Файл: Uch_posobie_red_2014_proekt_tekh_prots_i_mod_opochn_otl_v_pesch_-gl_formakh.docx

3.3. Расчет рабочих размеров литниково-питающих систем

по Г. М. Дубицкому

3.3.1. Расчет оптимальной продолжительности заливки [5]

Практика работы литейных цехов показывает, что продолжительность за­ливки оказывает очень большое влияние на качество получаемых отливок. Оптимальная продолжительность заливки определяется по формуле

, (3.1)

где S₁ – коэффициент, зависящий от толщины стенок и сплава; – толщина стенок, мм; J – масса отливки, кг.

Для чугунных отливок S₁ колеблется в пределах 1,7–2,0. При повышенном содержании углерода (% С > 3,3) значение можно уменьшить на 0,1–0,2. Для стальных отливок значение S₁ меняется в зависимости от способа подвода (табл. 3.1), массы заливаемого металла (табл. 3.2) и от химического состава.

Таблица 3.1

Значения коэффициента S₁ в зависимости от способа подвода

Примечания. 1. Для отливок с преимущественно горизонтальным расположением поверхно­стей при заливке, в особенности, если обрабатываемые поверхности расположены сверху, зна­чения коэффициента S₁ из таблицы следует уменьшить на 0,1–0,2.

2. Для отливок, склонных к образованию внутренних напряжений, холодных трещин (особенно при равномерном подводе в более тонкостенные части отливки) и усадочных раковин (при подводе вверху или при равномерном подводе в тонкостенные части). Значения коэффициен­та S₁, указанные в таблице, желательно увеличить на 0,1–0,2.

3. Отливки, изготовляемые в металлических или в песчаных формах с большим коли­чеством холодильников, нужно заливать быстрее. Для них значения коэффициента S₁, взятые по таблице, следует уменьшить на 0,1–0,2.

Таблица 3.2

Коэффициент S₁, принимаемый при определении t,

в зависимости от массы жидкой углеродистой стали J

Примечание. Коэффициент S₁ должен быть умножен на следующие поправки при изготовле­нии отливок:

а) из легированных сталей 110Г13Л – на 0,8; 20Х13Л – на 0,6; 10Х18Н9ГЛ –
на 0,55;50Х24Н12СЛ – на 0,50;

б) при суммарном содержании в стали Cr, Mo, W от 1,8 до 2,5 % – на 0,8–0,9;

в) при содержании в стали Al от 2 до 5 % – на 0,6–0,4.

Распределение отливок по технологическим группам представлено
в табл. 3.3.

Кроме продолжительности заливки, большое значение для качества отливки имеет скорость поднятия уровня металла в форме.

Средняя скорость поднятия уровня металла определяется по следующей формуле:

, (3.2)

где υ – средняя скорость поднятия уровня металла, мм/с; с – высота отливки по положению при заливке, мм; t – оптимальная продолжительность заливки.

Таблица 3.3

Основные признаки технологических групп отливок

*Включая случаи изготовления литейных форм из самотвердеющих смесей, не подвергаемых тепловой сушке.

Для чугунных отливок минимальные допустимые значения υ приведены
в табл. 3.4, для стальных – в табл. 3.5.

Определенную оптимальную продолжительность заливки по формуле (3.1) следует проверить: не получится ли скорость υ ниже допустимой. Если υ будет соответствовать требованиям, то полученное значение t можно считать опти-мальным. Если же υ окажется недопустимой, то нужно изменить положение от­ливки в форме, если это возможно, или несколько уменьшить продолжитель­ность заливки t, полученную по формуле.

Для отливок из ковкого чугуна рекомендуется пользоваться при определе-нии оптимальной продолжительности заливки t следующей формулой:

, (3.3)

где S₁ – принимать в пределах 1,95–1,6; δ – толщина стенок отливки, мм;
– масса одной отливки с приходящейся на одну отливку массой металла на прибыли и литниковую систему, кг; п – число отливок в форме.

Таблица 3.4

Минимально допустимая скорость подъема чугуна в форме

Таблица 3.5

Минимально допустимая скорость подъема стали в форме

Более быстрая заливка рекомендуется при подводе металла снизу, при под­воде металла в более толстостенные части отливки, при изготовлении отливок преимущественно горизонтальным расположением поверхности при заливке, при недостаточно высокой температуре жидкого металла.

Более медленная заливка целесообразна при подводе металла сверху, при равномерном подводе металла в более тонкостенные части отливки, при повы­шенных и высоких температурах заливки.

Для медленной заливки можно принимать значение S₁ в пределах 2,15– 2,5.

При изготовлении более крупных отливок, когда ≥ 15 000 кг, числовые значения t определяют по табл. 3.6. Эта таблица составлена для случая изго- товления отливок из углеродистой стали, когда формовка ведется только по-сухому. Если вместо углеродистой стали применяют легированные стали,
то полученное значение t нужно умножить на поправочный коэффициент S₁ (см. табл. 3.2).

Таблица 3.6

Расчетная продолжительность заливки форм крупных стальных отливок

3.3.2. Определение общей площади

расчетного (узкого) сечения места подвода металла [5]

Для определения площади расчетного сечения узкого места литниковой сис­темы можно воспользоваться формулой Озанна, представляющей собой упро­щенное уравнение Бернулли:

, (3.4)

где ₁ – масса металла, заливаемого в форму (масса отливок с литниками, выпо­рами и прибылями), кг/с; μ – коэффициент расхода в литниковой системе
(табл. 3.7); t – оптимальная продолжительность заливки, с; γ – объемный вес жидкого ме-талла, г/см³; g – ускорение силы тяжести, см/c² ; Н_р – средний металлостати-ческий напор, см.

Для чугуна и стали узким местом обычно является питатель, поэтому

. (3.5)

Для чугуна и стали можно принять γ = 6,9, тогда :

. (3.6)

Для вычисления среднего металлостатического напора обычно пользуются формулой Дитерта:

= H_o– (3.7)

где Н_о – высота стояка выше места подвода металла в форму (рис. 3.5); р – высота отливки выше места подвода металла в форму, см; с – высота отливки по положению при заливке, см.

Рис. 3.5. Схема для расчета

металлостатического напора при заливке

металла через литниковую воронку

При сифонной заливке р = с, тогда

(3.8)

При заливке сверху р = 0, тогда

Н_р = Н_о. (3.9)

При подводе металла в плоскость разъема формы, являющейся осью симметрии, т.е. при , имеем

(3.10)

Значения коэффициента µ в табл. 3.7. и 3.8 соответствуют случаям изготовле­ния отливок без выпоров и прибылей в формах нормальной газопроницаемо­сти при нормальной температуре за­ливки. Рекомендуется вводить поправ­ки (табл. 3.9).

Таблица 3.7

Значения коэффициента µ для чугунных отливок

Таблица 3.8

Значения коэффициента µ для стальных отливок

Таблица 3.9

Поправки к коэффициенту µ

3.3.3. Расчет основных элементов литниковых систем [5]

Для большинства чугунных и стальных отливок, заливаемых из поворотного ковша, применяются полностью замкнутые литниковые системы. В этом случае рассчитанная по формуле (3.6) площадь является площадью питателя.

Остальные сечения элементов литниковой системы определяются из соот­ношений:

F_ст : F_шл : F_пит = 1,4 : 1,2 : 1,0 – для чугунных отливок; (3.11)

F_ст : F_шл : F_пит = 1,15 : 1,1 : 1,0 – для стальных отливок до 1 т; (3.12)

F_ст : F_шл : F_пит = (1,6…1,15):(1,3…1,05) – для крупных стальных отливок. (3.13)

При изготовлении стальных и чугунных отливок в целях избежания размыва формовочной смеси в сечениях питателей применяют не полностью замкнутую литниковую систему. Тогда узким местом принимается шлакоуловитель, а ос­тальные площади находят из соотношения

F_ст : F_шл : F_пит= (1,3÷1,4) : 1 : (1,4÷1,2). (3.14)

При соблюдении указанных условий стояк быстро заполняется в начале за­ливки, питатели и шлакоуловитель некоторое время оказываются незаполнен­ными, пока уровень металла в форме не поднимется выше уровня питателей. Вследствие уменьшения скорости струи в питателях опасность размывания сте­нок формы уменьшается.

При изготовлении в сухих формах крупных чугунных и стальных отливок большой высоты и подводе металла на одном уровне, когда применяются фасон­ные огнеупорные элементы литниковой системы, в целях экономии металла используют соотношение

F_ст : F_шл : F_пит = 1 : 1 : 1. (3.15)

При заливке из стопорного ковша также применяют не полностью замкну­тую литниковую систему с соотношением

F_ст : F_шл : F_пит = (1,3÷1,2) : 1 : (1÷2,0). (3.16)

В отдельных случаях [2] при заливке из стопорного ковша и устройстве литниковой системы в фасонных огнеупорах применяется соотношение

F_ст : F_шл : F_пит = (1,33÷2,0) : 1 : (1,33÷2,0) (3.17)

для уменьшения размывающего и разрушающего действия струи металла.

При производстве отливок из ковкого чугуна каналы и шейки, подводящие металл непосред­ственно к отливкам, ввиду большой склонности белого чу­гуна к объемной усадке, нужно делать короче и с возможно большой площадью сечения. При этом можно применить соотношение площадей элемен­тов литниковой системы

F_cm.в : F_ст.н : F_шл = (1,6…1,4) : 1 : (2…3). (3.18)

Рабочие размеры питателя, шлакоуловителя и стояка, рассчитав ΣF_пит и выбрав оптимальное количество питателей, можно узнать из табл. 3.10–3.18, где

. (3.19)

Таблица 3.10

Размеры низких трапецеидальных питателей