книги из ГПНТБ / Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие

на испарение влаги, и количество тепла, перенесенное паром в глубь стенки формы. Эти поправки рекоменду­ ется вводить применением условного коэффициента ак­ кумуляции тепла влажной формой, который находится с помощью уравнения

Здесь влажность слоя смеси, где конденсируется водя­ ной пар, определяется из условия

Для песчано-глинистой формы:

— средняя удельная теплоемкость сухого материала

U?! = 0 ,0 3 + 1,118W0.

Если заливают металл в тонкостенную песчаную форму, скорость затвердевания рассчитывают в следую­ щем порядке. Определяется время прогрева слоя песча­ ной смеси до опоки или кокиля

О

2п2(n2+ 1) а2

Находится толщина затвердевшего слоя металла за этот период

t __ ^2^кр -| Г

hpi V

Определяется температурное поле в слое песчаной смеси при избыточной температуре стенки опоки или ко­ киля б'2

70

Составляется уравнение теплового баланса при пе­ редаче тепла через песчаную стенку и металлическую часть формы

В полученных уравнениях использованы следующие обозначения

Х2р2С2~Ь *мет ф Рі С1

; 5 / ,= ®!**.; m = - 5 b ü

п2+ Ві3

+ а2

Для решения поставленной задачи необходимо знать коэффициент теплопередачи от наружной стенки опоки или кокиля в атмосферу а2. Его можно найти по спра­ вочным данным, в частности, в случае обдувки метал­ лической пластины воздухом имеем

Nu = 0,032Re0'8 и N u = --2*мстф .

Хі

Аналогично можно определять скорость затверде­ вания отливки в песчаных формах, охлаждаемых с по­ мощью труб и продуваемого в них холодного воздуха. В этом случае коэффициент теплоотдачи должен опре­ деляться другим критериальным уравнением, соответст­ вующим новым условиям теплоотвода. .

При литье в хорошо окрашенные кокили теплоотвод от залитого металла лимитируется слоем краски, но так как слой краски невелик, температуры металла отливки

71

и кокиля меняются очень быстро по всему сечению. Кро­ ме того, достаточно быстро наступает период, когда на­ чинается теплоотдача от наружной поверхности кокиля в окружающую среду. В этих условиях уравнение ба­ ланса тепла для периода снятия перегрева приобрета­ ет вид

—У, Р; с[ <И>, = рзаз (Oj —% )F1dx = У2р2с2 d% + a .fi3 F.ßx.

Напомним, что в приведенном балансе:

Рзаз— коэффициент теплопередачи через слой крас­ ки;

^х и — средние значения температур отливки и ко­ киля за рассматриваемый период, отсчитан­ ные от Т2нач как от нуля;

Ух и У2— объемы стенок отливки и кокиля;

F 2— площадь наружной поверхности кокиля, че­ рез которую идет теплоотвод в окружающую среду;

сс2— коэффициент теплоотдачи от кокиля в окру­ жающую среду.

Решение приведенного баланса после всех допуще­ ний и упрощений приобретает вид

Ѵ1 РІ с ! ( * 1 н а ч - * і )

Т------------------------------------------

О г lham — ti .

Рзаз г 1 I 2 — ‘ 2«

В полученном уравнении остается неизвестным сред­ нее значение t2ср за рассматриваемый период, поэтому приходится прибегать к методу последовательных при­ ближений. Вначале принимаем /2ср~^2нач и находим ве­ личины г II ?2кон, затем берем уточненное значение t2ср«

«^гначҢ— -ф и вновь рассчитываем т и і2КОц. При необ­

ходимости уточнение можно произвести несколько раз. Проводя аналогичное составление теплового балан­ са для периода затвердевания плоской отливки в окра­

шенном кокиле при постоянной температуре затвердева­ ния и решая полученное уравнение упрощенно и прибли­ женно, получают следующие расчетные формулы

72

и

рая затвердела еще в период заливки или снятия пере­ грева сплава, под V — ту часть объема отливки, которая затвердевает в рассматриваемый период за время

Т— (Тзал~ЬТпер) .

Если отливки не плоские, рассчитывать необходимо с помощью других уравнений. Однако эти случаи мы рассматривать не будем, так как современное тонкостен­ ное литье в большинстве случаев можно рассматривать в каждом заданном сечении, как «тонкую стенку» и, сле­ довательно, рассчитывать по уравнениям для плоских отливок. Если же отливку необходимо уподобить ци­ линдру или шару, то каждый, знающий начальные све­ дения по теплопередаче, сможет применить рассмотрен­ ные методы расчета и к таким телам без детального рас­ смотрения этих случаев в данном пособии.

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБЫЛЕЙ И ХОЛОДИЛЬНИКОВ

После изучения условий образования усадочных ра­ ковин и пор, методов расчета объема усадочных раковин и скорости затвердевания, можно перейти к изучению способов расчета и конструирования прибылей и холо­ дильников. Начнем с прибылей, в первую очередь по­ пытаемся разобраться с проблемой, возникающей перед каждым технологом при рассмотрении отливки: надо ли

вкаждом конкретном случае прибегать к установке при­ были или не надо?

Вопрос о целесообразности установки прибылей на первый взгляд кажется парадоксальным: мы знаем, что

влюбой отливке, если ее не подпитывать из прибыли, обязательно появятся усадочные раковины или усадоч­ ные поры. Но и при установке прибылей мы не всегда устраняем эти дефекты в отливках. В тонкостенных от­ ливках характер затвердевания металла обычно прибли­

жается к объемному, особенно в осевых слоях стенок, и там образуется усадочная пористость даже при на­ личии прибылей. При невозможности обеспечить направ­

73

ленное затвердевание, что также обычно наблюдается в тонкостенных протяженных отливках, избежать обра­ зования усадочной пористости опять-таки не удается. А. А. Рыжиков, анализируя условия затвердевания ре­ альных отливок, пришел к выводу, что мы вообще ни­ когда практически не получаем совершенно плотных из­ делий и вынуждены мириться с усадочными порами и мелкими усадочными раковинами в отливках.

При конструировании тонкостенных отливок очень часто для обеспечения эксплуатационной надежности до­ статочно принять толщину стенки равной 3—5 мм, а при­ нимается толщина в 6— 12 мм с целью облегчения про­ цесса изготовления отливки, для выравнивания толщин стенок, для придания отливке более красивого вида и т. и. В этих случаях наличие в осевой зоне стенки от­ ливки усадочной пористости не снижает ее эксплуата­ ционной надежности, а грубые концентрированные ра­ ковины из-за малой толщины отливки образоваться не могут. Очевидно, что при таком положении прибегать

кустановке на отливку прибыли нецелесообразно.

Впрактике рекомендуется не ставить прибыли, если толщина стенки отливки не превышает 10— 12 мм, для более крупных и протяженных отливок 30—40 мм. Нель­ зя забывать, что в особенно ответственных случаях, при работе детали под давлением газа или жидкости и при малом запасе прочности изделия, па все отливки при­

были ставить необходимо.

Вторая проблема, возникающая при конструирова­ нии прибылей, заключается в необходимости обеспечить надежное питание отливки с одновременным уменьшени­ ем расхода расплава на собственно прибыли. Решение этой проблемы основывается на многочисленных иссле­ дованиях и расчетах.

Прежде всего найдено, что наиболее неэкономичны прибыли сплошные, т. е. установленные на всю поверх­ ность отливки, и более целесообразны прибыли местные, т. е. установленные лишь на некоторых участках по­ верхности отливки. Это положение хорошо иллюстриру­ ется па примере отливки бруса, показанной на рис. 33.

На сплошную прибыль, равную высоте отливки бру­ са, расходуется более 50% от всего залитого в форму металла и все же усадочная раковина полностью не вы­ водится из тела отливки. Кроме того, сплошная прибыль

74

резко замедляет затвердевание всей отливки, что при­ водит к ухудшению свойств металла из-за получения более грубого зерна. Если же на отливку установить местную прибыль, то затвердевание отливки будет про­ исходить почти с той же скоростью, как и без прибыли. Это приведет к получению более высоких механических свойств металла и позволит устранить усадочную рако­

вину в отливке при расходе расплава на прибыль всего в 30—40% от залитого в форму.

Местные прибыли тем экономичнее и эффективнее, чем меньше расходуется на них металла и чем меньшую площадь отливки они перекрывают, поэтому к числу наи­ более эффективных следует отнести обогреваемые при­ были. В таких прибылях металл не затвердевает и прак­ тически весь расходуется на питание отливки. Обогре­ вать прибыль можно электрической дугой или, как предлагают Г. С. Белоус и Д . А. Дудко, сделать прибыль в виде электрошлаковой ванны и подавать горячий ме­ талл в отливку, постепенно расплавляя электрод. Объ­ ем собственно прибыли (остатка металла в ней) в этих случаях можно принимать равным 3—3,5% от объема отливки. Так как прибыли с электрическим обогревом или электрошлаковым расплавлением электрода неудоб­ ны в конвейерном производстве, они рекомендуются обычно только для крупных отливок, заливаемых в ста­ ционарно расположенных опоках или в кессонах. Эко­ номичность этих прибылей должна быть проверена по разности стоимости затраченной электроэнергии и элек­ тродов и стоимости экономящегося жидкого расплава и труда на удаление прибыли.

75

В конвейерном производстве обогрев прибылей осу­ ществляют с помощью экзотермических стаканов. По­ следние приготавливают из смеси термитного порошка или другой горючей массы с инертными наполнителями и связующими веществами, выбранными по машино­ строительным нормалям МН 539—60 и МН 540—60. Пос­ ле нагрева от залитого металла экзотермическая смесь в стакане начинает гореть с выделением большого коли-

Рнс. 34. Схема электрообогрева прибылей и конструк­ ции прибылей, обогреваемых экзотермическими сме­ сями

чества тепла и тем самым не допускается затвердева­ ние расплава в полости прибыли. Экономичность таких прибылей определяется разностью в стоимости экзотер­ мического стакана и стоимости экономящегося распла­ ва. В последнее время Б. Л. Сердюков и П. А. Никитин предложили вместо стаканов применять фигурные экзо­ термические вставки. Они устанавливаются в полость формы прибыли с зазором в 1—2,5 мм, чтобы жидкий металл мог охватить всю экзотермическую смесь и быст­ ро зажечь ее. Конструктивное оформление обогреваемых прибылей и схема электроподогрева прибылей показаны на рис. 34.

При анализе конструкций прибылей с экзотермиче­ ским обогревом следует обратить внимание на то, что снизу стаканы и фигурные вставки выполняются изобыч-

76

ной стержневой смеси, чтобы сохранить достаточно чет­ кий контур основания прибыли.

В практике литейного производства все еще наи­ большее распространение имеют прибыли необогреваемые, в которых одна часть расплава затвердевает на стенках полости прибыли и другая часть его расходует­ ся на питание отливки. Необогреваемые прибыли по кон­ структивным признакам можно подразделить на следу­ ющие группы:

—прибыли открытые прямые или боковые, обычные или легкоотделяемые;

—прибыли закрытые прямые или боковые, обычные

или легкоотделяемые, с атмосферным или сверхатмо­ сферным давлением.

Полости открытых прибылей выходят на поверх­ ность формы. Это имеет свои преимущества и недостат­ ки. Основным недостатком является быстрое охлажде­ ние поверхности расплава из-за лучеиспускания в атмо­ сферу. Для уменьшения скорости затвердевания открытых прибылей их часто после заливки формы засыпают термитной смесью (лункеритом) или сухим древесным углем. Второй недостаток — необходимость отхода от оптимальной конфигурации прибыли из-за извлечения модели прибыли из стенки формы вверх. Преимущества открытых прибылей в том, что их можно пополнять го­ рячим расплавом непосредственно из заливочного ков­ ша, можно при затвердевании отливки подкачивать рас­ плав с помощью металлических или деревянных шом­ полов, погружаемых и поднимаемых внутри прибыли, можно применить электрообогрев металла в прибыли.

Полости закрытых прибылей помещаются целиком внутри стенки формы, и металл в них затвердевает толь­ ко за счет теплоотвода через стенку формы. Закрытые прибыли делают такой конфигурации, которая при наи­ большей металлоемкости обладает наименьшей поверх­ ностью охлаждения, что позволяет сокращать расход ме­ талла на прибыли. Правда формовка таких прибылей обычно более сложна, чем формовка открытых при­ былей.

Прибыли могут выполняться прямыми, устанавлива­ емыми сверху на питаемый узел отливки, или боковыми, т. е. устанавливаемыми сбоку от питаемого узла отливки.

При выборе формы прямых прибылей полезно учи­

77

тывать результаты исследований В. Н. Савейко, П. Ф. Бельцова и Е. Т. Долбенко. Опытным путем они установили соотношения между объемами прибылей разной конфигурации при обеспечении одинакового эф­ фекта их работы. Эти соотношения определяются коэф­

Величина коэффициента k приведена в таблице:

Коэффицент к для прибылен новой формы

Данные таблицы показывают, что наиболее эконо­ мичны закрытые шаровые и полушаровые прибыли, а из открытых — конусная прибыль. Выполнять эти прибыли рекомендуется с соблюдением соотношений, показанных на рис. 35.

При применении прямых прибылей можно увели­ чить их эффективность подводом питателей непосредст­ венно в полость прибыли. Протекающий через полость прибыли расплав разогревает стенки формы; кроме то­ го, металл в прибыли в конце заливки окажется наибо­ лее горячим и затвердевает медленнее, чем в остальных частях отливки.

Прямые прибыли питают ограниченную часть от­ ливки, которую называют зоной действия прибыли. По­ следняя определяется толщиной питаемой стенки отлив­ ки, условиями затвердевания отливки сбоку от прибыли и условиями подвода расплава к полости формы. Теоре­ тически рассчитать зону действия прибыли можно опре-

78

делив длину участка, на котором происходит интенсив­ ный переток тепла от прибыли в стенку и сохраняется направленное затвердевание. Однако рабочие формулы для таких расчетов еще не подготовлены и потому зону действия прибылей определяют, руководствуясь полу­ ченными опытным путем схемами. На рис. 36 показаны некоторые из таких схем, рекомендуемые А. А. Рыжи­ ковым и В. Н. Савейко.

з_

полущар срезанная

/ t S J

Рис. 35. Рекомендуемые формы и соотношения размеров прямых прибылей

Анализ схем показывает, что для лучшего исполь­ зования прибылей необходимо пользоваться захолаживающим действием торцев отливки, располагая прибы­ ли ближе к средней части питаемой стенки. Кроме того, целесообразно сочетать установку прибылей с установ­ кой между ними наружных холодильников. Для отливок с разной толщиной стенок прибыль целесообразнее все­ го устанавливать на наиболее массивной части отливки, если это не послужит причиной появления других де­ фектов, в частности, горячих трещин.

При конструировании прямых прибылей приходит­ ся решать вопрос о выборе минимального диаметра при­ были и рациональном способе сочленения прибыли с от­ ливкой. Для решения этого вопроса П. Ф. Василевский рекомендует подразделить все отливки на две группы:

79