РАСЧЕТ ЛИТНИКОВО–ПИТАЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ И РАСТВОРИМЫМ МОДЕЛЯМ

14.1 Назначение, конструкция и типы литниково–питающих систем

В условиях литья по выплавляемым, растворимым или выжигаемым (до заливки металла) моделям в зависимости от способа производства отливок, литниковая система выполняет несколько функций.

При групповом способе производства, когда литниковая система является общей для нескольких отливок, она должна: служить несущей конструкцией, удерживающей на себе модели и оболочку в процессе изготовления отливок; обеспечить подачу металла в полость формы и питание отливок металлом в период их затвердевания. В этом случае литниковая система является литниково–питающей.

При единичном способе производства, применяемом для крупных отливок, отливки имеют индивидуальную литниковую систему, которая выполняет обычные функции подачи металла в полость формы. Питание отливок в период их затвердевания в этом случае осуществляется прибылями.

Правильно построенная литниково–питающая система должна обеспечивать хорошее заполнение формы металлом; получение отливок высокого качества без усадочных раковин, инородных включений, коробления и с минимальными внутренними напряжениями; достаточную прочность, жесткость и компактность блока при выполнении технологического процесса; наивысший выход годного литья и высокую производительность труда; свободное удаление модельной массы из внутренних полостей формы; удаление газов при прокаливании и заливке.

К элементам, образующим литниковую систему относятся: литниковая воронка (или чаша), стояк, коллектор, питатель, иногда прибыли или выпоры.

Литниковая воронка – служит для приема металла из ковша и непрерывного направления его в стояк.

Стояк – вертикальный (редко наклонный или изогнутый) канал, передающий металл из воронки к последующим элементам литниковой системы (питателям или коллекторам). В литниково–питающей системе стояк выполняет функции прибыли. Нижняя часть стояка – зумпф, воспринимает удар падающей струи металла, удерживает первые порции охлажденного металла и засор.

Коллектор – литниковый канал, являющийся обычно промежуточным звеном между стояком и питателем. Часто коллектор играет роль прибыли.

Питатель – короткий канал, обеспечивающий подачу металла непосредственно в полость формы. В литниково–питающих системах питатель выполняет функции соединительной шейки между стояком или коллектором и отливкой.

Прибыль – служит для питания массивных узлов отливки. В некоторых случаях прибыль используется как литниковая воронка для непосредственного приема металла из ковша.

Выпор – служит для удаления газов и сора в момент заливки формы.

Кроме указанных в литниковой системе могут быть и другие соединительные каналы.

В зависимости от характера подвода металла, конструкции и выполняемых функций, известные литниковые системы можно классифицировать на пять типов.

Литниковая система 1 типа (рис. 14.1) – состоит из воронки, стояка, питателя. Подвод металла осуществляется в толстые части отливки. Стояк выполняет функции прибыли, обеспечивая питание отливок при их затвердевании. Питатель является соединительной шейкой между стояком и отливкой. Литниковая система не предусматривает возможности регулирования продолжительности заливки. Стояк может иметь круглое, квадратное, прямоугольное или шестигранное сечение в зависимости от удобства размещения на нем отливок. В связи с большой простотой и технологичностью литниковые системы 1 типа наиболее распространены.

Литниковая система 2 типа (рис. 14.2) – состоит из воронки, стояка, коллектора и питателей. Подвод металла осуществляется в толстые части отливок. Функция питателя отливок в литниковой системе 2 типа выполняется коллектором. Задачи стояка в этом случае сводятся к подаче металла в коллектор, поэтому его размеры назначаются из условий обеспечения металлостатического напора, необходимого для заполнения формы и жесткости конструкции системы. Сечения питателей в такой литниковой системе назначаются из условий питания металлом при их затвердевании. Система не предусматривает заливки форм с определенной продолжительностью, хотя принципиально возможна регулировка продолжительности заливки нижним основанием стояка, но такой способ регулировки не применяется, т.к. узкое сечение стояка не обеспечивает необходимой прочности модельного блока. Коллектор может быть в виде бруска, расположенного вертикально или горизонтально, кольца, диска цилиндра и т.п. Тип коллектора зависит от конфигурации отливок, изготовляемых на данной литниковой системе. Литниковые системы 2 типа широко применяются для мелких отливок.

Литниковая система 3 типа (рис. 14.3) – состоит из индивидуальной прибыли, через которую осуществляется заливка металла. Безусловно, такой способ подачи металла в форму не предполагает управления продолжительностью заливки. Система 3 типа применяется для отливок инструментального литья типа сверл, фрез и других отливок большого веса и размеров (роторы).

Литниковая система 4 типа (рис. 14.4) – применяется, главным образом, при изготовлении крупных отливок.

Рис. 14.3 – Литниково-питающая система III типа:

1 – прибыль, 2 – отливка

Рис. 14.4 – Литниково-питающая система IV типа:

1 – воронка, 2 – отливка, 3 – стояк, 4 – коллектор, 5 – питатель, 6 – прибыль

Рис. 14.5 – Литниково-питающая система V типа:

1 – воронка-прибыль, 2 – полый стояк, 3 – питатель, 4 – отливка

Рис. 14.6 – Варианты воронок-прибылей для литниково-питающей системы V типа:

а – кольцевая прибыль; б – цилиндрическая.

По своей конструкции она приближается к литниковым системам отливок, изготовляемым в песчаных формах. Стояк и питатель в таких системам выполняет функции подвода металла в полость формы. За счет их сечений может осуществляться регулировка необходимой продолжительности заливки формы. Питание массивных узлов отливок в период их затвердевания при таких системах осуществляется за счет прибылей.

Литниковая система 5 типа (рис. 14.5, 14.6) состоит из полого стояка, воронки и питателей. Она обладает большой питающей способностью, обеспечивает высокую производительность. Такая литниковая система весьма перспективна, в связи с чем далее рассматривается подробно.

Общим для литниковых систем 1–3 типов является то, что они служат несущими конструкциями, удерживающими на себе в процессе производства модели и выполняют функции питания отливок в период кристаллизации металла. Элементов, регулирующих продолжительность заливки литейной формы, они не содержат. В связи с этим продолжительность заливки зависит от опыта, способностей заливщика и ряда случайных факторов.

Проведенные исследования показали, что продолжительность заливки форм оказывает значительное влияние на качество литья по выплавляемым моделям. Для всех разновидностей литья существует оптимальная продолжительность заливки форм, обеспечивающая получение отливок с минимальными дефектами. При недостаточной продолжительности заливки форм отливки поражены песчаными и шлаковыми включениями, газовыми и усадочными раковинами, подвержены раздутию. При чрезмерно большой продолжительности заливки форм отливки имеют нечетко выраженные кромки, спаи, недоливы.

Верхний предел оптимальной продолжительности заливки равен максимальной продолжительности, допускаемой безопасности образования спаев, нечеткости кромок. Такая заливка способствует снижению брака по песчаным и шлаковым включениям, газовым и усадочным раковинам. Увеличение продолжительности заливки в пределах оптимального интервала улучшает условия затвердевания слитков большой высоты, способствует повышению плотности.

Применяемые в настоящее время литниковые системы 1–3 типов не могут обеспечить постоянство продолжительности заливки в пределах оптимальных значений в связи с отсутствием регулирующих элементов.

Разработан следующий метод регулирования продолжительности заливки форм точного литья по выплавляемым моделям. В воронку стояка или прибыль, если заливка осуществляется через прибыль, устанавливается регулирующий стаканчик (рис. 14.7), с отверстием, площадь сечения которого рассчитывается таким образом, чтобы обеспечивалась оптимальная продолжительность заливки. Наружные размеры стаканчика должны быть согласованы с размерами воронок стояков.

Особое внимание следует обратить на выполнение закругления входной кромки отверстия (), при отсутствии которого регулирующее отверстие заполняется металлом не полностью и не обеспечивает расчетной продолжительности заливки формы.

Литниковые системы 1–2 типа имеют так же низкую экономичность. Выход годного литья при использовании таких систем составляет 20–55%. Кроме того, они обуславливают невысокую производительность труда из–за ограниченного съема отливок с одной литниковой системы.

Низкий выход годного литья показывает, что питающая способность таких систем используется не полностью. Экспериментально установлено, что максимальный объем усадочных раковин и пор в стояках и коллекторах при рациональном размещении отливок в блоке может достигать 20–25 %. Однако максимально использовать объем металла обычной литниковой системы в период кристаллизации редко удается. Это объясняется тем, что обычная литниковая система в виде стояка с воронкой позволяет разместить отливок значительно меньше, чем может пропитать.

Полезная площадь посадки отливок на стояк равна:

(14.1)

где S – полезная площадь посадки, см;

Д – диаметр стояка, см;

Н – высота стояка до воронки, см.

Используемые в практике стояки литниковых систем 1 типа с диаметром 20¸45 мм, располагают незначительной площадью посадки в пределах 190¸470 см², что сдерживает повышение производительности труда. Однако дальнейшее повышение площади посадки стояка за счет увеличения его диаметра резко снижает выход годного.

Для оценки экономичности литниковой системы с точки зрения полезного расхода металла на нее предлагается отношение:

(14.2)

где r – показатель расхода металла на единицу полезной площади посадки литниковой системы, см³/см²;

V – полезный объем металла литниковой системы, см³;

S – полезная площадь посадки, см.

Для обычных литниковых систем 1 типа (рис. 14.1):

, (14.3)

где – показатель расхода металла на единицу полезной площади посадки обычного стояка, см³/см²;

Рис. 14.7 – Литниково-питающая система с регулируемой скоростью подачи металла:

а – форма; б – стаканчик; 1 – регулирующий стаканчик, 2 – оболочка воронки, 3 – засыпка, 4 – опока

ющей системы _______________________________________________________________
– диаметр стояка, см;

– средний диаметр воронки, см;

– высота стояка, см;

– высота воронки, см.

С увеличением диаметра стояка обычной конструкции, расход металла на единицу площади посадки резко возрастает. В то время как стояк с диаметром 20 мм имеет = 0,81, уже при диаметре 60 мм у него = 1,85, т.е. экономичность стояка снижается в 2,29 раза. Поэтому применение обычных стояков с диаметром более 40 мм не экономично.

В производстве были испытаны несколько рациональных конструкций литниковых систем с полым стояком (тип 5, рис.14.5, 14.6) и методы расчета их параметров. При использовании этой литниковой системы на экспериментальных отливках удалось увеличить съем отливок с одной литниковой системы в 3–5 раз и повысить выход годного с 25–50% до 60–70%. Полезная площадь полых стояков в 3–5 раз больше, чем у обычных стояков и составляет 600–2260 см², а может быть и больше.

Увеличение диаметра полого стояка не отражается на его экономичность, т.к. зависит в данном случае главным образом от толщины стенки стояка:

(14.4)

где r – показатель расхода металла на единицу площади посадки полого стояка, см³/см²;

h – высота прибыли – воронки, см;

– средняя толщина прибыли – воронки, см;

H – высота стояка, см;

– средняя толщина стенки стояка, см;

– наружный диаметр стояка по середине высоты, см;

Д – диаметр по средней линии толщины, см.

Ввиду незначительной разницы для упрощения формулы (14.4) принимается = Д

Таким образом, при производстве литья на литниковой системе с полым стояком имеется неограниченная возможность, при наличии соответствующей механизации, в повышении производительности труда за счет увеличения диаметра стояка без риска снижения экономичности процесса. Результаты расчета показывают, что для литниковой системы с полым стояком, рекомендуемых толщин стенок = 0,74¸2,62, выход годного литья будет выше, чем для сплошных стояков, применяемых в настоящее время систем.

Преимущества литниковой системы с полым стояком не исчерпываются повышением съема отливок с одной литниковой системы. Полый стояк имеет очень высокую питающую способность в период кристаллизации металла отливок. Он обеспечивает высокую плотность даже в том случае, когда его толщина в два раза меньше диаметра вписанной в массивный узел отливки окружности.

Установлено, что стояк со средней толщиной стенки 10 мм позволяет получить плотными отливки весом 700 г и с диаметром вписанной в массивный узел отливки окружности – 40 мм.

14.2 Расчет обычных литниково–питающих систем

В настоящее время используется главным образом четыре метода расчета обычных литниково–питающих систем /3/С.В. Руссияна – Н.И. Голованова; М.Л.Хенкина; Я.И. Шкленника; И.П. Фиминых.

Ниже излагается сущность известных методов расчета и критические замечания по поводу каждого из них.

Метод С.В. Руссияна – Н.Н. Голованова

Суммарное сечение питателей литниковой системы по данному методу находят исходя из нормальной продолжительности заливки формы и удельной скорости заливки по известной формуле:

, (14.5)

где – суммарное сечение питателей, см²;

m – масса жидкого металла на форму, кг;

t – время заливки формы, с;

– скорость заливки, кг/см² с.

Скорость заливки " " устанавливается по таблице в зависимости от относительной плотности блока отливок m / V₂. где m – вес блока с литниками и прибылями, кг; V₂ –габаритный объем блока отливок, дм³.

Нормальная продолжительность заливки определяется по формуле:

, (14.6)

где t – время заливки, с;

m – масса жидкого металла заливаемого в форму, кг;

c – коэффициент скорости, зависящий от относительной плотности блока.

Если сечение отдельного питателя получается очень мало, его корректируют таким образом, чтобы площадь питателя была не меньше 0,2 см², а толщина не менее 2–2,5 мм. Сечения остальных элементов литниковой системы находятся по рекомендуемым авторами соотношениям в зависимости от суммарного сечения питателей.

Рассмотренный метод, с нашей точки зрения, имеет ряд существенных недостатков:

1) При разработке метода авторы рассматривали питатель, как элемент литниковой системы, подводящий металл в форму отливки в период заливки, и расчет сечения его вели исходя из нормальной продолжительности заливки, которую он должен обеспечить. Такой подход к расчету питателя возможен лишь для литниковых систем типа 4 (рис. 14.4), применяемых редко. Главная масса литья по выплавляемым моделям производится групповым способом на литниковых системах 1 и 2 типов, выполняющих, помимо подачи металла в форму, функции питания отливок и не регулирующих продолжительность заливки. Для данного случая способ С.В. Руссияна – Н.Н. Голованова не нашел применения, т.к. обеспечивает слишком малые сечения питателей.

2) При разработке метода авторы исходили из представления, что все питатели форм, расположенных на литниковой системе, работают одновременно. Это справедливо лишь при расположении отливок на одном горизонтальном уровне, главная же масса отливок по выплавляемым моделям располагается на нескольких уровнях (этажно), которые заполняются последовательно. Иногда могут заполняться два соседних уровня вместе, но не все уровни литниковой системы одновременно.

3) При расчете суммы сечений питателей по формуле (14.5) учитывается масса металла на весь блок, т.е. масса отливок с литниковой системой и прибылями, если они имеются. Для литья по выплавляемым моделям такое решение неверно, т.к. металл литниковой системы составляющей 40–80% веса всего металла на блок, не проходит через питатели. Таким образом, сечения питателей при данной расчете неоправданно увеличивается в 2–4 раза и это ставит под сомнение возможность применения расчета.

4) Применение рассмотренного метода для расчета самостоятельной литниковой системы крупных отливок, не выполняющей функций питания отливок в период кристаллизации металла (рис. 14.4), также вызывает сомнение по следующим соображениям:

а) в формуле не учитывается один из главных факторов, определяющих время заливки – толщина стенки отливки, хотя известно, что для тонкостенного литья при том же весе блока потребуется, безусловно, более быстрая заливка. Коэффициент скорости " С " выбирается в зависимости от отношения m / V, которое крайне приблизительно может характеризовать отливку, т.к. V берется по габаритным точкам блока;

б) в формуле также не учитывается гидростатический напор, определяющий расход металла через питатели в единицу времени.

Метод М.Л.Хенкина

Метод предложен для литниковых систем типа 1–2 (рис.14.1–14.2) отливок, изготовляемых в подогретых формах. Элементы литниковой системы рассчитываются из условия обеспечения системой надежного питания отливок в период их затвердевания. Стояк или коллектор рассматриваются как прибыль, питатель – как соединительная шейка между прибылью и отливкой. Исходными данными для определения размеров литниковой системы является вес отливки и приведенная толщина наиболее массивного узла отливки.

Расчет размеров питателя или стояка производится по формуле:

, (14.7)

где Z_n – приведенная толщина сечения питателя, т.е. отношение площади сечения питателя к его периметру, мм;

z₀ – приведенная толщина узла питания отливки, представляющая отношение объема узла к его поверхности, мм;

m – масса отливки, кг;

l_n – длина питателя, мм;

z_c – приведенная толщина сечения стояка, т.е. отношение площади сечения стояка к его периметру, мм.

Формула (14.7) устанавливает взаимосвязь между размерами стояка и питателя при соблюдении следующих условий:

– приведенная толщина сечения стояка должна быть больше приведенной толщины отливок, т.е. z_c > z₀;

– количество отливок на стояке не должно превышать некоторого максимального числа n_m.

Максимально возможное количество отливок, которое может пропитать литниковая система, определяется по формулам:

– при питании от стояка

, (14.8)

– при питании от коллектора

, (14.9)

где n_m – максимальное количество отливок, шт.;

m₀ – масса одной отливки;

r – плотность стали, г/см³;

b – коэффициент объемного сжатия металла, характеризующий объемную усадку металла в период затвердевания (для среднеуглеродистой стали b = 0,04);

F_с – площадь сечения стояка, см²;

H – высота стояка, см;

V_k – объем коллектора, см³.

На основании формулы (14.7) М.Л. Хенкин составил таблицу для определения размеров элементов литниковой системы. Кроме того, им разработаны номограммы, предназначенные для корректировки размеров литниковой системы в том случае, если размеры питателя, выбранные по таблице не укладываются на узел отливки.

В случае питания от цилиндрического коллектора:

Z_к.ц. = 1,15, (14.10)

от кольцевого коллектора:

Z_к.к. = (0,7–0,75) Z_с, (14.11)

где Z_к.ц. – приведенная толщина цилиндрического коллектора, мм;

Z_к.к. – приведенная толщина кольцевого коллектора, мм.

При наличии нескольких массивных узлов на отливке расчет производится отдельно для каждого узла.

К недостаткам метода следует отнести:

– не учитывается задача литниковой системы подводить металл в форму с оптимальной продолжительностью;

– расчет максимально допустимого количества отливок, изготавливаемых на принятой литниковой системе по формулам (14.8) и (14.9) дает очень завышенные результаты, это объясняется тем, что литниковые системы, применяемые в настоящее время обладают малой полезной площадью посадки. На них удается разместить в 2–4 раза меньше отливок, чем система может пропитать. Например, для детали "угольник" (масса отливки 630 г, металл – сталь 25Л, площадь сечения стояка 19,5 см², высота стояка – 29 см), по формуле (48) допустимое количество отливок в блоке составляет:

.

фактически на данном стояке можно разместить только 4 отливки.

Метод Я.И. Шкленника

Метод позволяет рассчитывать литниково–питающие системы 1 и 3 типов (рис. 14.1, 14.3) и прибыли на отливках, заливаемых через литниковую систему 4 типа (рис. 14.4). Диаметр стояка d_c систем 1 типа предлагается определить по формуле:

, (14.12)

где Z₀ – эффективная приведенная толщина теплового узла отливки;

V₀ – объем отливки;

n – количество отливок в звене (горизонтальном уровне).

Расчет диаметра прибылей определяется по формулам:

– для открытых прибылей:

, (14.13)

– для закрытых прибылей верхних:

, (14.14)

– для закрытых прибылей бокового питания:

. (14.15)

Величины других размеров прибылей рассчитываются в зависимости от d.

Метод И.П. Фоминых

Метод может быть использован для расчета литниковых систем 1 типа. Предложены формулы:

, (14.16)

, (14.17)

, (14.18)

где d_c – диаметр стояка, мм;

F_c – площадь сечения стояка, мм²;

F_n –площадь сечения питателя, мм²;

m₀ – масса отливок, г;

l_n – длина питателя, мм;

n – количество отливок в звене, шт.

Учитывая, что в настоящее время литниковые системы 1–2 типов для литья по выплавляемым, растворимым или выжигаемым (до заливки металла) моделям рассматриваются главным образом, как питающие, расчет их с учетом функций питания отливок в период затвердевания следует вести по методу М.Л. Хенкина, как показала практика, дающему вполне удовлетворительные результаты.

14.3 Расчет элементов литниково – питающих систем, регулирующих продолжительность заливки

Поиск по сайту: