Расчет и проектирование элементов

литниковой системы.

Литниковой системой называют совокупность каналов, подводящих расплав в литейную форму. Для изготовления отливок из серого чугуна обычно применяют литниковую систему, элементами которой являются литниковая чаша 1, пробка 2, стояк 3, шлакоуловитель 4, зумпф стояка 5, питатель 6 и выпор 7 (рис.7).

 

 

 

Чтобы верхняя полуформа не поднималась при заливке, на неё накладывают груз 8. В зависимости от назначения, сложности и размеров отливки, вида применяемого сплава состав литниковой системы может изменяться. Мелкие отливки часто изготовляют без выпора, а литниковую чашу заменяют литниковой воронкой 9. Для лучшего отделения шлака от расплава применяют фильтрующие сетки 10.

В зависимости от места подвода металла в форму литниковые системы подразделяют на:

горизонтальные – металл подводится по разъёму формы;

верхние или дождевые – металл заполняет форму сверху;

сифонные – металл подводится к нижней части отливки и заполняет форму снизу;

ярусные – металл поступает в форму на нескольких уровнях.

Тип литниковой системы и место подвода расплава к отливке выбирают в зависимости от того, как затвердевает отливка: равномерно или направленно.

Равномерное затвердевание предусматривает одновременное затвердевание всей отливки, что предотвращает возникновение внутренних напряжений и рыхлот. Для обеспечения равномерного затвердевания расплав подводят к тонким частям отливки, от которых его направляют к более массивным. Так отливают детали, стенки которых имеют примерно одинаковую толщину.

Направленное затвердевание предусматривает подачу расплава к массивным частям отливки, расположенным преимущественно вверху или сбоку. Эти части, получая через питатели расплав от специальных бобышек или прибылей, остывают последними и питают расположенные ниже части отливки. Направленное затвердевание применяют при производстве отливок из сплавов с большой усадкой при наличии в них массивных сечений.

Расчет литниковых систем основан на применении уравнений гидравлики для идеальных жидкостей, текущих в газонепроницаемых каналах. Так как жидкий металл не является идеальной жидкостью, а форма газопроницаема, дополнительно используют опытно- экспериментальные данные (номограммы, эмпирические формулы) [5,6].

Практически расчет сводится к определению общей площади сечения наиболее узкого места литниковой системы – питателя. При этом большую роль играет величина напора расплава. В процессе заливки величина напора все время меняется, так как уровень расплава в форме повышается. Для упрощения расчетов в литейной практике принято понятие высоты расчетного напора Н_р, определяющее высоту среднего напора за весь период заполнения формы.

 

 

а б в

Рис.8. Схема к определению расчетного напора для подвода металла:

а – по разъёму, б – сверху, в – снизу

 

 

Высота расчетного напора зависит от способа подвода расплава к отливке (рис.8) и определяется по формуле

,

где Н – расстояние от уровня чаши до питателя, см; Р – высота отливки над питателем, см; С – общая высота отливки, см.

Продолжительность заливки может быть определена по формуле

 

,

 

где τ; – продолжительность заливки, с; S – преобладающая толщина стенки отливки, мм; G – металлоемкость формы, кг; f – коэффициент, зависящий от толщины стенки и конфигурации отливок: для чугуна 1,7…2,0; для стали 0,91…1,7; для алюминиевых сплавов 1,7…3,0; медных сплавов 2,0…2,1; магниевых сплавов 2,3…4,5.

Суммарная площадь сечения питателей может быть найдена по одной из формул:

;

,

 

где x – коэффициент, учитывающий среднюю толщину стенок отливки: при толщине стенок 2,5…3,5 мм; 3,5…8,0 мм; 8,0…15,0 мм соответственно равен 5,8; 4,9; 4,3;

M_o – номинальная масса отливки, кг;

H_р – расчетный статический напор, см;

m – коэффициент, зависящий от толщины стенки отливки: при толщине стенок до 15 мм; от 16 до 30 мм и свыше 30 мм коэффициент m соответственно равен 0,41; 0,47; 0,55.

При всех способах расчета размеры каждого питателя вычисляют по формуле F_п =∑F_п /n, где n – количество питателей в форме.

В литейной практике распространен способ определения площади поперечных сечений шлакоуловителя F_шл и стояка F_ст исходя из приближенных соотношений для сталей; - для чугунов; - для алюминиевых; - для магниевых; для медных сплавов [3, 5, 6].

Площадь сечения шлакоуловителя F_шл (см²) может быть вычислена также по формуле

,

где ρ; – плотность расплава, г/см³; V – скорость течения расплава в шлакоуловителе, равная (35…45) см/с.

При расчете стояка сначала находят площадь его верхнего сечения у литниковой чаши (см²) по формуле

 

где H – полный напор (расстояние от уровня заливки до питателя), см; h_ч – высота литниковой чаши или воронки, см.

Затем определяют диаметр верхнего сечения стояка

 

и его нижний диаметр, принимая уклон 1:12 (~ 2…3º). При этом площадь нижнего сечения стояка не должна быть меньше площади наименьшего сечения каналов литниковой системы.

Получаемые по этим соотношениям площади сечений обычно требуют корректировки, которая проводится при изготовлении пробных отливок. Питатели и шлакоуловители обычно выполняют в форме трапеции, обращенной большим основанием к разъёму формы.

Литниковую систему выполняют в масштабе изображения детали сплошной тонкой линией (рис.9); допускается её выполнение красным цветом; сечения элементов литниковой системы не штрихуют.

8. Способы питания отливок.

Одной из причин образования дефектов отливок является объёмная усадка сплава. Усадочные дефекты образуются в результате неодновременного затвердевания различных частей отливки. Массивные части отливки затвердевают дольше, при этом они отдают часть расплава соседним участкам с более тонким сечением, которые затвердевают раньше. Эффективным методом предотвращения усадочных дефектов является питание массивных частей отливки при затвердевании через питающие бобышки, выпоры или прибыли, а также охлаждение отдельных мест отливки (рис.10).

Питающие выпоры применяют в основном для питания утолщенных мест чугунных отливок. В зависимости от питаемого участка А выбирают следующие размеры выпора: d = 0,8А; d₁ = 1,2d; d₂ = 1,6d; h = (2,5…3)d.

Питающие бобышки используют также для питания массивных участков чугунных отливок. При этом необходимо учитывать, что бобышки считаются частью отливки; питатель, подводящий расплав к бобышке, должен иметь наименьшее допустимое сечение; сечение переходного канала от бобышки к отливке не должно превышать более чем в два раза суммарное сечение питателей. Основные размеры питающей бобышки: D =80…120 мм, H = (1,2…1,8)D, B = 60…80 мм,

l = 20…30 мм, A = 80…100 мм.

Прибыли используют для питания массивных частей отливок, изготовляемых из различных сплавов. По конструкции прибыли бывают открытыми и закрытыми. Прибыль должна удовлетворять следующим требованиям: объём её должен быть достаточным для питания теплового узла, а высота – достаточной для размещения в ней усадочной раковины. Кроме того, прибыль должна затвердевать позже питаемого ею узла отливки. В табл.10 приведена методика выбора конструкции прибыли и определения её размеров в зависимости от размеров питаемого теплового узла [11]. Основные свойства литейных сплавов приведены в прил.4. Масса расплава в прибыли должна составлять 0,8…1,5 массы питаемого ею узла.

Таблица 10

Конструкции прибылей и формулы для расчета

 

Методы расчета размеров прибылей основаны на обобщении практических данных. Размеры обычных открытых прибылей находят методом построения вписанных окружностей: диаметр каждой вышерасположенной вписанной окружности должен быть больше диаметра предыдущей, т.е. d<d₁<d₂<d₃ и т. д. Уклон стенок прибыли принимают равным ~ 5º.

В верхней части табл.10 приведены конструктивные элементы прибылей, в нижней – формулы для их расчета. Прибыли первых трех исполнений – прямые открытые. Высоту открытых прибылей обычно увеличивают до высоты верхней опоки, что приводит к перерасходу сплава. Прибыль четвертого исполнения – закрытая со сферической верхней частью. Сущность работы закрытой прибыли, работающей под атмосферным давлением, заключается в том, что после образования наружной корочки прибыли атмосферное давление продолжает действовать на расплав через песчаный стержень 1, благодаря чему прибыль питает отливку. Основными параметрами, характеризующими размеры теплового узла, являются: отношение внутреннего диаметра отливки d_o и её высоты L_o к диаметру сферы D_ту, вписанной в самую массивную часть отливки, равную толщине S_o её стенки.

Прибыли на чертеже элементов литейной формы обозначают порядковым номером на полке линии-выноски, перед которым ставят слово "Прибыль" и указывают общее количество прибылей этого номера. Прибыль изображают сплошной тонкой линией, которую допускается выполнять красным цветом. На рис.11 приведен чертёж элементов литейной формы с модельно-литейными указаниями для изготовления отливки "Поршень", учитывающий вышеприведенные

требования по его оформлению (сечения элементов ЛПС не показаны).