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:
Vй 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/>