книги / Теория литейных процессов

дый новый элемент расширяется (сжиматься он не может). Если он беспрепят­ ственно выкатывается в прибыль, значит, принцип направленного затвердева­ ния выполнен.

Рис. 11.15. Разделение отливки на узлы питания (а)

и метод выкатывания шарика (б)

Прибыли классифицируются по расположению относительно узла пита­ ния отливки, по способу формовки (рис. 11.16, а) и по конфигурации (рис. 11.16, б).

По расположению относительно узла питания прибыли делятся: на пря­ мые, или верхние У; отводные, или боковые 2; в том числе групповые, питаю­ щие несколько отливок 3. По способу формовки прибыли делятся: на открытые Уи закрытые 2. По конфигурации - на цилиндрические 4, плоские 5, сфериче­ ские б и фигурные 7.

11.7. Инженерные методы расчета усадочных раковин н прибылей

Расчеты усадочных раковин, приведенные в 11.3 и 11.4, не обладают не­ обходимой гибкостью для получения технологических решений.

Прибыли всегда являются простыми телами, чаще всего цилиндрической формы, с небольшим отношением высоты к диаметру. Это позволяет принять следующие положения для расчета усадочной раковины в отливке с прибылью:

1. При переходе сплава из жидкого состояния в твердое его объем уменьшается на величину а, определяемую по формуле (11.57);

2.Зональная пористость в отливке не учитывается;

3.Затвердевание отливки со всех ее поверхностей, в том числе с верхней, определяется законом квадратичного корня;

4.Образующая области усадочной раковины есть прямая линия. Положим, что отливка вместе с прибылью представляет собой простое

тело объемом V и радиусом R. Образующая область усадочной раковины в верхней части прибыли имеет форму конуса высотой z (рис. 11.17, а).

Рис. 11.17. Схемы к расчетам областей усадочных рако­ вин: а - отливка из чистого металла; б- отливка из сплава,

кристаллизующегося в широком интервале температур; в - отливка с прибылью

Уравнение для расчета области усадочной раковины в дифференциальной

где у - текущая координата, которой соответствуют радиус зеркала жидкого металла /• и площадь этого зеркала Q \ T - время; w - скорость затвердевания ме­ талла сверху на расстоянии у от верхней поверхности.

Учитывая положение п. 4, уравнение (11.61) можно привести к алгебраи­

где S - площадь горизонтального сечения области усадочной раковины, сред­ няя для всей ее высоты z; ivcp - средняя скорость затвердевания сверху, при­ ближенно определяемая как скорость затвердевания на половине высоты облас­ ти усадочной раковины; г0 - общее время затвердевания тела; V -общий объем тела.

Левая часть равенства представляет собой полный объем области усадоч­ ной раковины, первый член правой части - объем усадочной раковины, второй - объем мостов.

Если затвердевание с боковой и нижней поверхностей отливки определя­ ется законом квадратичного корня с коэффициентом затвердевания К, то время затвердевания отливки будет

В случае отливки из сплава, кристаллизующегося в интервале темпера­

по рис. 11.14; для открытых прибылей т = 1,3, для закрытых т = 1,1. Многочисленные расчеты размеров областей усадочных раковин в отлив­

ках из стали, цветных сплавов, чугуна показали, что равенства (11.73) и (11.76) дают вполне удовлетворительную для проектирования технологических про­ цессов точность.

Полученные формулы являются решением прямой задачи и применимы к отливке с прибылью известных размеров. В действительности приходится ре­ шать обратную задачу - определять размеры прибыли по известным размерам отливки.

Определим размеры прибыли для отливки объема V0 диаметром 2R (рис. 11.17, в). Обозначим искомую высоту прибыли через h и площадь ее сече­ ния через F. Примем, что отношение глубины области усадочной раковины z к высоте прибыли h равно <т. Тогда

где а - коэффициент запаса, он должен быть меньше единицы.

Запас необходим для учета объема загрязненного металла, собирающего­ ся под усадочной раковиной, направлен на возможный небольшой недолив прибыли при заполнении формы и для компенсации неточностей расчета.

Из равенств (11.77), (11.78) и (11.35) с учетом (11.79) получаем

В левой части равенства (11.86) стоит объем прибыли, деленный на объем отливки; в правой - произведение постоянных величин на безразмерный крите­

отливки к усадке, через т - интенсивность охлаждения прибыли сверху и через R*IV —распределение массы отливки. Действительно, R представляет собой по­ ловину размера сечения наиболее массивной части отливки.

Если отливка представляет собой кубик, то R'/v = - . Чем больше будет

8

расчленена отливка на мелкие элементы, тем меньше будет и этот критерий, и требуемый объем прибыли.

Равенство (11.86) можно преобразовать к виду

Это значит, что отношение высоты прибыли к радиусу зависит от интен­ сивности ее охлаждения сверху и коэффициента запаса. В случае стального ли­ тья в песчаные формы можно принять: а = 0,035; а - 0,75; т = 2 (при открытой форме), п = 1 (при открытой).

Заменяя радиус прибыли ее диаметром и учитывая, что открытая прибыль будет несколько расширяться вверх, а закрытая - вниз, получим следующие со­

Из выражения (11.82) для цилиндрической прибыли отношение ее объема к объему отливки

(11.90)

В выражении (11.81) заменим среднее сечение области усадочной рако­ вины S его величиной из выражения (11.71) применительно к случаю прибыли

Сравнивая выражения (11.90) и (11.92), можно установить, что они раз­ личаются только значением одного сомножителя во втором члене суммы, стоящей под корнем. В первом случае - для прибыли круглого сечения - он ра­ вен 2л; во втором - для прибыли квадратного сечения - 8. Это значит, что если заменить призматическую прибыль на цилиндрическую, то может быть полу­ чена экономия до 25 % металла. Аналогичным путем можно показать, что пло­ ские прибыли еще менее выгодны, чем призматические.

Основными требованиями к размерам прибыли являются, во-первых, обеспечение объема, достаточного для компенсации усадочной раковины в ли­ той заготовке, во-вторых, обеспечение достаточной продолжительности ее за­ твердевания. Приведенные расчеты были направлены на удовлетворение пер­ вого требования.

Рассмотрим условия выполнения второго требования. В практике встре­ чаются следующие сочетания конфигураций отливки и прибыли:

1. Отливка имеет конфигурацию куба (или сферы), а прибыль является ее продолжением (рис. 11.18, а). Для обеспечения надежности питания в этом случае рекомендуется выбирать следующие соотношения прибыли и отливки:

(11.93)

где dn и do- диаметры окружностей, вписанных в сечения открытой прибыли и отливки.

Рис. 11.18. О п ределен и е сечений прибы лей

Для закрытой прибыли допускается соотношение диаметров d M = 0,96-1,0;

2. Отливка имеет конфигурацию цилиндра или призмы, расположенной вертикально, а прибыль является ее продолжением (рис. 11.18, б). Для этого случая рекомендуются те же соотношения, что и для предыдущего;

3. Отливка имеет форму горизонтально расположенной призмы (цилинд­ ра), прибыль - плоская (рис. 11.18, в). К этому же виду относится отливка типа

кольца. В отдельных случаях можно применять прибыли в форме призмы или цилиндра. В случае применения плоской прибыли ее ширину следует выбирать, руководствуясь соотношением (11.93). Соотношение длины прибыли /п к ее ширине dnрекомендуется следующее:

Если это требование не будет выполнено, то ускоренное охлаждение с торцевых поверхностей не даст возможности осуществлять питание до самого конца затвердевания отливки;

4.Отливка - вертикально расположенная плита, прибыль - плоская (рис. 11.18, г). Соотношения размеров прибыли и отливки должны удовлетво­ рять выражениям (11.93) и (11.94);

5.Отливка - горизонтально расположенная плита, прибыль - цилиндри­ ческая (рис. 11.18, д). Если исходить из приведенных толщин, соотношение се­ чений прибыли и отливки должно составлять 4:1. Однако опыты показывают, что в этом случае достаточно обеспечить соотношение

-^- = 3,0-3,5. (11.95)

В боковых прибылях затвердевание происходит не только с боковых и верхних поверхностей, но и снизу. Поэтому их высоту по сравнению с верти­ кальными прибылями необходимо увеличивать дополнительно еще на величи­ ну радиуса прибыли.

Таким образом, основным средством устранения усадочной раковины в отливках является прибыль. Прибыль представляет собой технологический элемент, в котором должна быть сосредоточена область усадочной раковины и который отделяется от отливки на стадии ее финишной обработки. Кроме со­ средоточений усадочной раковины, прибыль является средством ослабления развития зональной пористости и сборником загрязнений, всплывающих из жидкого металла в процессе затвердевания. Понятно, что прибыль должна за­ твердевать позднее отливки. Только при таком условии прибыль может ком­ пенсировать уменьшение объема расплава в отливке вследствие усадки. Это первое необходимое, но недостающее условие эффективности работы прибыли.

Вторым условием является направленность затвердевания, которая созда­ ется расположением отливки, местом установки прибыли, дифференцирован­ ным охлаждением и подводом питателей к отливке. Для дифференцированного охлаждения отливки используют смеси с различной теплоаккумулирующей способностью и холодильники (внутренние и наружные). Внутренние холо­ дильники представляют собой объемы сплава в виде прутков, сеток или других более сложных конструкций, которые устанавливаются в полости формы, соот­ ветствующей горячим узлам отливки, и предназначаются для снижения темпе­ ратуры и компенсации усадки сплава в указанных объемах. Наружные холо­ дильники - это в большинстве случаев металлические части формы, соответст­

тые металлы и сплавы эвтектического состава, а также сплавы с узким интерва­ лом кристаллизации при высокой скорости охлаждения залитого в форму спла­ ва. Это частные случаи, которые встречаются на практике редко.

Большинство сплавов относится к многокомпонентным системам (всегда есть примеси) и в реальных условиях охлаждения в формах затвердевают сме­ шанно, т. е. объемно-последовательно с преимущественно объемным или с преимущественно последовательным затвердеванием. Чтобы прибыль затвер­ девала позднее отливки, должно соблюдаться условие Rn > RQ. Для сплавов, за­ ливаемых без перегрева, Rn/ R0 должно быть не менее 1,03;

3. Размеры прибылей обязательно рассчитывают с учетом двух противо положных требований:

прибыль должна включать достаточное количество металла, чтобы она затвердевала позднее отливки;

прибыль должна быть минимальной с целью экономии металла. Работа прибыли зависит от множества различных по природе факторов:

особенностей сплава, конфигурации отливки или горячих узлов, технологии получения формы, характера производства и т. д. Поэтому накопилось более 200 различных методов расчета прибылей, из которых чаще используются два:

метод П. Ф. Василевского для крупного стального литья; метод Й. Пржибыла.

Внастоящее время с успехом используют универсальный метод расчета прибылей на ЭВМ, в основу которого положены математические модели, по­ строенные по результатам изучения процессов взаимодействия элементарных объемов отливки (в том числе прибылей) при затвердевании: тепло- и массопереноса, фильтрации, кинетики внутреннего давления и т. д..

На кафедре «Литейное производство» Юж.-Урал. гос. ун-та (Челябинск) используются следующие программы для расчета прибылей: FEEDER.EXE, MODUL.EXE, FEEDER2.EXE.

Воснову расчета прибылей по методу П. Ф. Василевского положено со­ отношение приведенных толщин прибыли и отливки (горячего узла)

Этот показатель контролирует соблюдение первого требования, предъяв­ ляемого к прибыли, - требование достаточности жидкого металла для компен­ сации усадки отливки.

Для соблюдения второго требования - минимизации расхода металла, ко­ торое в конечном счете выражается в технологическом выходе годного (ТВГ), введено понятие коэффициента полезного использования объема прибыли