книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

Г Л А В А V

ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ И ПИТАНИЕ ОТЛИВОК

§ 1. ЭЛЕМЕНТЫ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ

Одним из важнейших условий получения качественной отливки является правильное устройство литниковой системы. Литниковая система служит для плавного подвода жидкого сплава в полость литейной формы и питания отливок в процессе кристаллизации. Место подвода сплава к отливке во многом определяет ее плот­

мой. К подводящим элементам литниковой системы относятся литниковая воронка 1, стояк 2, шлакоуловитель 3, питатели 4. Эти элементы должны обеспечивать заданный расход металла, опре­ деленную линейную скорость его движения и задерживать шлак.

Литниковая воронка для мелких отливок и литниковая чашарезервуар для крупных отливок предназначены для приема струи металла, вытекающего из ковша, и задержания шлака, попадаю­ щего вместе с металлом в чашу. При полной до краев чаше в стояк поступает чистый металл, а легкий шлак находится наверху. Кроме того, обеспечивается непрерывная подача металла в форму при одном и том же напоре. Для задержания шлака отверстия стояков иногда закрывают чугунными пробками (рис. 82), тонкими жестя­ ными пластинками. Пробки открывают после того, как вся чаша

130

заполнится металлом, пластинки же расплавляются горячим метал­ лом. Форму необходимо заполнять металлом по возможности быстро, при этом металл должен иметь достаточную температуру.

Во время заливки металла литниковая чаша обязательно должна быть полной. При недостаточно большой глубине металла в чаше

образуется воронка, через которую воздух и шлак, плавающий на поверхности металла, могут попасть в стояк и затем в отливку (рис. 83, а). Для мелких отливок, особенно в условиях массового производства, шлак в чаше задерживают фильтровальными сет­ ками (рис. 83, б), которые изготовляют из стержневой смеси.

Стояк — вертикальный канал, передающий металл из воронки к другим элементам литниковой системы. Его выполняют несколько суживающимся книзу для удобства формовки и обеспечения гидравличе­ ского напора в литниковой системе.

Конусность стояка 2—4%. При изго­ товлении крупных отливок стояк и другие элементы литниковой системы часто выполняют из стандартных ша­ мотных трубок-кирпичей.

Шлакоуловитель служит для за­ держания шлака и передачи из стоя­ ка металла, свободного от шлака, к питателям; располагается в горизон­

тальной плоскости. Обычно шлакоуловитель выполняют в верх­ ней полуформе, а питатели — в нижней. Поперечное сечение шлакоуловителей делают трапецеидальным. В процессе запол­ нения формы металлом для лучшего задержания шлака шлако­ уловитель должен быть обязательно заполнен металлом. Это обеспечивается соответствующим соотношением сечений стояка, шлакоуловителя и питателя (рис. 84). Если расход металла через стояк 1 больше расхода через питатели 2, то шлакоуловитель за­ полняется металлом (рис. 84, а) и шлак 3, всплывая, задерживается в нем. Если расход через стояк меньше расхода через питатели, то

шлакоуловитель будет незаполненным (рис. 84, б) и шлак попадет в отливку. Таким образом, для задержания шлака сечение стояка должно быть больше сечения шлакоуловителя, а сечение шлако­ уловителя больше суммарного сечения питателей. Такую литнико­ вую систему называют запертой.

Рис. 84. Схема движения металла в заполненном (а) и не­

заполненном (б) шлакоуловителе

Питатели (литники) — это каналы для подачи жидкого металла непосредственно в полость формы. Сечение питателей должно быть такой конфигурации, чтобы металл плавно поступал в полость формы, мало охлаждался на пути от шлакоуловителя к отливке, а после затвердевания ее питатели легко отламывались от отливки.

Практикой установлено, что наилучшая

основании обычно составляет 1/2—1/4 сечения стенки отливки. Выше основания сечение выпора увеличивается.

К числу элементов литниковой системы, обеспечивающих пи­ тание отливки жидким металлом в процессе ее затвердевания, относятся питающие выпоры и прибыли.

Прибыли и питающие выпоры применяют для отливок из бе­ лого низкоуглеродистого, легированного, высокопрочного чугуна, а также для толстостенных отливок из серого чугуна. Они слу­ жат для питания утолщенных мест отливки, застывающих послед­

132

завихрений, с заданной скоростью подъема уровня в форме, а

чивать направленное затвердевание отливки с учетом ее конструк­ ции п свойств сплава, из которого она изготовляется.

Металл обычно подводят в тонкое сечение отливки для вырав­ нивания скорости охлаждения ее отдельных частей. Проходя через тонкое сечение отливки, металл разогревает в этом месте форму, более холодные его порции поступают в массивные сече­ ния отливки. Скорости охлаждения тонкого сечения в нагретой части формы и более массивного сечения отливки, заполненного несколько охладившимся металлом, выравниваются, что способствует

получению более качественной от­

му, не должен заливать знаковых частей стержня и препятствовать выходу газов из стержня и формы. Скорость подъема металла в форме должна быть достаточной для того, чтобы образующиеся газы и воздух, находящийся в полости формы, могли свободно выйти из формы. Вместе с тем медленная заливка формы металлом может привести к потере жидкотекучести

отливке.

Литниковые системы делят на системы с подводом металла по плоскости разъема, сифонные, дождевые, комбинированные и ярус­ ные. Каждой из них присущи определенные преимущества и недо­ статки. Выбор литниковой системы зависит от конфигурации, назна­ чения и материала отливки.

Литниковые системы с подводом металла по плоскости разъема (рис. 87) являются наиболее простыми и широко применяются для большинства форм, имеющих глубину от линии разъема до 200 мм (допустимая высота, с которой входящий в форму расплавленный металл падает на дно формы, не причиняя ей сколько-нибудь замет­ ных разрушений). В случае применения этой литниковой системы

134

следует учитывать массу металла и давление его на стенки формы, которое зависит от высоты стояка.

Сифонная литниковая система (рис. 88) обеспечивает спокойное заполнение металлом формы, ее применяют для мелких и крупных отливок. В массовом производстве мелких отливок на формо­ вочных машинах сифонную литниковую систему применяют редко, так как она требует изготовления специальных стержней. Сифон­ ную литниковую систему широко используют при ручной фор­ мовке. Принцип сифонной литниковой системы заключается в том, что металл подводится к нижней части отливки. Например, при литье шестерни с литым зубом исключается подвод питателя к зубьям шестерни, питатель необходимо подводить снизу к муфте.

Дождевые литниковые системы широко применяются при ручной формовке средних и крупных отливок, таких как маховики, ше­ стерни, цилиндры и т. д. Металл подается в форму сверху, через ряд отверстий малого диаметра, выполненных в верхней опоке или в специальном литниковом стержне (рис. 89). Дождевая лит­ никовая система имеет недостаток: при падении струй металла на дно формы или зеркало металла возможно разбрызгивание и обра­ зование «корольков» — капель затвердевшего металла на стенках формы, не сваривающихся с основным металлом отливки. Поэтому на практике применяют комбинированную литниковую систему: используют одновременно дождевую систему и сифонную. Преиму­ щество дождевой литниковой системы — равномерное заполнение расплавленным металлом всей формы без перегрева отдельных ее

частей движущимся металлом. Благодаря этому отливка получается плотной, без газовых раковин и шлаковых включений, кроме того, уменьшаются пористость и усадочные раковины в отливках.

Комбинированные литниковые системы (рис. 90) применяют для высоких тонкостенных отливок. В начале заливки форма за­ полняется металлом через сифонную литниковую систему, а затем через дождевую. Благодаря такому заполнению форма не разрушается и в ней не образуются корольки. По

мере заполнения формы уровень металла в распределительных стояках поднимается, и с определенного момента начинают работать верхние питатели.

Ярусные литниковые системы (рис. 91) применяют при стопочной формовке мелких отливок.

Способ подвода металла в форму, конструкция и размеры эле­ ментов литниковой системы, а также выпоров и прибылей зависят не только от конфигурации и размеров отливки, но и от свойств сплава, из которого изготовляется отливка. Особенности литниковопитающих систем для отливок из ковкого чугуна, стали и цветных сплавов рассмотрены в соответствующих разделах.

§ 3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОТЛИВОК ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА

При разработке технологии изготовления отливки технологлитейщик должен выбрать способ подвода жидкого металла в форму и определить размеры элементов литниковой системы. Последнее

13 6

приобретает важное значение не только потому, что литниковая система оказывает непосредственное влияние на качество отливки, но и потому, что расход металла на литниковые системы в зависи­ мости от массы отливки можетсоставлять значительную величину

(рис. 92).

Коэффициентом выхода годного металла считают отношение массы годных отливок к массе жидкого металла, израсходованного

вок и т. д.

Определение размеров поперечного сечения элементов литнико­ вой системы имеет большое технико-экономическое значение, так как правильно назначенные размеры литниковой системы позволяют не только снизить расход металла на литники, выпоры и т. д., но и снизить брак отливок.

Задача определения точных размеров литниковой системы в каж­ дом конкретном случае является трудновыполнимой вследствие сложности явлений, происходящих при заполнении формы жидким металлом. Поэтому на практике используют упрощенные методы, основанные на следующих допущениях. Жидкий металл рассматри­ вается как идеальная жидкость с постоянной вязкостью; тепловое взаимодействие металла и формы (охлаждение металла и нагрев формы) при ее заполнении не учитывается; движение жидкого ме­ талла рассматривается как движение тяжелой жидкости по закры­ тым и открытым каналам формы.

Расчет литниковой системы по способу Озанна-Диттерта. Прежде всего находят суммарное сечение питателей, а затем размеры осталь­ ных элементов литниковой системы (стояка и шлакоуловителя).

137

Суммарное сечение питателей находят по формуле

где G — масса отливки, г; у — плотность металла, для расплавлен­ ного чугуна у = 7 г/см3; о —скорость истечения металла, см/с; р — коэффициент сопротивления; т — продолжительность заливки, с; g — ускорение свободного па­ дения, см/с2; Яр — расчетный

статический напор, см.

в)

металла при заливке

Неизвестными в формуле (6) являются Яр, р, т. Расчетный ста­ тический напор зависит от размера отливки и определяется из сле­ дующего соотношения:

при заливке сверху Р = 0 (рис. 93, б)

ЯР = Я.

При подводе металла по плоскости разъема формы (рис. 93, в)

при Р = у

н г = н ~ Т -

Время заливки формы тонкостенных, сложных по конфигурации отливок со стенками толщиной 2,5—15 мм и массой до 450 кг опре-

138

деляют по формуле

x = sVG,

где G — масса отливки с литниками, кг; s — коэффициент, учиты­ вающий толщину стенок отливки; при толщине стенок 2,5—3,5 мм, 3,5—8,0 мм, 8—15 мм коэффициент s соответственно равен 1,68;

Значительно труднее определить коэффициент р, который харак­ теризует общее гидравлическое сопротивление формы движущемуся металлу и зависит от сопротивления в литниковой системе рх и со­ противления в форме р2:

р = papa-

Исследованиями было установлено, что для чугунных отливок среднее значение р = 0,75 н- 0,85, т. е. потери в литниковой системе на трение в каналах, повороты, завихрение, сужение струи и др. составляют приблизительно 20%. Коэффициент р2 формы зависит прежде всего от конфигурации отливки, количества выделяющихся газов из формы, газопроницаемости и влажности смеси, завихрений и ударов металла в форме. Величину р невозможно подсчитать, поэтому ее принимают для расчетов на основании практических дан­ ных. Например, для тонкостенных чугунных отливок (стенки тол­ щиной до 10 мм) с большим сопротивлением формы р = 0,34.

Подставляя значение р в формулу (6), а также значение т, у, получим

п0,34s VG- 0,31 / Я р ■

Обозначим о з| 34s через х, тогда формула примет следующий

вид:

РxVG '

пК я р •

При толщине стенок отливки 2,5—3,5 мм; 3,5—8,0 мм; 8—15 мм х соответственно равняется 5,8; 4,9; 4,3.

Из формулы видно, что при одной и той же массе отливки, но с уменьшением толщины стенки суммарная площадь питателей увеличивается и наоборот.

По найденной площади питателей Fn находят площадь шлако­ уловителя Fmjt и стояка Кст для отливок:

139