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;

 – плотность стали, г/см³;

 – коэффициент объемного сжатия металла, характеризующий объемную усадку металла в период затвердевания (для среднеуглеродистой стали  = 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.