Исходными данными при проектировании технологического процесса изготовления отливки являются программа ее выпуска, чертеж детали, технические условия, обусловливающие требо­вания к ее качеству, а также особые условия, определяемые чаще всего социальными задачами развития производства в цехе, на предприятии, в отрасли народного хозяйства.

Проектирование технологического процесса начинают с ана­лиза технологичности конструкции отливки, возможности и целе­сообразности ее изготовления тем или иным способом литья.

Анализ технологичности конструкции отливки заключается в установлении ее соответствия требованиям литейной технологии с учетом последующей технологии обработки резанием и сборки.

На этом этапе изучают чертеж детали, технические условия, определяющие требования к показателям ее качества, а также особые условия производства.

Сплавы и металлы для изготовления отливок в оболоч­ковых формах могут быть самыми различными, наиболее эф­фективно литье в оболочковые формы по выплавляемым моделям труднообрабатываемых резанием сплавов, сплавов с особыми свойствами и структурой. Однако максимальное приближение конфигурации отливки к готовой детали, малые припуски на обработку резанием делают эффективным литье в оболочковые формы по выплавляемым моделям для углеродистых и легиро­ванных сталей, медных и алюминиевых сплавов, чугуна.

Габаритные размеры и масса отливок. Литьем в оболочковые формы по выплавляемым моделям изготовляют отливки массой от нескольких граммов до 300 кг. По размерам отливки могут быть от нескольких миллиметров до 1,0 м. Отливки могут быть получены с минимальной толщиной стенок - 0,6 мм, если протяженность этой стенки на превышает 5…6 мм, с толщиной 0,7 мм при протяженности 10 мм. Наиболее часто толщина стенок отливок составляет 2…5 мм, а их протяженность—20…100 мм и более. Плоские тонкие стенки могут быть получены в отливке лишь при определенной площади. Плоские и тонкие стенки большой площади не заполняются, или искажается плоскость вследствие деформаций формы. В этом случае вместо плоской стенки целесообразно выполнять искривленную стенку или предусматривать отверстия в плоской стенке. Последний прием одновременно обеспечивает жесткость оболочковой формы. Трудно выполнить небольшие отверстия в местах отливки, в которых сосредоточена большая масса металла (массивная стенка), глухие отверстия, а также, некруглые отверстия.

Минимальные отверстия диаметром 0,5 мм можно получить в стенках толщиной 1 мм в отливках из цветных сплавов; в отливках из стали минимальный диаметр отверстия 1,5 мм можно выполнить в стенке толщиной примерно 1,5 мм.

Можно изготовить отливки со значительно различающимися по толщине стенками, т. е. когда тонкая стенка примыкает к более массивной. Соотношение толщины стенок допус­кается не более 1:4. Отливки могут иметь массивные узлы, но при этом необходимо продумывать возможность питания этих узлов при затвердевании. Для этого массивный узел присоединяют через питатель к стояку (при изготовлении мелких и средних по массе отливок) или используют прибыли (в крупных отливках). Направленное затвердевание крупных отливок часто обеспечи­вается технологическими напусками, которые назначает технолог при разработке технологического процесса.

При проектировании пресс-форм следует иметь в виду, что модель из пресс-формы должна извлекаться без разрушения. Поэтому на стенках пресс-форм необходимо назначать уклоны. Если вертикальные стенки отливок обрабатываются, уклоны следует назначать всегда в «плюс»; такие же уклоны должны быть предусмотрены на тонкостенных отливках с толщиной стенок менее 5 мм. При большей толщине стенок (5…10 мм) уклоны должны быть назначены в «плюс-минус», на отливках с толщиной стенок более 10 мм — только в «минус». Величина уклонов зависит от материала пресс-формы. В отдельных случаях, когда тре­буется получать в отливке необрабатываемые полости, уклоны не назначаются.

Сопряжения стенок встречаются в отливках в раз­личных вариантах — сопряжения двух, трех, четырех стенок — под различными углами. Всегда необходимо обеспечивать плав­ность перехода от одной стенки к другой, назначать радиусы округлений, галтели; пользоваться при этом следует рядом пред­почтительных значений радиусов: 1,2, 3, 5, 8, 10 мм и т. д.

Радиус  галтели  внутреннего угла, образованного двумя стенками отливки,  R=(l₀+l₁)/3, где l₀, l₁—толщины сопрягаемых стенок отливки; 3 —величина замкнутости, опреде­ляется по графику (рис. 1.34, а).

Если в отливке сопряжены три стенки, то радиусы скруглений определяются аналогично предыдущему случаю. Сопряжения четырех стенок необходимо рассредоточивать, чтобы не создавать тепловых узлов.

Пазы и полости  в отливках желательно применять реже, так как для их оформления в модели необходимо в конструкции пресс-формы предусматривать дополнительные стержни. Ширина паза (рис. 1.34, б) может быть получена при h_p £ 2d (для цветных сплавов d ³ 1 мм, для стали d ³ 2,5 мм). Для обеспе­чения жесткости и устойчивости формы в месте расположения полостей последние необходимо заменять сквозными отверстиями. Это облегчает и очистку отливок от остатков формы.

Бобышки упрочняют стенку в местах расположения отверстии под крепежные элементы. Высоту бобышек следует назначать в зависимости от диаметра отверстия или толщины стенки h_р==4…6d или h_р ³ 2,5l₀, где h_p—высота стенки вместе с бобышкой; d — диаметр отверстия; l₀ — толщина стенки. Бо­бышки располагают на внешних поверхностях отливок; это не усложняет конструкцию пресс-форм.

Таким образом, в результате анализа технологичности кон­струкции детали технолог оценивает принципиальную возмож­ность изготовления отливки по выплавляемым моделям и опре­деляет, какие изменения необходимо внести в конструкцию детали для повышения уровня ее технологичности. Предложения тех­нолога должны быть согласованы с конструктором детали.

         Разработка чертежа отливки включает выбор положения отливки при заливке, места подвода расплава и конструкции литниково-питающей системы, назначение припусков на обработку резанием, уклонов, допусков на размеры согласно существую­щим нормативам и рекомендациям.

Назначение поверхности разъема. Обычно разъемной выполняется только пресс-форма. Поэтому вопрос о назначении поверхности (плоскости) разъема решается со­вместно с проработкой конструкции пресс-формы. Выбор поверх­ности разъема должен обеспечивать удобство извлечения моде­ли из формообразующей полости, минимальное количество стержней (подвижных и неподвижных). Экономичнее вариант, когда в пресс-форме используют только неподвижные стержни, а также плоскую поверхность разъема.

Припуски на обработку резанием. Припуски назначают в зависимости от требований к точности отливки и от ее размеров в соответствии с действующими стандартами и нормативами. Обычно припуски находятся в пределах 0,5…3 мм. Припуски на обработку резанием изображают тонкой сплошной линией.

Выбор места подвода расплава. Этот вопрос должен решаться технологами одновременно с выбором типа литниково-питающей системы (ЛПС). Например, для отливок массой до 1,5 кг целесообразно назначать I тип ЛПС, особенно в тех случаях, когда отливки имеют отдельные массивные узлы. Пи­татель должен подводиться к массивным местам отливки, так как питание осуществляется от центрально расположенного стояка. Для особо тонкостенных отливок, отливок из тугоплавких сплавов обычно требуется конструировать разветвленную систему литниковых каналов для надежного заполнения формы. Но при этом необходимо соблюдать направленность заполнения полости формы, не создавать в форме замкнутых воздушных объемов.

Главное при разработке ЛПС — обеспечить последовательное заполнение формы расплавом и направленное затвердевание и питание отливки при усадке.

Определение размеров полостей пресс-форм проводят при­ближенным методом. Это объясняется значительной нестабиль­ностью величины усадки модельного состава, деформациями при прокаливании формы, нестабильностью усадки залитого металла. Суммарная величина усадки меньше вследствие расширения оболочковой формы при нагреве.

Суммарная усадка (модельный состав и металл) для расчета размеров полости пресс-формы (с учетом расширения формы при нагреве) для различных материалов отливки, %:

• сталь: углеродистая  - 1,25…1,6; легированная – 1…2;
• чугун: серый - 0,5…0,65; ковкий - 0,95…1,1;
• алюминиевый сплавы – 1…1,3;
• латуни - 0,95…1,25;
• бронзы: оловянистая - 0,75…1,0; алюминиевая - 1,45…1,55.

Традиционно исполнительные размеры полости пресс-формы подсчитывают по приближенным формулам:

для наружных (охватываемых) размеров отливки
D_п=D_о+D₀y_общ/100—0,5d_о=D₀(1+y_общ/100)—0,5d₀;

для внутренних (охватывающих) размеров отливки

D_п=D₀(1 +y_общ/100)+0,5d₀,

где D_п — номинальный размер формообразующей полости пресс-формы, мм; D₀ — номинальный размер отливки, мм; d₀ — допуск на размер отливки, мм; y_обш.—сумарная линейная усадка, %;

y_общ = y_м + y₀ — y_ф,

y_м —свободная линейная усадка модели, %; у_ф—относитель­ное расширение формы при нагреве (прокаливании) перед за­ливкой, %; у_о—свободная линейная усадка металла, %.

В этих формулах не учтено, что и модель, и отливка в отдель­ных своих местах испытывают затрудненную усадку по причине силового взаимодействия соответственно с пресс-формой и обо­лочковой формой. Затрудненная усадка всегда меньше свободной. Не учтен эффект расширения формы в период заливки. Это расширение является функцией разности температур металла и формы при заливке и КТР материала формы.

Учет этих факторов при доводке размеров пресс-формы можно выполнять на основе специальных экспериментов. Точность раз­меров формообразующей полости пресс-формы следует назначать на 1…2 квалитета выше требуемой точности отливки. Допуск на размер в пресс-форме назначают обычно не более 0,2d₀ на тот же размер отливки.

О формировании размеров отливок

 Принципиальная схема формирования размеров отливок при литье по выплавляемым моделям приведена на рис. 1.35.   

При наличии конкретных значений изменений размеров оснастки, моделей форм, отливок возможно обоснованное назначение исполнительных размеров оснастки, что позволяет сократить время выполнения доводочных операций, повысить точность размеров отливок. При этом необходимо иметь ввиду, что в литейных технологиях дисперсия размеров, в отличие от обработки резанием, увеличивается.

        Для обеспечения в производственных условиях заданного уровня качества отливок, из различных сплавов (алюминиевых, на медной основе, стали, титановых и др.), а также для сокращения времени технической подготовки производства целесообразно использовать разработанные в МГТУ пакеты прикладных программ “Выбор” и  “Допуск”. Работа с ППП  “Выбор” позволяет в кратчайшее время достоверно определить рациональную технологию литья деталей по конструкторскому чертежу отливки (схема организации решения приведена на рис. 1.36).

    Рис. 1.36. Схема организации принятия решения по программе «WYBOR».

Шероховатость формообразующих поверхностей пресс-формы обычно должна быть R_а=0,63…0,32 мкм. Выполнение полости с меньшей шероховатостью не приводит к существенному сни­жению шероховатости поверхности отливки, но удорожает пресс-форму.

В зависимости от типа производства технолог должен выбрать горизонтальное (для единичного, серийного производства) или вертикальное (для массового производства) расположение разъема пресс-формы, а также соответствующее оборудование для изготовления моделей.

Литниково-питающая система (ЛПС) при литье в оболочковые формы предназначена для заполнения формы расплавом, питания затвердевающей отливки, а также часто является конструк­цией, на которой монтируются модели.7

Поэтому при разработке конструкции ЛПС следует учитывать условия получения качественных отливок и необходимость обеспе­чения механической прочности элементов конструкции (например, питателя), а также технологичность блока на всех операциях процесса, при изготовлении модели, формообразовании, отрезке, отливок.

Типы литниково-питающих систем.

 Различают три типа ЛПС (рис. 1.37).

ЛПС I типа применяют при изготовлении отливок массой до 1,5 кг. Блок моделей можно собирать из отдельных звеньев (рис. 1.37, I, а), монтируемых на стояке. В этом случае стояк служит центральным элементом при сборке моделей и при­былью для питания отливок. При изготовлении тонкостенных отливок, модели которых могут деформироваться, стояк является опорным элементом (рис. 1.37, I, б, в, г). Сборку такого блока моделей осуществляют с помощью пайки. Расплав подводится в массивные узлы отливок. Литниковая система не имеет питающих элементов – прибылей, так как отливка питается от стояка; отсутствуют также элементы, регламентирующие скорость заливки и задерживающие шлак и окислы.

    Рис. 1.37. Основные типы литниково-питающих систем: I – центральный стояк; I, а – для компактных отливок с одним тепловым узлом; I, в - полый стояк, компактные отливки с одним тепловым узлом; I, д – параллельные стояки, отливки типа плиты с распределенными тепловыми узлами; I, г – лучевые ярусные коллекторы, для отливок с несколькими тепловыми узлами; II – местная прибыль и коллектор; II, а – четырехместная при центральном расположении стояка; II, б – для отливок типа лопаток, с использованием вертикального щелевого питателя; II, в – местная прибыль и коллектор; III – верхняя прибыль; III, а – гребной винт; III, б – ротор; III, в – рабочее колесо газовой турбины.

ЛПС II типа (рис. 1.37, II, а…б) применяют для изготовления отливок сложной конфигурации и ответственного назначения, тонкостенных, а также средней и большой массы для отливок из легированных сталей. Литниковая система представляет собой стояк в сочетании с местными (рассредоточенными) прибылями. Такая литниковая система позволяет регулировать скорость заполнения формы с помощью суженного сечения.

ЛПС III типа (рис. 1.37, III, а…б) применяют для изготовления отливок типа крыльчаток, гребных винтов, имеющих тонкстенные элементы и массивную центральную часть, питаемую прибылью. Заливаются такие отливки через прибыль.

Расчет размеров элементов ЛПС для отливок, изготавливаемых в оболочковых формах по выплавляемым моделям, основаны на соблюдении принципа последовательного затвердевания.

На практике наибольшее применение получили два способа расчета: по модулю охлаждения (приведенным толщинам) и диаметрам вписанных сфер. Первый способ используют для ЛПС I типа, а второй для систем II и III типов. Оба способа основаны на обобщении и использовании экспериментальных и производственных данных.

Первый способ разработан М. Л. Хенкиным для ЛПС I типа.

Исходными данными для расчета являются модуль охлаждения массивного узла отливки (отношение его объема и площади поверхности) и ее масса.

Модуль охлаждения питателя (отношение площади поперечного сечения питателя к его периметру) определяют по эмпирической формуле

d_п=2(d₀³G)^1/4 l_п^1/3/d_ст,                         (1.1)

где d₀ – модуль охлаждения отливки или ее массивного узла, мм; G – масса отливки, г; l_п – длина питателя, мм; d_ст = 0,5r_ст – модуль охлаждения цилиндрического стояка, выраженный через его радиус.

Если известны размеры питателя, то определяют модуль охлаждения стояка

 d_ст=2(d₀³G)^1/4 l_п^1/3/d_п,                         (1.2)

В формулах (1.1) и (1.2) отражена зависимость между размерами элементов ЛПС и отливки.

Качественные отливки можно получить при условии

 d_ст>d_п>d₀, так как при этом обеспечивается направленное затвердевание расплава от отливки к стояку и, следовательно, ее питание.

 По формуле (1.1) рассчитаны размеры ЛПС для большого числа стальных отливок. Данные расчета после производственной проверки сведены в таблицы, подобные табл. 1.6.

По заданной массе отливки (известна из чертежа) необхо­димо определить d₀ и выбрать значение l_п из условий сборки блоков моделей и отрезки отливок. В среднем при G<0,5 кг l_п=4…10 мм, при 0,5<G<1,5 кг l_п=8…12 мм. Затем по табл. 1.5, пользуясь известными G и d₀ находят диаметр стояка D_ст и размеры питателя. В разностенных отливках с массивными частями модуль охлаждения 6о можно рассчитывать только по размерам массивной части, примыкающей к питателю.

Если рассчитанное значение D_ст>60 мм, применяют литниковую систему с коллекторами, которые выполняют функцию питающих элементов ЛПС.

        Пример. Рассчитать размеры элементов ЛПС для отливки «петля», ма­териал сталь 35Л, масса отливки G=185 г (рис. 1.38). Определяем модуль 6о (приведенную толщину) теплового узла, который представляет собой брус квадратного сечения со стороной a=18 мм и длиной b==40 мм. Площадь се­чения перпендикулярна к направлению подвода расплава ab, периметр сече­ния 2(а+2b), тогда

        Принимаем длину питателя l_п = 8 мм. По таблице 1.6 для G=185 г и δ₀=3,7 находим диаметр стояка D_ст=35 мм и приведенную толщину питателя δ_п = 4,75. Окончательно принимаем l_п=8 мм, D_ст=35 мм, δ_п= 4,75 и питатель, имеющий прямоугольное сечение со сторонами, которые можно найти по формуле (1.3), задаваясь толщиной питателя а_п=15 мм, тогда b_п =28 мм.

Второй способ, разработанный Н. Н. Лященко, приме­няют для расчета размеров элементов ЛПС II и III типов. Размеры прибылей определяют по методу вписанных сфер (окруж­ностей). При расчете размеров прибыли учитывают дистанцию ее действия R. Как правило, тонкие стенки отливок распола­гают вертикально, а металл в полость формы подводят снизу. Проверку правильности назна­чения размеров каналов ЛПС ведут гидравлическим методом. Площадь суженного сечения (см²) определяют по формуле

,

или

                           (1.4)

где G —масса отливки, г; r—плотность жидкого металла, г/см³; μ —коэффициент расхода, μ=0,8 …0,9 без учета энергии струи, μ=1,4…1,5 с учетом энергии струи расплава из ковша (значения μ больше, чем, например, при заливке песчаных форм, так как стенки оболочковой формы имеют низкую шерохова­тость); t_зап—время заполнения формы; H_р—расчетный напор столба металла в узком сечении, см; g - ускорение свободного падения, см/с², J — массовая скорость заливки, г/с, J=kl_mах/d_ст; k — коэффициент, зависящий от способа подвода расплава в полость формы: для верхнего подвода 0,05, для бокового под­вода 0,06, для нижнего подвода 0,08; l_mах — наибольшая протя­женность тонкой стенки отливки, мм; d_cт — толщина тонкой стенки отливки, мм.

          Диаметр стояков D_ст и модули охлаждения δ_п (приведенные толщины) в зависимости от приведенной толщины узла δ₀ и массы G отливок.

Температуры формы перед заливкой, зали­ваемого сплава, выбивки отливки назначают в за­висимости от химического состава сплава, толщины стенки и конфигурации отливки, руководствуясь известными положениями (см. раздел 1.5).

Продолжительность охлаждения отливки до заданной температуры определяют, пользуясь методами, известны­ми из теории формирования отливки [1].

В соответствии с разработанным технологическим чертежом отливки и расчетами размеров ЛПС с учетом заданной программы выпуска выбирают оборудование для изготовления моделей и про­ектируют пресс-форму, тип оболочковой формы, состав и способ приготовления суспензии, изготовления формы, способ сушки, прокаливания оболочки, назначают режимы выполнения основных операций технологического процесса, выбирают оборудование и проектируют необходимую технологическую оснастку.