6.5. Расчет и конструирование литниковой системы

При ЛГМ к литниковым системам наряду с общепринятыми требованиями при изготовлении отливок традиционными спосо­бами литья предъявляются дополнительные требования, которые обусловлены особенностями данной технологии [2]. Одним из ос­новных правил заливки формы металлом при ЛГМ является усло­вие создания плоского фронта взаимодействия металла с моделью, способствующего постепенному замещению ее расплавом. Эти условия можно выполнить только при сифонном рассредоточен­ном подводе металла в полость формы. Это условие необходимо соблюдать при получении отливок в форме из песка, а также при производстве среднего и крупного литья из железоуглеродистых и медных сплавов. При получении мелких и тонкостенных отливок из этих сплавов массой до 1 кг возможно применение любого спо­соба подвода металла. При изготовлении отливок из алюминиевых сплавов возможно применение различных вариантов литниковой системы с подводом металла сифоном, в разъем, сверху или в два яруса и более, т. к. при температуре заливки таких сплавов термо­деструкция модели идет в основном с выделением жидкой фазы (см. гл. V) и процесс вытеснения модели металлом происходит в режиме замещения. Из традиционных требований к проектиро­ванию литниковой системы необходимо выделить два требования, которые имеют важное значение при ЛГМ.

При конструировании литниковой системы необходимо обес­печить отсутствие разряжения в ее элементах при заливке формы металлом. Процесс горения полистирола в полости литейной фор­мы нежелателен, т. к. при этом значительно увеличивается выде­ление газообразных продуктов и сажистого углерода. Это приводит к появлению газовых раковин в отливках, а при литье стали — и к увеличению объемного науглероживания металла. При примене­нии стояка из пенополистирола в формах из песка разряжение в стояке приводит к разрушению формы в зоне стояка и образованию песочных раковин в отливке или к полному обвалу формы в этой зоне и браку отливки.

Другим важным фактором является обеспечение оптимальной скорости заливки формы металлом, т. к. нарушение этого режима приводит к снижению качества отливки, особенно из черных спла­вов. При этом необходимо учитывать минимально допустимые ско­рости подъема металла в полости формы для получения отливок по извлекаемым моделям в песчано-глинистых формах, ниже которых в отливках получаются спаи, недоливы и другие дефекты [3].

Для чугунных отливок при литье в песчано-глинистые формы по извлекаемым моделям рекомендуются следующие минимально допустимые скорости подъема металла в полости литейной формы при нормальных температурах его заливки [3]:

Толщина стенки отливки, мм………………. 10—40 4-10 1,5-4

Минимально допустимое значение

Скорости металла, мм/с………………………. 20-10 30-20 100-30

При получении стальных отливок минимальная скорость подъ­ема металла в полости литейной формы имеет следующие значения:

Толщина стенки отливки, мм…………….. 7-10 11—4-0 более 40

Минимально допустимое

Значение скорости металла, мм/с……… 20 20-10 8-10

При ЛГМ кроме оптимальной существуют максимально допус­тимые скорости заливки формы металлом, при превышении кото­рых получение качественной отливки как из черных, так и из цветных сплавов практически невозможно. В табл. 6.2 приведены оптимальные и максимально допустимые скорости подъема ме­талла в полости литейной формы при получении отливок из чер­ных металлов.

В настоящее время существуют и предлагаются различные мето­дики расчета элементов литниковой системы для различных спла­вов, однако все они основаны на создании оптимального режима заливки формы металлом с учетом коррекции его температуры.

Таблица 6.2

Скорость подъема металла в полости литейной формы, мм/с

Толщина стенки отливки, MM

Оптимальная скорость

Максимально допустимая скорость

Чугун

Сталь

Чугун

Сталь

До 10

40

60

50

75

11-20

25

50

40

70

21-40

20

40

30

55

41-60

15

30

25

50

Более 60

12

25

20

40

Предлагается методика проектирования и расчета литниковой системы с учетом противодавления Р§ в зазоре 5, которая сводится к следующему [4].

Исходя из оптимальной скорости заливки Von, определяется время заливки формы металлом по формуле

Н_

T =

Где H— высота отливки по положению ее в форме при заливке.

При получении плоских отливок типа плиты и их горизонталь­ного расположения в форме принимается длина отливки или ши­рина в зависимости от подвода металла, однако следует учиты­вать, что скорость течения металла в горизонтальных стенках формы на порядок выше, чем по вертикальным.

(6.2)

Определяется величина среднего давления Рф в зазоре 8 при со­вместном решении уравнений (3.41) и (3.50). В уравнении (3.50) значения ц, Hv и Fa определяются, исходя из условий заливки ме­талла в полую форму, причем Hv в случае простой отливки опре­деляется по формуле:

H=H——–

Где H — высота стояка выше места подвода металла к отливке; С— высота отливки; P — высота отливки выше места подвода металла.

При сифонной заливке формы металлом Hp определяется:

р

Где H1„ах — максимальный гидростатический напор металла, рав­ный высоте стояка и металла в чаше; Hmm — минимальная высота гидростатического напора металла, которая определяется разно­стью между максимальным напором металла и высотой отливки.

При сложной конфигурации отливки расчетную высоту гидро­статического напора металла следует определять по формуле

(6.4)

Где Qp — объем отливки; S — поперечное сечение отливки при переменном напоре к, Sdh — элемент объема.

G

Суммарная площадь узкого сечения литниковой системы при заливке чугуна определяется по формуле Озана:

(6.5)

Где р. — коэффициент расхода литниковой системы, равный в среднем 0,35-0,4; G — масса отливки, кг; умет — плотность зали­ваемого в форму металла, г/см3.

При отсутствии необходимых данных для расчета давления Рф в зазоре 8 расчет суммарной площади узкого сечения литниковой системы можно производить по методике для литья по извлекаемым моделям в песчано-глинистые формы, но с учетом потерь, связан­ных с термодеструкцией модели по следующей методике [5].

(6.3)

Площадь узкого сечения литниковой системы для любого спла­ва определяется по формуле (6.6) с учетом коэффициента потерь расхода металла, обусловленных наличием газифицируемой моде­ли в форме: где уМет — плотность металла; T3 — время заливки формы метал­лом, определяется по формуле (6.1); G — масса металла, кг; Hp — расчетный гидростатический напор металла; р. — коэффициент сопротивления течению металла в литниковой системе. Коэффи­циент потерь расхода цг зависит от температуры перегрева метал­ла при его заливке в форму G3 и газопроницаемости покрытия K11.

Для железоуглеродистых сплавов коэффициент цг определяется по формуле:

При температуре перегрева металла 1,15 > 63> 1,05

Цг = -0,8 +19 З03 + (0,03IB3 – 0,03)Кп; (6.7)

При перегреве металла G3 > 1,15

Цг = 0,72 + 0,007КП. (6.7, а)

Для отливок из цветных металлов цг определяется следующим образом:

При температуре перегрева металла 1,15 > O3 > 1,01

Цг=-1 + О, ОО8Кц+1,403; (6.8)

При температуре перегрева металла O3 > 1,15

= 0,54 + 0,008Кп. (6.8, а)

Температура перегрева O3 определяется по формуле

Т.-т,

Где T135 Гф, Tsi — температуры заливки, формы и ликвидуса соответ­ственно. Температуру заливки металла при ЛГМ следует принимать с учетом потерь на термодеструкцию модели по данным табл. 4.1- 4.3 или по формулам [5]:

Для железоуглеродистых сплавов

T3 =Г3′ +10,1 ‘IO3-^-; (6.10)

C1P1

Для цветных металлов и сплавов:

T3 = Г3’+9,2-103-^, (6.10, а)

Где Tf3 — рекомендуемая температура заливки в песчано-

Глинистые формы по извлекаемым моделям [3]; С\, pi — соответ­ственно теплоемкость и плотность сплава, Дж/(кг • °С) и кг/м3; Р5 — объемная масса модели, кг/м3.

Можно также использовать методики, изложенные в [2]~[4] с учетом формул (6.7), (6.7, а), (6.8), (6.8, а).

При получении единичных отливок массой более 500 кг для рас­чета литниковой системы можно использовать методику, применяе­мую на заводе ВАЗ при получении отливок пггамповой оснастки.

Сущность методики состоит в следующем: первоначально определяется время заливки формы металлом по уравнению (6.1). Затем рассчитывается массовая скорость заливки M3 делением массы отливки M0 на время заполнения формы металлом T3 :

По массовой скорости заливки подбирается диаметр стакана стопорного ковша по табл. 6.3.

Диаметр стояка определяется в зависимости от диаметра стака­на стопорного ковша по следующей зависимости:

Диаметр стопорного стакана, мм…….. 30 35 40 50 55 60 70

Диаметр стояка, мм…………………………. 40 45 50 60 70 80 90

Остальные элементы литниковой системы определяются из со­отношения их площадей поперечного сечения: для крупных стальных отливок

Fcr ‘.Fjsx: Fn =1,6: (1+2): (1+2);

Для чугунных отливок

Где FCT, Fsix, Fn — соответственно площадь сечения стояка, литни­кового хода (шлакоулавливателя) и питателя.

Таблица 6.3

Диаметр стакана стопорного ковша

Уровень

Массовая скорость заливки (кг/с)

Металла

Объем

При диаметре стопорного стакана, мм

В ковше,

MM

Ковша, т

30

35

40

45

50

55

60

70

300

8,0

10,7

14,5

18,9

24

29,6

35,8

42,7

58,1

600

8,0

15,1

20,5

26,7

33,8

41,8

50,7

60,2

82

1600

10,20

24,7

33,4

43,7

55,3

68,3

95,5

95,5

134,0

Конструкция литниковой системы зависит от вида сплава, габа­ритов отливки, ее массы и способа формовки.

При единичном производстве крупных отливок из черных сплавов литниковая система состоит из стояка, литникового хода и питателя. Количество литниковых ходов и питателей зависит от габарита отливки и ее массы. Как правило, все элементы литнико­вой системы выполняются из керамики (сифонного припаса), а литниковая чаша делается из формовочной (стержневой) смеси или применяется керамическая воронка. Литниковая система вы­полняется только сифоном с подводом металла в самые нижние поверхности отливки.

При серийном производстве отливок литниковая система со­стоит из питателей, шлакоулавливателя, коллектора, стояка ц, ча­ши. В зависимости от массы отливки (отливок) и вида сплава лит­никовая система выполняется из пенополистирола, включая стояк и чашу, или из керамики и других огнеупорных материалов; она может быть и комбинированной: питатели, шлаковик и коллектор выполняются из пенополистирола, а стояк и чаша — из керамики или из стержневой смеси. К конструкции литниковой системы при ЛГМ предъявляются определенные требования, которые обуслов­лены особенностями данной технологии.

Литниковая система из пенополистирола должна быть доста­точно прочной и жесткой, обеспечивающей цельность модельного блока при его покраске, транспортировке, хранении и формовке.

Сборка элементов литниковой системы должна быть простой и надежной, желательно без применения сварки и клея. Предпочти­тельно секционное исполнение литниковой системы, при котором каждая секция состоит из коллектора и части стояка, что позволяет производить быструю сборку модельного блока.

Питатели должны составлять с моделью единое целое и изго­тавливаться в одной пресс-форме с моделью или ее частью.

Элементы литниковой системы из пенополистирола должны изготавливаться в простой пресс-форме с одним разъемом.

На рис. 6.1 представлены конструкции модельных блоков, со­бранных из элементов литниковой системы с моделями, наиболее часто применяемых при ЛГМ. Вертикальные ряды отличаются ис­полнением стояка: ряд 1 — стояк керамический из сифонного при­паса или стержневой смеси; ряд 2 — стояк трубчатый пустотелый из пенополистирола или из огнеупорных волокнистых материалов; ряд 3 — стояк кольцевой из пенополистирола. Горизонтальные ряды отличаются способом сборки моделей в блок и подводом ме­талла к отливкам. На рис. 6.2 показаны некоторые схемы сложных коллекторов литниковой системы, которые применяются для сборки модельных блоков. При производстве отливок из черных сплавов необходимо литниковую чашу выполнять из керамики или из стержневой смеси.

При выполнении технологических операций транспортировки, покраски или формовки на модельный блок действуют силы, которые вызывают деформацию элементов модельного блока. Максимальные внешние нагрузки испытывают питатели и коллектор, которые свя­зывают модели со стояком. Так, при транспортировке на коллектор и питатели действуют силы тяжести модели и стояка, при покраске мо­дельного блока окунанием — выталкивающая сила веса вытесненной жидкости, при формовке — давление со стороны формовочного ма­териала. Если под действием внешних сил в элементах литниковой системы возникнут напряжения, превосходящие предельно допусти­мые для пенополистирола, то модельный блок разрушится. Это чаще всего происходит при покраске и формовке модельного блока.

(6.12)

Противопригарное покрытие после сушки увеличивает проч­ность элементов литниковой системы и жесткость модельного блока. Следовательно, необходимо производить расчет прочности элементов литниковой системы на изгиб в наиболее опасном сече­нии как до нанесения противопригарного покрытия, так и после его нанесения и сушки. До нанесения на модель противопригарного покрытия прочность элементов литниковои системы определяется прочностью пенополистирола, которая зависит от его объемной массы. Предел прочности пенополистирола можно определить по эмпирической формуле [5]:

Fem – F^- Fm»

&i-t,4/><?

U

Fcm FruJr

JZn)Tw^hSC

Рис. 6.1. Литниковые системы (см. также стр. 259)

Fttn ¦ FWa Faum *

В

Pa» .<(5Аиге {<o~(ib

Ал» .- .¦ H^ Pmmt ш

//

Ft+* / Gu / Piuum

У

?

Я» 6

Рис. 6.1. Окончание

Предел прочности пенополистирола, с учетом покрытия, зави­сит от дисперсионной среды и определяется по эмпирическим формулам [5]:

К]с =1.5

(6.13)

Для покрытия на спиртовой основе

Для покрытия на водной основе

(6.14)

Где K11 — газопроницаемость покрытия; dn— толщина слоя покры­тия; рм — объемная масса модели, кг/м3.

(6.15)

Прочность элементов литниковой системы будет достаточной, если выполняется условие:

Г l" ^ К г l" ^ К с >—- и а >—- L и! w„ » L hJ w>

Где WIa, PVJ — соответствующие моменты сопротивления при изгибе пенополистирола без покрытия и с покрытием; Mtvi, М" — изги­бающие моменты в опасном сечении элементов литниковой системы.

Рис. 6.2. Коллекторы литниковых систем

При недостаточной прочности литниковой системы следует увеличить наиболее опасное сечение или применить пенополисти­рол, пригодный для повышенной плотности данного элемента. При невозможности увеличить прочность элементов литниковой системы надо изменить способ нанесения противопригарного по­крытия на модель или применить кондуктор при покраске модель­ного блока окунанием. Возможна и раздельная покраска моделей и элементов литниковой системы. При формовке следует изменить способ заполнения опоки формовочным материалом, обеспечить равномерное распределение его вокруг модели и модельного блока в целом.

Для питания тепловых узлов отливки, как и при литье по извле­каемым моделям, применяются боковые или верхние прибыли. Однако при ЛГМ применяются прибыли только закрытого типа наиболее экономичной шаровой формы (рис. 2.11). Для расчета объема прибылей и определения их размера существуют специ­альные методики [6].