротивления сечений. Повышается жесткость конструкций, что особенно важно для отливки из сплавов с низким модулем упругости (серые чугуны, легкие сплавы).

Предупреждение газовых раковин

Форма отливки должна обеспечивать всплывание неметаллических включений и выход газов, выделяющихся при остывании отливки в результате понижения растворимости газов в металле с уменьшением его температуры.

При отливке литого поддона днищем вверх (рис. 472, а) газовые пузырьки скопляются в верхушках ребер, что резко ослабляет их прочность. Лучше придать днищу конструктивный уклон и перенести ребра на внутреннюю поверхность (вид б). Рекомендуется отливать такие детали ребрами вниз (вид в). В этом случае газовая пористость сосредоточивается в прибыли на фланце, удаляемой при последующей механической обработке. Применяют также отливку с наклоном формы.

Обеспечение выхода газов

У цилиндрических деталей (вид г) целесообразно делать верхние стенки коническими (вид д) или слабосферическими (вид е).

В дисковых деталях (вид ж) диски и ребра следует выполнять по конусу (вилы з, и).

Внутренние перегородки (вид к) рекомендуется делать сводчатыми. Для отвода газовых пузырьков и неметаллических включений целесообразно предусматривать в верхней части перегородок бобышки (вид л) или бонки (вид м) или устанавливать выпоры (штриховые линии).

К технологическим способам предупреждения газовой пористости и раковин относятся отливка под вакуумом и присадка в металл газопоглощающих веществ (церий).

Ранты

Внешние обводы литых деталей рекомендуется снабжать рантами (рис. 473, а, б) с целью увеличения жесткости, повышения равномерности застывания и (у чугунных отливок) предотвращения отбела чугуна.

Окантовка кромок

У стыкуемых по торцам деталей (вид в) ранты способствуют равномерному распределению сил затяжки. При наличии рантов легче зачистить неровности и уступы, образующиеся на стыках вследствие неточности литья, и добиться совпадения наружных контуров стыков.

Как правило, следует снабжать окантовками облегчающие и технологические отверстия в стенках (виды г, д) для повышения прочности и улучшения условий охлаждения отливки. Ориентировочные размеры рантов приведены на видах а, г.

Фланцы

Толщину фланцев, обрабатываемых с одной стороны (рис. 474, а), делают в среднем равной (1,5—1,8)·s; толщину фланцев, обрабатываемых с двух сторон (вид б),—(1,8—2)·s, где s — толщина прилегающей стенки.

Толщина фланцев

Для повышения прочности и жесткости фланцы соединяют со стенками ребрами (вид в) или придают фланцам коробчатые формы.

Способы устранения массивов во фланцах увеличенной высоты показаны на рис. 475, а—в.

Способы устранения массивов во фланцах

Отверстия

Следует избегать выполнения в отливках отверстий малого диаметра и большой длины.

Для ориентировочного определения минимального диаметра отверстий можно пользоваться формулой d = d0 + 0,1l, где l — длина отверстия, мм (рис. 476). Для алюминиевых сплавов и бронз d0 = 5; для чугунов d0 = 7; для сталей d0 = 10 мм. Отверстия меньшего диаметра следует сверлить. Длинные отверстия (типа масляных каналов) лучше выполнять сверлением, заливкой трубок или заменять их трубчатыми съемными магистралями.

Диаметры отверстий отливок

Конфигурация литых масляных каналов и маслосодержащих полостей должна допускать полную очистку поверхностей от литейного пригара, песка и прочих засорений. После тщательной зачистки поверхности необходимо покрывать маслом и температуростойкими составами (бакелитом, силоксановыми эмалями).

Ребра

Для увеличения жесткости и прочности литых деталей и как средство улучшения отливки применяют оребрение. Целесообразное расположение ребер позволяет улучшить питание элементов отливок и предупредить возникновение усадочных раковин и внутренних напряжений.

На рис. 477 покатаны формы ребер. Ребра, расположенные в плоскости, перпендикулярной к направлению разъема формы, следует выполнять с литейным уклоном.

Формы ребер

Основным размером ребра является толщина s у верхушки (вид а). Для ребер высотой 20—80 мм существующие нормы уклонов (см. табл. 36) дают практически одинаковое, почти независимое от высоты утолщение ребра к основанию на 2—3 мм (на обе стороны ребра).

У верхушки ребер обязательны галтели радиусом не менее 1 мм. Верхушки ребер толщиной менее 6—8 мм закругляют радиусом R = 0,5s (вид б). Основание ребер соединяют со стенкой галтелями радиусом R ≈ 0,5S.

По прочности целесообразнее ребра с утолщенными верхушками — бульбовые (вид в) и тавровые (вид г). Формовка таких ребер требует применения стержней.

Если ребро (рис. 478, а) затвердевает при отливке позднее, чем стенка (как нередко бывает в случае внутренних ребер), то при усадке (направление усадки показано на рисунке штриховыми стрелками) в нем возникают напряжения растяжения (сплошные стрелки). Если ребро, напротив, затвердевает раньше (вид б), то в нем возникают благоприятные для прочности напряжения сжатия.

Схемы возникновения усадочных напряжений в ребрах

Более быстрое остывание достигается уменьшением толщины ребер. Толщину наружных ребер делают обычно равной (0,6—0,7)S, а внутренних, учитывая ухудшенный теплоотвод, — (0,5—0,6)S, где S — толщина стенки (верхние пределы относятся к стенкам толщиной < 10 мм, нижние — к стенкам толщиной > 10 мм).

Низкие, тонкие и редко расставленные ребра с малым отношением суммарного сечения к сечению стенки уменьшают момент сопротивления сечения изгибу и снижают прочность детали, хотя и повышают жесткость. Избежать ослабления можно более частым расположением ребер. Максимальный шаг, при котором не наступает ослабления, определяют из выражения

Pravila konstr 15

где sср и h — соответственно средние толщина и высота ребра; S — толщина стенки.

На основании формулы (137) составлен график (рис. 479).

Pravila konstr 16

1. Пусть толщина ребер scp = 5 мм; h/S = 2. Согласно графику, максимально допустимое отношение t/sср = 8 и максимальный шаг t = 8·5 = 40 мм.

2. Пусть шаг ребер t = 100 мм; S = 10 мм; sср = 5 мм (t/sср = 20). Согласно графику, минимально допустимое отношение h/S = 3,1 и минимальная высота ребер h = 3,1·10 = 31 мм.

Практически ребра делают высотой, равной (3—6)·S. Более низкие ребра ослабляют деталь, не увеличивая существенно ее жесткости, более высокие — плохо отливаются.

На рис. 480 приведены примеры нецелесообразного и целесообразного выполнения ребер. Конструкция кронштейна, изображенная на рис. 480, 1, невыгодна: ребро работает на растяжение. В конструкции 2 ребро работает на сжатие.

Конструирование ребер

Ребрам следует придавать наиболее простые формы. Boгнутые ребра (вид 3) нецелесообразны по прочности; при работе на изгиб и растяжение в них возникают высокие напряжения, пропорциональные степени вогнутости. Ребра выпуклого профиля (вид 4) некрасивы и утяжеляют деталь. Лучше всего применять прямолинейные ребра (вид 5), наиболее прочные при работе на растяжение-сжатие и изгиб.

В деталях, работающих на изгиб, рекомендуется избегать соединения ребра со стенкой в плоскости, где изгибающий момент имеет большую величину (вид 6), так как момент сопротивления сечения в плоскости А—А слияния ребра со стенкой понижен. Лучше подводить ребра до края детали (в область наименьших значений изгибающего момента), присоединяя их к поясам жесткости (вид 7).

Во избежание ослабления следует не применять механическую обработку ребер. Конструкция 8 плиты с вафельным внутренним оребрением неправильна. Ребра выведены на обрабатываемую плоскость плиты; при механической обработке вершины ребер срезаются. В правильной конструкции 9 ребра расположены ниже обрабатываемой поверхности.

Следует предупреждать возможность подрезки ребер, примыкающих к поверхностям, подвергаемым механической обработке. В конструкциях 10, 13 ребра расположены слишком близко к обрабатываемой поверхности; в результате производственных отклонении возможна подрезка ребер (виды 11, 14). Ребра должны быть расположены ниже обрабатываемой поверхности (виды 12, 15) на величину k = 3—6 мм.

Не рекомендуется выводить ребра на необрабатываемую поверхность фланцев (вид 16), так как на участках m слияния ребер затрудняется формовка. Целесообразно располагать ребра ниже необрабатываемых поверхностей на величину R, равную радиусу закругления фланцев (вид 17).

Участки перехода ребер в тело детали (вид 18) следует выполнять радиусами R не менее 3—6 мм (виды 19, 20).

Ребра, соединяющиеся под углом (вид 21), следует сопрягать плавными переходами (вид 22).

Как правило, ребра следует подводить к узлам жесткости — участкам изменения направления стенок (вид 24) и крепежным узлам (вид 26). Конструкции 23, 25 не рекомендуются.

В деталях оболочковой формы (вид 27), работающих на изгиб, выгоднее применять внутренние ребра (вид 28), так как в данном случае большая часть изгибающей нагрузки воспринимается сжатыми ребрами (на стороне, ближайшей к направлению действия изгибающей силы). Внутреннее оребрение позволяет в тех же габаритах увеличить радиальные размеры стенок и получить благодаря этому значительный выигрыш в жесткости и прочности. Кроме того, улучшается внешний вид детали и облегчается уход за изделием.

При двустороннем оребрении (вид 29) рекомендуется во избежание местных скоплений металла, а также для уменьшения усадочных напряжений располагать ребра в шахматном порядке (вид 30).

Следует устранять скопления металла при сопряжении ребер со стенками под углом (вид 31) путем разноски ребер (вид 32). Массивы на участках встречи нескольких ребер (вид 33) устраняют с помощью кольцевого сочленения (вид 34).

В деталях, подвергающихся при работе неравномерному нагреву, ребра испытывают термические напряжения. Если стенки детали (рис. 481, а) нагреваются сильнее, чем ребра, то в ребрах возникают напряжения растяжения. Ребра, имеющие более высокую температуру, чем стенки, подвергаются сжатию.

Податливые ребра

Для уменьшения термических напряжений целесообразно заменять прямые радиальные ребра (вид а) податливыми: тангенциальными (вид б), спиральными (вид в), вафельными (вид г).

На рис. 482, а—е представлены типы оребрения повышенной податливости. Такие ребра хорошо формуются лишь на плоских поверхностях или на поверхностях небольшой кривизны, параллельных плоскости разъема формы. Формовать такие ребра на криволинейных поверхностях и на телах вращения трудно.

Типы оребрения повышенной податливости

Толщина стенок

Как правило, рекомендуется применять стенки наименьшей толщины, допускаемой условиями литья и прочностью делали.

На рис. 483 приведена минимальная толщина s стенок для различных литейных сплавов в зависимости от приведенного габаритного размера детали, вычисляемого по формуле

Pravila konstr 20

где l — длина: b — ширина; h — высота детали, мм. График составлен для наружных стенок при литье в песчаные формы II и III классов точности. Толщину внутренних стенок, перегородок и ребер делают в среднем на 20% меньше.

Минимальная толщина стенок

График может служить только для ориентировочной оценки толщины стенок. Допустимая толщина стенок сильно зависит от конфигурации отливки. Сложные отливки, формуемые в нескольких опоках с применением большого числа стержней, необходимо делать толстостенными, большое влияние окатывает технология литья: состав формовочных и стержневых смесей, условия питания и охлаждения, устройство литниковой системы и др.

В тяжелонагруженных деталях (станины молотов, клети прокатных станов и др.) толщина стенок определяется действующими нагрузками и условием жесткости конструкций и значительно превышает приведенные на рис. 483 значения. Однако и в данном случае целесообразно применять стенки наименьшей толщины, достигая необходимой прочности и жесткости отливки за счет рациональных форм.