Выбор рационального способа литья заготовки проектируемой детали

В процессе проектирования технологичных изделий конструктор должен обеспечить не только их эксплуатационные характеристики, но и оптимизировать расходы на производство.

Одну и ту же деталь можно изготовлять из заготовок, получаемых различными способами. Основополагающим принципом выбора способа получения отливки является обеспечение максимального приближения ее размеров к проектируемой детали, что существенно сокращает расход металла, объем механической обработки и производственный цикл изготовления детали. Однако при этом в заготовительном производстве увеличиваются расходы на технологическое оборудование и оснастку, их ремонт и обслуживание. Вот почему при выборе способа получения заготовки следует проводить технико-экономический анализ двух этапов производства — заготовительного и механообрабатывающего.

Выбор способа получения отливки определяется теми же факторами, что и при проектировании поковки. Конструкторско-технологическими признаками изделия являются форма и размеры заготовки; требуемая точность и свойства поверхностного слоя; технологические свойства материала заготовки и программа выпуска изделий.

Формы и размеры заготовки. Литье в песчаные формы и по выплавляемым моделям позволяет получать заготовки сложной формы с различными полостями и отверстиями. В то же время некоторые способы литья (литье под давлением, центробежное литье и др.) накладывают определенные ограничения на выбор формы отливки и условия ее изготовления.

При литье в песчаные формы размеры заготовки практически не ограниченны. Однако минимальные размеры изделия (например, толщина стенки отливки) нередко являются ограничивающим параметром.

Форма (группа сложности) и размеры (масса) отливок влияют на их себестоимость. Причем масса заготовки влияет активнее, так как с ней связаны расходы на оборудование, оснастку и т. п.

Требуемая точность и свойства поверхностного слоя заготовки. Себестоимость заготовок существенно зависит от точности их геометрических форм и размеров. Чем выше требования к точности отливок, тем выше стоимость их изготовления. Это объясняется, главным образом, увеличением стоимости оснастки, уменьшением допуска на ее износ, применением оборудования с более высокими параметрами точности, увеличением расходов на его содержание и эксплуатацию.

Свойства поверхностного слоя заготовки влияют на последующую обработку и эксплуатационные свойства детали, например на усталостную прочность, износостойкость. Они формируются практически на всех стадиях изготовления заготовки. Выбранный способ определяет не только шероховатость, но и физикомеханические свойства поверхностного слоя.

В качестве примера сравним заготовки, получаемые литьем в песчаные формы и под давлением. В первом случае поверхность отливки шероховатая неточная. При обработке такой заготовки резанием возникает неравномерная нагрузка на инструмент, что, в свою очередь, снижает точность обработки.

Заготовка, полученная литьем под давлением, имеет низкую шероховатость (см. табл. 34.1), но ввиду высокой скорости охлаждения и отсутствия податливости формы в поверхностном слое отливки возникают остаточные напряжения растяжения, которые могут привести к короблению заготовки и образованию трещин.

Технологические свойства материала отливки. Для каждого способа изготовления заготовок требуется определенный комплекс литейных свойств материала. Именно технологические свойства материала часто накладывают ограничения при выборе способа получения отливки. Так, серый чугун имеет высокие литейные свойства, поэтому отливки из этого сплава могут быть изготовлены всеми известными способами литья, кроме литья под давлением. При получении заготовок из высоколегированных сталей, характеризующихся низкой жидкотекучестью, применяют, как правило, самый дорогой способ — литье по выплавляемым моделям.

Себестоимость изготовления отливок зависит от технологических свойств материала. Например, переход от чугуна к стали при производстве отливок повышает себестоимость заготовок (без учета стоимости материала) на 20...30 %.

Свойства поверхностного слоя у заготовок из одного и того же материала, но полученных различными способами литья, будут неидентичны (см. табл. 34.1). Так, при изготовлении отливок литьем в песчаные формы шероховатость составляет Ra 80...20 мкм, а при литье под давлением — Ra 10...2,5 мкм.

Тип производства. На выбор способа получения отливок оказывает влияние и тип производства. Например, в условиях крупносерийного и массового производства рентабельны способы литья с использованием металлических и оболочковых форм. Для получения отливок из труднообрабатываемых материалов возможно применение литья по выплавляемым моделям, а при изготовлении тонкостенных заготовок из цветных сплавов (tпл < 1000 °C) целесообразно литье под давлением.

С уменьшением числа одинаковых изделий окупается только простая и недорогая оснастка. Так, в мелкосерийном и единичном производстве применяют литье в песчаные формы с использованием деревянных моделей. При этом отливки имеют припуски, напуски и литейные уклоны большие, чем при изготовлении заготовок специальными способами литья. С увеличением программы выпуска отливок становится экономически целесообразно использовать металлические модельные плиты при литье в песчаные формы и изготовлять литейные формы и отливки на автоматических линиях либо применять более дорогие специальные способы литья. В этом случае возможно получение заготовок с высокими свойствами поверхностного слоя и с меньшими допусками размеров и припусками на механическую обработку.

Производственные возможности предприятия. При организации производства нового типа проектируемых деталей кроме разработки технологических процессов следует рассмотреть целесообразность приобретения нового оборудования, производственных площадей, дополнительных материалов и т. п. В этом случае выбор оборудования, оснастки и материалов проводят на основании предварительного технико-экономического анализа.

Процесс проектирования изделий, изготовление которых предполагается в условиях действующего предприятия, следует соотнести с технологическими возможностями. Для этого необходимо располагать сведениями о типе и количестве имеющегося оборудования, производственных площадях, возможностях ремонтной базы, вспомогательных служб и т. д.

Многие из упомянутых факторов взаимосвязаны. Например, внедрение литья в металлические формы позволяет значительно снизить потребность в производственных площадях в литейном цехе за счет уменьшения габаритных размеров машин, снижения расхода формовочных материалов и т. п. Однако для изготовления и ремонта кокилей требуются дополнительные затраты в инструментальных и ремонтных цехах.