Проектирование и расчет литниковой системы

Проектирование и расчет литниковой системы Для обеспечения качественного заполнения формы сплавом литниковая система должна удовлетворять следующим требованиям: - обеспечивать заполнение формы за некоторое оптимальное время; - создавать возможность надежного улавливания шлака, неметаллических и газовых включений; - способствовать плавному поступлению сплава в полость формы без разбрызгивания и размывания поверхности формы и стержней; - создавать тепловые условия, благоприятствующие направленному затвердеванию отливки и снижению развивающихся в ней литейных напряжений. 1. Оптимальная продолжительность заливки формы Опыт показывает, что для каждой отливки существует оптимальная продолжительность заливки формы – τзал, соответствующая неравенству: τmin ≤ τзал ≤ τmax , где τmin – минимально допустимая продолжительность заливки формы, определяется: - временем, необходимым для полного удаления из формы воздуха и газов; - возможностью размывания поверхности формы и стержня; - нежелательностью увеличения сечения литниковых каналов по экономическим соображениям. τmax – максимально допустимая продолжительность заполнения формы, определяется: - отводом тепла и снижением температуры сплава; - жидкотекучестью сплава (условием является получение отливки без спаев и недоливов в тонких сечениях). При выборе оптимальной продолжительности нужно учитывать уровень и место подвода сплава. При подводе сплава снизу продолжительность заливки должна быть меньше, чем при подводе сверху, т. к. при этом необходимо обеспечить достаточно высокую температуру сплава в прибыли. При подводе сплава в тонкие части отливки большая продолжительность заливки будет способствовать меньшим внутренним напряжениям в отливке. Расчет оптимальной продолжительности заливки формы ведется по формуле Г. М. Дубицкого [2]: (1) где S1 – коэффициент продолжительности заливки, зависящий от температуры жидкого металла, рода сплава, места подвода сплава, материала формы (таблицы 1 – 3); δ – преобладающая толщина стенки отливки, мм; G - масса жидкого сплава в форме, приходящегося на одну отливку, кг. Таблица 1 - Значение коэффициента S1 для стальных отливок Температура заливаемого сплава Подвод металла снизу на ½ высоты сверху Нормальная (температура перегрева ~100°C) 1,3 1,4 1,5-1,6 Повышенная 1,4-1,5 1,5-1,6 1,6-1,8 Для отливок, заливаемых горизонтально, значение коэффициента S1 принимается меньше на 0,1-0,2, т. к. увеличиваются тепловые потери. Для отливок, склонных к образованию внутренних напряжений, холодных трещин (при подводе сплава в тонкие части отливки) и усадочных раковин (при подводе сверху), значение S1 следует увеличить на 0,1-0,2, т. к. большая продолжительность заливки необходима для выравнивания скорости охлаждения тонких и толстых частей отливки. Отливки, изготовляемые в металлических формах или с большим количеством холодильников, нужно заливать быстрее и следует уменьшить значение коэффициента S1 на 0,1-0,2. Для чугунных отливок S1 чаще принимают равным 2, для БрО5Ц6С5 S1= 2-2,2, для латуни S1= 1,9. Таблица 2 - Значение коэффициента S1 для отливок из алюминиевых сплавов Изготовление отливок Подвод сплава при массе жидкого сплава на одну отливку, кг обычной литниковой системой вертикально-щелевой системой < 2 2-5 5-10 10 < 15 15-30 30-70 В подогреваемых кокилях 2,20 2,40 2,50 2,62 3,35 3,60 4,00 В песчаных формах 1,70 2,10 2,30 2.40 2,70 2,80 3,00 Таблица 3 - Значение коэффициента S1 для отливок из сплава МЛ5 Изготовление отливок Подвод сплава при массе жидкого сплава на одну отливку, кг обычной литниковой системой вертикально-щелевой системой < 2 2-5 5-10 10-20 > 20 < 30 30-45 45-65 В подогреваемых кокилях 2,3 2,6 2,8 2,9 2,9 3,7 4,0 4,4 В песчаных формах 2,3 2,5 2,7 2,7 2,8 3,0 3,0 3,3 Преобладающая толщина стенки δ равна толщине стенки, наиболее протяженной или наиболее удаленной от питателей. При этом δ не всегда совпадает с геометрической толщиной стенки отливки δотл. На практике δ = δотл, если ее протяженность L > 4 δотл . В другом случае преобладающую толщину стенки отливки следует считать по формуле: (2) 2. Масса жидкого металла на одну отливку (3) где N - число отливок в форме, шт; Gж - масса заливаемого в форму сплава,кг. где Gотл - черновая масса отливки, кг; Gприб и Gл.с. - масса прибылей и литниковой системы, кг. Масса литниковой системы принимается в пределах 4÷10 % от массы жидкого сплава, заливаемого в форму. Большая величина принимается для небольших отливок. Опыт показывает, что отливка получается качественной в некотором интервале времени заливки: при отклонении τзал от рассчитанного по формуле (3) в большую или меньшую сторону на 20 %. По данным Г. М. Дубицкого время заливки должно удовлетворять неравенству: τопт / 1,2 ≤ τзал ≤ 1,2 τопт . 3. Расчет площади поперечного сечения узкого места литниковой системы Расход сплава, протекающего через литниковую систему, определяется площадью поперечного сечения узкого места литниковой системы ωуз и величиной действующего напора Hр. Узким местом литниковой системы называется ее элемент, имеющий наименьшую площадь поперечного сечения и определяющий расход сплава в системе. При литье из поворотных ковшей площадь поперечного сечения узкого места литниковой системы рассчитывается по формуле: (4) где ρж - плотность сплава при температуре заливки, кг/см3; μ - коэффициент расхода литниковой системы; q - ускорение свободного падения, 9,81 см/с2. Для обеспечения замкнутости литниковой системы ее делают сужающейся, т. е. по ходу потока сплава площадь сечения элементов системы уменьшается. При этом скорость сплава увеличивается, достигая наибольшего значения на выходе из литниковой системы в полость формы. Замкнутые литниковые системы не применяются для сплавов, склонных к вспениванию и окислению (алюминиевые и магниевые сплавы, высоколегированные стали, алюминиевые бронзы и латуни). Для этих сплавов применяются незамкнутые расширяющиеся литниковые системы. При этом для улавливания шлака устанавливаются фильтровальные сетки. Разовые формы являются газопроницаемыми. Литниковая система I класса Литниковая система, в которую входят литниковая чаша или литниковая воронка с цилиндрическим стояком, является не замкнутой в стояке. Узкое место находится в верхнем сечении стояка. Величина действующего напора определяется по формуле: Hр = Hч, (5) где Hч – высота уровня сплава в литниковой чаше. При этом динамический напор струи сплава, падающей из ковша, полностью гасится в чаше. При применении литниковой воронки часть напора сохраняется. Поэтому в данном случае Hр = (1,3 ÷ 1,4) Hв, (6) где Hв – высота уровня сплава в воронке. Для обеспечения замкнутости системы стояк выполняется коническим, сужающимся книзу. При этом струя полностью по всей высоте стояка заполняет его поперечное сечение. Узкое место системы в данном случае располагается в нижнем сечении стояка, а действующий напор рассчитывается по формуле: Hр = Hч + hст при применении чаши; (7), Hр = (1,3 ÷ 1,4) Hв+ hст при применении воронки (8). Литниковая система I класса относительно редко применяется на практике. В качестве примера можно привести дождевую литниковую систему. Литниковая система II класса Литниковая система этого класса состоит из воронки или чаши, стояка и питателя. Узкое место находится в верхнем сечении стояка. Величина действующего напора определяется по формуле (5) или (6). Сечение питателя в данном случае оказывает влияние на скорость поступления расплава в полость формы. Происходит эжекция газов в стояке, что является нежелательным. Систему такого типа нежелательно применять на практике. Если площадь сечения питателя ωпит меньше площади сечения стояка внизу ωст.н, то система будет замкнута во всех элементах. При ωст.н < ωпит система будет замкнута в стояке, но не замкнута в питателе. В последнем случае уменьшается скорость поступления расплава в полость формы из питателя. Поэтому данную систему рекомендуют для отливок из сплавов, склонных к вспениванию и окислению. Общим недостатком системы II класса является отсутствие в них шлакоулавливающего элемента. Поэтому при их применении часто предусматривают установку фильтровальных сеток. Системы II класса часто применяют при вертикальной плоскости разъема формы. Например, при литье в безопочные формы. При подводе расплава в среднюю по высоту часть формы (рис. 1) напор является переменным. Он изменяется от H0 в начале заливки до величины m в момент ее окончания. Поэтому величина действующего напора определяется по формуле Диттерта: Hр = H0 – (p2 / 2c), (9) где m - расстояние от верхнего уровня полости формы до ее верхней плоскости; p – расстояние от уровня подвода сплава к полости формы до ее верхней плоскости; c - высота полости формы; H0 определяется по формуле (7) или (8). Литниковая система III класса Содержит все элементы: литниковую чашу или воронку, стояк, шлакоуловитель и питатели. В замкнутой в питателях системе во время заливки шлакоуловитель и питатели заполнены сплавом, т. е. обеспечиваются условия: ωст.н > ωпит и ωшл > ωпит , где ωшл – площадь поперечного сечения шлакоуловителя. Если литниковая система замкнута в питателях, но не замкнута в стояке, то H0 определяется по формуле (7) или (8). Если литниковая система замкнута во всех элементах, узким местом является сечение питателей, то H0 определяется по формуле Диттерта (9). Данный тип литниковой системы наиболее распространен при заливке форм железоуглеродистыми и многими медными сплавами. Эта система хорошо задерживает шлак. Однако скорость сплава по ходу потока через систему увеличивается, достигая в питателях наибольшего значения. Поэтому для сплавов, склонных к окислению и вспениванию, эта система неприменима. Для уменьшения выходной скорости потока узкое место системы переносится в шлакоуловитель или нижнее сечение стояка (ωшл > ωпит или ωст.н > ωпит), H0 определяется по формуле Диттерта (9). Литниковая система IV класса При заполнении высоких отливок возникает необходимость в подводе расплава на нескольких уровнях. При этом горячий расплав последовательно поступает через питатели на поверхность поднимающегося в полости формы расплава, что обеспечивает качественное заполнение формы и направленное затвердевание отливки. Литниковые системы данного типа называются ступенчатыми. Практическая реализация данного режима заполнения формы предъявляет специфические требования к конструированию и расчету литниковой системы. Площадь узкого места литниковой системы рассчитывается по формуле (4). При этом определяется площадь нижнего сечения стояка или суммарная площадь сечений ветвей шлакоуловителя, или суммарная площадь питателей, через которые сплав подводится к полости формы. Значения коэффициент расхода литниковой системы приведены ниже. Значения коэффициент расхода литниковой системы µ для алюминиевых и магниевых сплавов в зависимости от узкого места: Питатели 0,55 ± 0,10 Шлакоуловитель 0,60 ± 0,10 Нижнее сечение стояка 0,70 ± 0,10 Верхнее сечение стояка 0,80 ± 0,10 Значения коэффициент расхода литниковой системы µ для медных сплавов с учетом положения узкого места: БрО3,5Ц6С5 Отверстие фильтровальной сетки под стояком Нижнее сечение стояка Питатели 0,40 ± 0,10 0,35 ± 0,10 0,30 ± 0,10 ЛЦ40С1 питатели 0,41 ± 0,10 Таблица 4 - Значения коэффициент расхода литниковой системы µ для чугунных и стальных отливок Сплав и способ заливки Сопротивление формы большое среднее малое Чугун: Заливка в сырую форму Заливка в сухую форму 0,35 0,41 0,42 0,48 0,50 0,70 Сталь: Заливка в сырую форму Заливка в сухую форму 0,25 0,30 0,32 0,38 0,42 0,50 Поправки к значению коэффициента расхода литниковой системы µ с учетом факторов, влияющих на величину коэффициента: Повышение температуры заливки на 50°C до ± 0,05 Наличие открытых выпоров и прибылей +(0,05÷0,20) Малая газопроницаемость формы (отсутствие выпоров и прибылей) до - 0,05 4. Расчет площадей поперечного сечения элементов литниковой системы Осуществляется по эмпирическим соотношениям, зависящим от сплава и положения узкого места системы. На основании практического опыта рекомендуются следующие соотношения: ωпит : ωшл : ωст = 1 : 1,2 : 1,4 – для чугуна и стали (при литье из поворотных ковшей); ωпит : ωшл : ωст = 1 : 1,15 : 1,3 – для углеродистой стали (при литье из стопорных ковшей); ωпит : ωшл : ωст = 1 : 1 : 1 – при высоком качестве формовочных смесей и применении сифонного огнеупорного припаса для оформления литниковых каналов; ωпит : ωшл : ωст = 2 : 1,332 : 1 – для высоколегированной стали; ωпит : ωшл : ωст = 2,3 : (1,3÷1,5) : 1 – для ковкого чугуна; ωпит : ωшл : ωст = 1,6 : 1,3 : 1 – для латуней ЛЦ40С1; ωпит : ωшл : ωст = (2÷6) : (2÷4) : 1 – для алюминиевых и магниевых сплавов. Большие значения коэффициента принимаются при увеличении массы отливки от 3,5 до 150 кг и выше. 5. Конструирование элементов литниковой системы Литниковые чаши и воронки служат для приема жидкого сплава, поступающего из ковша. При малых массовых скоростях заливки (до 5 кг/с) применяют воронки, при больших скоростях – чаши. Форма внутренней поверхности воронки должна охватывать контур падающей струи. Диаметр воронки равен Dв=(2,7÷3,0)·d ст.в, а высота Нв= Dв. Чаще всего стояки размещают вертикально. Для обеспечения замкнутости литниковой системы и удобства формовки используют конические, расширяющиеся вверх круглые стояки. Конусность стояка зависит от его высоты (табл. 5). Таблица 5 - Конусность стояка, мм Высота стояка d ст.в - d ст.н Высота стояка d ст.в - d ст.н 100 200 300 400 500 600 700 800 2 3 4 4 5 6 7 8 900 1000 1200 1400 1600 1800 2000 9 10 12 14 16 18 20 На практике чаще всего применяются шлакоуловители и коллекторы трапецеидального поперечного сечения, постоянного по длине канала. Соотношение размеров трапеции можно принять следующим. Если нижнее основание трапеции равно a, то верхнее основание равно b=(0,7÷0,8)·a, высота трапеции h=(0,7÷1,3)·a.