Практическая работа 6. Тема: конструирование и расчет литниковых систем

Цель работы – овладение навыками определения выбора места подвода литниковой системы к отливке и определение ее размеров.

Теоретическое введение.

Расчет литников в узком смысле предусматривает определение продолжительности заливки формы металлом и размеров элементов литниковой системы. Однако такое решение задачи еще не гарантирует получение качественной отливки, так как, например, неудачно выбранное место подвода питателей может привести к размыву формы или стержня и вызвать брак отливки по различным дефектам. Поэтому при расчете литниковой системы одновременно решаются следующие основные задачи: определение продолжительности заливки формы металлом; выбор места подвода металла и направления питателей; выбор размеров и соотношения площадей элементов литниковой системы.

Для сокращения усадочных явлений в сером чугуне необходимо при разработке технологи и заливки каждой детали стремиться к тому, чтобы температура металла по всем сечениям выравнивалась. Для этого существуют различные приемы, одним из которых является подвод металла в тонкие места отливки. Этим ликвидируется разогрев массивных частей отливок и достигается выравнивание температурного режима отливки. При необходимости у массивной части отливки устанавливается холодильник.

Питатели необходимо располагать, таким образом, и в том количестве, чтобы истекающий из них металл не мог интенсивно разогреть стенку формы, горизонтальные поверхности формы быстро покрывались металлом, уровень его в форме при заливке изменялся равномерно (струя металла в процессе заливки формы не должна прерываться).

Рекомендации при выборе места подвода металла в форму:

– подвод металла в тонкое место отливки способствует выравниванию скорости охлаждения тонкой и более массивной частей отливки, уменьшению

напряжений и усадочных раковин;

– при расположении питателей желательно, чтобы струя не ударяла в стенку формы или стержня, горизонтальные поверхности формы быстро покрывались металлом;

– уровень металла в форме в процессе заливки не должен иметь продолжительных остановок;

– части стержней с вентиляционными каналами не должны перегреваться потоком подводящего металла;

– для чугунных отливок целесообразна система запертого типа (способствующая задержанию шлака), сужающаяся (быстрое заполнение металлом с

положительным давлением);

– для уменьшения скорости потока чугуна в каналах используются тормозящие литниковые системы. Их отличие использование местного сопротивления дросселя (например, в виде сетки, щели, внезапного сужения канала и последующего расширения и. т. д.).

После определения типа литниковой системы должно быть выбрано число (табл. 13) и место подвода питателей к отливке. Для этого рекомендуется:

– рассредоточенный подвод металла большим количеством питателей

снижает возможность местных разогревов, способствует уменьшению усадки,

пористости, горячих и холодных трещин, пригара в районе подвода;

– чрезмерное уменьшение сечения питателей увеличивает торможение металла, может вызвать замедленное заполнение формы и сократить полезный эффект от рассредоточенного подвода;

– для обеспечения плотности и повышения механических свойств стальных отливок питатели необходимо подводить под прибыль или в массивные части отливок, питаемые прибылью;

– подвод металла в вертикально расположенные элементы отливок обеспечивает более высокую плотность, чем в расположенные элементы горизонтально;

– для обеспечения заполнения тонкостенных отливок целесообразно подводить металл сверху и располагать особо тонкие стенки вертикально;

– количество металла, проходящего через тонкую стенку, число поворотов на пути металла и длина пути в тонкой стенке должны быть минимальными;

- не допускать расположения литниковой системы в непосредственной близости от стержневого знака для ликвидации противодавления газа;

– избегать расположения питателей около холодильников и жеребеек;

– осуществлять одностороннее движение металла в форме;

– при изготовлении тонкостенных стальных отливок больших габаритных размеров, металл необходимо подавать к тонким стенкам с помощью большого числа питателей.

Таблица13

Выбор числа питателей для стальных отливок

Вес отливок, кг	Преобладающая толщина стенок, мм
	15	15-50	50
	Рекомендуемое число питателей
≤10	1	–	–
10-100	2-5	1-2	1
100-1000	2-8	2-6	1-2
1000	–	3-10	2-6

Для отливок с не большими толщинами стенок можно пользоваться следующими данными (табл. 14).

Таблица14

Количество металла, протекающего через один питатель

Толщина стенки отливки, мм	5-8	8-12	12-18
Наибольшее количество металла, протекающего через один питатель, кг	5	15	35

Определение оптимальной продолжительности заливки.

Продолжительность заливки формы определяется требованиями термической однородности отливки и способами подвода металла (сверху или с низу, в тонкие или толстые места).

При подводе металла снизу и питании из верхних прибылей (питание сверху) заливка должна проводиться быстро.

При медленной заливке возникает опасность перевода усадочной раковины из прибыльной части в тело отливки.

При подводе металла сверху отливки и питании ее из верхней прибыли заливка должна производиться с минимальной скоростью.

При таком режиме заливки величина усадочной раковины уменьшается и концентрируется в прибыльной части.

При отливке деталей с толстыми стенками быстрый подвод металла приводит к уменьшению термической неоднородности ее. Аналогичное явление имеет место и при медленном подводе металла к тонкостенным отливкам.

Минимальная продолжительность заливки формы определяется: возможностью полного удаления из формы и стержня воздуха и газов; необходимостью минимального размывания формы и стержней; минимальным ударом металла о верхнюю плоскость формы в конце ее заполнения; получением отливки с минимальным увеличением ее размера.

Максимальная продолжительность заливки формы определяется возможностью:

– обеспечения металлу необходимой жидкотекучести;

– создания необходимой скорости поднятия металла в форме с целью избежание образования на поверхности отливки «заворотов» и «спаев».

Расчет литниковых систем по методу Дубицкого Г.М. дает удовлетворительные результаты для мелкого стального литья при заливке форм из поворотных ковшей через носок и для среднего и крупного литья при заливке форм из стопорных ковшей[2].

Расчет производят, начиная с определения оптимального времени продолжительности заливки, затем проверяют скорость подъема уровня металла в форме и, наконец, определяют суммарную площадь сечения питателей.

Величина оптимальной продолжительности заливки τ определяется на основании практических данных о средней или преобладающей толщине стенок отливки δ, веса жидкого металла в форме Q (вес отливки, литниковой системы и прибыли) и постоянного коэффициента S , принимаемого по данным табл. 15, и может быть условно выражена

где S₁ – коэффициент продолжительности заливки, зависящий от рода сплава, температуры заливки, места подвода металла; δ – преобладающая толщина стенки отливки, мм; Q – вес жидкого металла в форме, кг.

Таблица15

Значение коэффициента S₁

Температура металла и жидкотекучесть	Способ подвода металла
	Снизу – сифоном или в толстостенные части отливки	На половине высоты или этажный	Сверху или равномерный подвод в тонкостенные части отливки
Нормальные	1,3	1,4	1,5-1,6
Повышенные	1,4-1,5	1,5-1,6	1,6-1,8

Примечание. Для отливок, склонных к образованию внутренних напряжений, трещин и усадочных раковин, значениеS₁ увеличивается на 0,1-0,2. При отливке в металлические или песчано-глинистые формы, но с большим количеством наружных холодильников, если заливка ведется быстро, коэффициент S₁ уменьшается на 0,1-0,2. Для стали с более высокой температурой разливки значение коэффициента S₁ следует увеличить на 0,1-0,2.

Средняя скорость подъема уровня металла в форме υ определяется в зависимости не только от высоты, но и от толщины стенки отливки

где h – высота отливки от нижней до верхней точки (по положению при заливке), мм; τ– продолжительность заливки формы, с.

Значения υ в зависимости от толщины стенок отливки по данным Дубицкого Г. М. должны соответствовать: при толщине стенок7-10 мм скорость заливки должна быть не менее 20 мм/с; при толщине 10-40 мм – более 10 мм/с; при толщине более40 мм – более 8 мм/с.

Скорость заливки должна соответствовать данным продолжительности заливки. Если окажется недостаточной, нужно или изменить положение отливки в форме (принятой при заливке), или уменьшить время заливки, изменяя соответственно параметры литниковой системы. Зная продолжительность заливки формы металлом, можно определить площадь сечения питателей (F_пит) в зависимости от типа ковшей, т.е. поворотных или стопорных.

Определение площади сечения питателей при заливке из поворотного ковша.

Дубицкий Г.М. рекомендует производить определение площади сечения питателей при заливке их из поворотных ковшей по формуле

где Q – вес отливки с прибылями и литниками, кг; μ – общий коэффициент расхода металла в литниковой системе; τ – продолжительность заливки форм металлом, с; Н_р – расчетный (средний) металлостатический напор металла в форме, м.

Значение коэффициента расхода μ для чугунных и стальных отливок приведено в табл. 16.

Таблица16

Значение коэффициента μ для стального литья

Характер заливаемой формы	Сопротивление формы
	большое	среднее	малое
Сырая	0,25 (0,35)	0,32 (0,42)	0,42 (0,50)
Сухая	0,30 (0,41)	0,38 (0,48)	0,50 (0,70)

Примечание. В скобках приведены значения для чугунного литья.

Влияние различных факторов на величину коэффициента μ приведено в табл. 17.

Таблица17

Влияние различных факторов на величину коэффициента μ

Фактор, влияющий на величину коэффициента μ	Изменение коэффициента μ, взятого из табл. 16
Повышенная температура заливки	до+0,05
Наличие открытых выпоров и прибылей (в зависимости от отношения общей площади сечения выпоров и прибылей к общей площади сечения питателей)	от ±0,05 до ±0,30
Большие сечения стояка и шлакоуловителя по сравнению с сечением питателей (Fст / Fпит >2; Fшл /F пит >1,5)	от ±0,05 до ±0,20
Разветвленная литниковая система (большое число питателей)	от-0,05 до-0,10
Малая газопроницаемость формы (при отсутствии открытых выпоров и прибылей)	-0,05

Примечание. Максимально возможное значение коэффициента не должно превышать 0,80.

Определение среднего статистического напора металла.

Расчетный статистический напор зависит от высоты отливки, ее положения в форме и определяется по формуле Диттера (рис. 48) при заливке из поворотного ковша через литниковую чашу:

где Н_p – расчетный статистический напор, см; Н_o – высота уровня расплава в чаше над уровнем подвода расплава в форму, см; Р – высота отливки над уровнем подвода металла в форму, см; С – максимальный размер отливки по высоте, см.

Рис. 48

Если расплав в стояк поступает из воронки, то значение Н_p, полученное расчетным путем, следует увеличить на высоту от воронки до носка ковша на 10-15 см, если воронка находится возле стенки опоки; на 20-40 см, когда она находится в середине опоки.

При заливке из стопорного ковша с торможением струи расплава стопором значение напора Н_о рекомендуется принимать ниже верхней кромки литниковой воронки на5 см для небольших форм и на10 см для крупных.

При заливке из стопорного ковша без торможения струи расплава стопором величина напора Н_о зависит от высоты уровня расплава в ковше (рис. 49) и рассчитывается по формуле

где Н_ф – высота расплава в форме от уровня его подвода, см; h_в – высота литниковой воронки, см; h_з – высота зазора между воронкой и нижним уровнем стопорного стаканчика, см; Н_к – высота расплава в ковше, см (в начале разливки Н_кн и в конце разливки Н_кк). При расчете Н_о рекомендуется принимать Н_кк (табл. 18).

Таблица18

Значение Н_кн и Н_кк

Емкость ковша, т	Напор, см
	Нкн	Нкк
0,5	52	20
1,0	75	28
4,0	110	33
6,0	125	36
10,0	135	38
16,0	155	41
20,0	170	43

Рис. 49

Определив размеры питателей, расчет стояка и шлакоуловителя производят с учетом, что литниковая система в данном случае должна быть замкнутой (запирающейся), и необходимо выдержать соотношение:

F_пит< F_шл< F_ст от (1,0; 1,05; 1,15) до (1,0; 1,3; 1,6), в среднем 1,0; 1,2; 1,4.

Определение площади сечения питателей при заливке из стопорных ковшей.

Вначале определяется оптимальная продолжительность заливки τ по формуле

с учетом средней скорости подъема уровня металла в форме.

При расчете сечения литниковой системы в данном случае принимается во внимание напор металла в ковше, так как чем выше уровень металла в ковше, тем большее количество его будет протекать через отверстие стаканчика.

Для каждой отливки желательно подбирать оптимальный размер ковша и стаканчика. Также желательно определять верхний и нижний уровень металла в ковше, в пределах, которых рекомендуется производить заливку данной детали.

Вес слоя жидкой стали в ковшах разной емкости приводится в табл. 19. Данная таблица дает возможность определять необходимую скорость заливки тех или иных деталей.

Таблица19

Вес слоя жидкой стали в ковшах разной емкости

Слой жидкой стали в ковше, мм	Емкость ковша, т
	6	10	15	20	25	30	35
	Средний внутренний диаметр ковша, мм
	1020	1240	1450	1550	1600	1750	2000
	Соответствующая площадь, см2
	8172	12076	16154	18869	21382	24052	31410
	Вес слоя жидкой стали, кг
25	142	208	285	326	350	415	540
50	282	416	570	651	695	830	1080
100	564	833	1140	1302	1390	1660	2160
150	846	1249	1709	1953	2085	2490	3240
200	1128	1666	2278	2604	2780	3320	4320
300	1692	2498	3417	3906	4170	4980	6480
400	2256	3332	4556	5208	5560	6640	8640
500	2820	4165	5695	6510	6950	8300	10800
600	3384	4996	6834	7812	8340	9960	12960
700	3948	5831	7973	9114	9700	11620	15200
800	4512	6664	9112	10416	11120	13280	17300
900	5076	7497	10251	11718	12500	14940	19500
1000	5640	8330	11395	13020	13900	16600	21700

Основным показателем является количество металла, вытекающее из ковша в секунду, т.е. весовая скорость заливки.

Данные о весовых скоростях заливки стали из стопорных ковшей, в зависимости от уровня металла и размера стопорного стаканчика, приводятся в табл. 20.

Таблица20

Весовая скорость заливки стали

Емкость ковша, т			Уровень жидкой стали от дна ковша, мм	Диаметр стопорного стаканчика, мм
25-35	15-20	6-10		55	50	45	40	35	30	25
Средний внутренний диаметр, мм				Соответствующее сечение, см2
				23,75	19,63	15,90	12,56	9,62	7,07	4,91
				Весовая скорость заливки (истечение), кг/с
1600-2000	1450-1550	1020-1240	100	23,1	19,0	15,4	12,2	9,3	6,9	4,8
			200	32,6	26,8	21,8	17,3	13,1	9,7	6,7
			300	39,7	32,7	26,6	21,0	16,0	11,8	8,2
			400	46,0	37,8	30,7	24,3	18,5	13,7	9,5
			600	56,4	46,5	37,8	29,9	22,7	16,8	11,6
			800	65,1	53,5	43,5	34,4	26,0	19,4	13,5
			1000	73,0	60,0	48,7	38,6	29,4	21,7	15,0
			1200	79,9	65,8	53,3	42,2	32,1	23,7	16,4

Окончание таблицы 20

			1400	86,4	71,0	57,6	45,6	34,7	25,7	17,9
			1600	92,2	76,0	61,6	48,7	37,1	27,5	19,0
			1800	97,7	80,5	65,2	51,8	39,3	-	-
			2000	103,0	84,8	68,7	54,4	41,4	-	-
			2200	108,5	89,5	72,6	57,5	-	-	-
			2400	113,0	93,0	75,5	59,8	-	-	-
			2600	117,0	96,7	78,3	62,0	-	-	-

Весовая скорость заливки формы выражается через объемную или линейную скорость, а также через вес заливаемого металла в форму и время заливки

где V_вес – весовая скорость или весовой расход, кг/с; V_об – объемная скорость или объемный расход, см³/с; γ – удельный вес жидкой стали, равный 6,9–7,14 кг/см³; V_лин – линейная скорость в любом сечении канала, см/с; F_отв – поперечное сечение отверстия стаканчика, через которое металл поступает в полость формы, см²; Q – вес металла, т.е. вес отливки, всех литников, выпоров и прибылей, кг; τ – продолжительность заливки формы, с.

Линейная скорость определяется следующей формулой

где μ_к – коэффициент истечения стали из ковша, принимаемый 0,80–0,95; g – ускорение силы тяжести, равное 981 см/с²; Н_ср – высота среднего напора в ковше за время заливки формы, см.

Отсюда

Площадь поперечного сечения стаканчика определяется по формуле

подставляя значения, получаем

В случае заливки через два стопора полученная площадь отверстия стаканчика делится на 2 и по формуле F_отв = π d ²/4 определяется диаметр отверстия стаканчика.

Средний напор Н_ср за время заливки формы определяют по уравнению

где Н' – напор в ковше вначале разливки, см; Н'' – напор в ковше в конце разливки, см.

Схемы напора металла в начале (а) и конце (б) заливки приводятся на рис. 50.

Для определения суммы сечения питателей служат формулы:

– в начальный момент заливки (μ берется по табл. 16, 17)

– в конечный момент заливки

Рис. 50. Заливка стали в форму из стопорного ковша, положение металла в форме при определении среднего металлостатического напора:

а – в начале заливки; б – в конце заливки

Из двух значений выбирается большее. При определении площади сечения стояка и шлакоуловителя пользуются применяемым на практике отношением

F_ст : F_шл : F_пит = 1 : 1 : 1.

Пример расчета литниково-питающей системы (ЛПС).

1. Расчет ЛПС для стальной отливки (рис. 51).

Исходные данные: вес отливки – 7,2 кг; толщина стенок (δ) – 11 мм; заливка производится из чайникового ковша.

Технические условия предъявляют к плотности отливки высокие требования, поэтому на верхнюю плоскость отливки устанавливают две закрытые овальные прибыли высотой 90 мм, общим весом 8,1 кг.Вся модель располагается в верхней опоке, высота которой 200 мм. Подвод металла в нижний фланец.

Рис. 51. Отливка

Для заливки опоки устанавливают литниковую воронку со средней высотой металла в ней 100 мм, тогда

Определяем продолжительность заливки (S₁ принят 1,5, так как температура повышенная, подвод металла сифоном)

Проверяем скорость подъема металла по высоте формы

Полученная скорость подъема удовлетворительная.

Площадь сечения питателей определяем по уравнению

2. Расчет ЛПС для стальной отливки (рис. 52).

Исходные данные: вес отливки – 364 кг; преобладающая толщина стенки (δ) – 30 мм; заливка производится из стопорного ковша.

Для обеспечения плотности фланца устанавливаем на него три открытые прибыли. При расчете прибылей размеры нижнего основания прибылей получаются равными 150 225 мм и высота h = 300 мм.

Принимая уклон прибылей равным 1:10, находим, что вес трех прибылей равен 85 3 = 255 кг. Расход жидкого металла Q = 364+255 = 619 кг.

Продолжительность заливки

Проверяем скорость подъема металла в форме

что допустимо. Здесь 300 мм – высота прибыли, 400 мм – высота отливки.

Рис. 52. Отливка

Для определения среднего напора Нср задаемся размерами ковша: средний диаметр 1300 мм, высота 1500 мм (примерные размеры ковша емкостью 15 т). Объем металла в форме будет

В результате заполнения формы уровень металла в ковше снизится на 65 мм.

Средний напор определяется по формуле

Площадь поперечного сечения отверстия стаканчика F_отв определяется по формуле

где γ = 7 г/см³; μ_к – коэффициент истечения стали из ковша (принимаем равным 0,9); g = 9,81 м/с², или 98,1 дм/с²; Н_ср = 14,7 дм.

Подставляя эти значения, находим d_отв = 26 мм, принимаем d_отв = 30 мм, что соответствует площади 7,06 см².

Определяем суммарную площадь сечения питателей по формуле

где μ = 0,42 – для малого сопротивления и сырой формы, к этой величине добавляем 0,3, так как отливка имеет открытые прибыли.

Так как питателей принято два, то площадь каждого питателя 10,0 см².

Для определения площади шлакоуловителя и стояка можно пользоваться соотношением

F_ст : F_шл : F_пит = 1 : 1 : 1.

Порядок выполнения работы.

Исходные данные для выполнения работы студент получает у преподавателя: эскиз детали, данные отливки, материал, условия производства. Эскизы деталей приведены в приложении 3, 4.

Необходимо выбрать рациональное положение отливки в форме; наметить плоскость разъема; установить места расположения прибылей; произвести расчет прибылей; наметить места подвода металла; рассчитать литниковую систему и нанести ее элементы на чертеж литейно-модельных указаний (см. рис. 38).