Центробежное литье

1
Лабораторная работа 4
Центробежное литье
Цель работы: Ознакомление с центробежным литьем.
1. Введение
1.1. Сущность метода
Центробежным литьем называется способ получения отливок в металлических
формах, при котором расплавленный металл, подвергаясь действию центробежных сил,
отбрасывается к стенкам формы и затвердевает, образуя отливку.
В настоящее время этот способ применяют преимущественно при изготовлении
отливок, представляющих собой тела вращения (втулки, тубы, венцы зубчатых колес).
Для получения внутренней полости в цилиндрических отливках не требуется
использование стержней. В основном применяются металлические литейные формы
(металлические изложницы).
Центробежный способ применяют также для получения фасонных отливок, не
имеющих формы тел вращения. В последнем случае – ось вращения формы не
совпадает с осью симметрии отливки. Полости, образующие отливки, располагаются
симметрично по краям вращающейся планшайбы. Металл подается в полости формы
по литниковой системе, вращающейся вместе с ней. Литниковая система состоит из
стояка с литниковой воронкой и из радиальных тангенциальных питателей. Центр
отливок с литниковой системой должен находиться на оси вращения с тем, чтобы не
нарушалось равновесие. На рис. 5.1 приведены три возможные схемы центробежного
литья.
При любой схеме ось вращения может быть горизонтальной, вертикальной или
наклонной. Наиболее распространена первая схема. По этой схеме полые
цилиндрические отливки получают без установки стержней.
Схему с горизонтальной осью (5.1а) применяют для производства длинномерных тел
вращения, у которых величины отношения длины L к диаметру D более двух (L/D > 2).
Свободная поверхность отливки представляет собой цилиндр.
Рис. 5.1. Схемы центробежного литья: a – горизонтальное центробежное литье, b вертикальное центробежное литье
I – у отливки есть свободная поверхность, оси вращения отливки и машины совпадают;
II – у отливки нет свободной поверхности, оси вращения отливки и машины совпадают;
III – у отливки нет свободной поверхности, оси вращения отливки и машины не
совпадают.
2
На машинах с вертикальной осью вращения (5.1b) отливают короткие тела
вращения, так как свободная поверхность у них представляет собой параболу
вращения, вследствие чего толщина отливок различна по высоте. Третью схему, при
которой нет свободной поверхности, применяют реже, в тех случаях, когда
центробежные силы используются для повышения плотности отливок или для
улучшения заполнения тонкостенных отливок.
Преимуществами центробежного литья являются :
• большая производительность, процесс можно автоматизировать;
• высокая плотность, отсутствие пористости, шлаковых включений, так как за
счет центробежной силы они оттесняются к внутренней поверхности отливки;
• высокие механические свойства металла за счет нагревания и быстрого
затвердевания отливки, образование мелкозернистой структуры;
• возможность получения тонкостенных отливок из сплавов с низкой
жидкотекучестью.
Недостатки способа:
при увеличении частоты вращения формы свыше оптимальной возрастает
ликвация (химическая неоднородность) в толстостенных отливках, т.е.
компоненты сплава с более высокой плотностью вытесняются на наружную
поверхность, около внутренней свободной поверхности наблюдают скопление
наиболее легких фаз.
Области применения центробежного литья:
Водонапорные и канализационные трубы, гильзы двигателей внутреннего сгорания,
поршневые кольца, цилиндры компрессоров, втулки, подшипники скольжения, диски и
др.
Технологический параметр центробежного литья - частота или скорость вращения
60ω
формы – число оборотов n в минуту (мин), n =
.
2π
Рассмотрим форму с вертикальной осью (см. рис. 5.2).
Рис. 5.2. Свободная поверхность отливки при вертикальном центробежном литье
На любую частицу вращающегося расплава действуют две силы: гравитационная
Fg=G = m·g, центробежная Ft=F=m·ω2·r, где m – масса частицы, ω – угловая скорость
вращения; r – расстояние частицы от оси вращения.
Ft F
Величину отношения
= = K называют гравитационным коэффициентом.
Fg G
Гравитационный коэффициент показывает, во сколько раз центробежная сила
превышает силу тяжести (практически, более, чем в 100 раз). Гравитационный
коэффициент показывает, во сколько раз расплав становится «тяжелее» при вращении.
3
Важность выбора частоты вращения формы n обусловлена следующими
соображениями. При n ≤ nопт металлические включения, шлаки и газовая пористость
оттесняются к внутренней поверхности отливки. В случае превышения оптимальных
значений частоты вращения (n > nопт) возрастает ликвация в отливке и опасность
образования в ней трещин. При невысоких частотах вращения отливка плохо
очищается от шлаков и газов, в результате чего приобретает шероховатую поверхность.
1.2. Форма свободной поверхности
Форму или геометрию свободной поверхности жидкого металла во вращающейся
форме можно рассчитать теоретически, что позволяет прогнозировать форму отливки и
припуски на механическую обработку. Рассмотрим форму с вертикальной осью.
При теоретическом расчете конфигурации свободной поверхности вводят некоторые
упрощения. Считают, что все частицы жидкости имеют одну и ту же угловую скорость,
равную угловой скорости вращения формы. В таком случае вращающаяся жидкость
находится в состоянии относительного покоя.
Для нахождения формы поверхности жидкого металла можно воспользоваться
уравнением гидростатики, которое известно как уравнение Эйлера. Уравнение имеет
вид: Xdx + Ydy + Zdz = 0, где X, Y, Z - силы, действующие на произвольную частицу в
направлении координатных осей; X = F, Z=G , dx, dy, dz – проекции элементарных
перемещений частиц на оси координат.
Подставив в уравнение Эйлера значения сил и проекций перемещения частиц,
получим (если X=m·ω2·x, Z= - m·g и Y=0) m·ω2·xdx – m·gdz = 0
После сокращения массы и интегрирования получим
ω 2 ⋅ x2
− gZ + C = 0
2
ω 2 x2
Откуда получим уравнение кривой для свободной поверхности Z =
+ C.
2g
Так как это уравнение параболы, то, следовательно, свободная поверхность
представляет собой параболоид вращения вокруг оси Z – Z (геометрическая ось
параболоида вращения совпадает с осью вращения литейной формы).
1.3. Расчет координат свободной поверхности отливки
Принимаем C=h0, Z=h, X=r свободной поверхности.
За основу расчета координат принимаем общую формулу параболоида вращения в
виде
ω2 ⋅r2
h=
+ h0 ,
(1.1)
2g
где h - вертикальная координата свободной поверхности, взятая от уровня дна формы;
ω – угловая скорость вращении формы; r – радиус свободной поверхности; g –
ускорение силы тяжести; h0 – вертикальная координата вершины параболоида
вращения (см. рис. 5.3.).
После преобразований и интегрирования можем написать уравнение свободной
поверхности в окончательном виде
ω 2 ⋅ r 2 ω 2 ⋅ R 2 (H − H 1 ) H
h=
−
+ ,
2g
2 gH
2
где Н – высота формы, Н1 – высота металла, залитого в невращающуюся форму.
(1.2)
4
Рис. 5.3. Форма свободной поверхности отливки конечных размеров
1.4. Пример расчета. Вертикальная цилиндрическая форма (имеет высоту Н = 8 см и
радиус R = 4 см) вращается с частотой n = 600 об/мин. В форму наливают 250 см3
металла (Vотл = 250 см3).
Найти координаты свободной поверхности металла отливки и начертить кривую
этой поверхности.
Решение: Для определения координат свободной поверхности:
1. Определим высоту Н1, т.е. высоту уровня свободной поверхности металла в
неподвижной, по формуле:
V
2,5 ⋅10 −4
VОТЛ = π ⋅ R 2 ⋅ H 1 , H 1 = ОТЛ2 =
= 0,05 ( м).
π ⋅R
3,14 ⋅ 0,04 2
2. Определим угловую скорость вращения формы
π ⋅ n 3,14 ⋅ 600
1
=
= 62,8  .
ω=
30
30
c
3. Определим радиусы (r) параболоида вращения при выбранных значениях n. Для
этого найдем r из выражения (1.2):
R 2 (H − H 1 ) Hg
− 2.
(1.3)
ω2
H
ω
Подставляя в эту формулу численные значения величин, найдем в наивысшей точке
формы, где H = 0,08 м:
r=
2hg
+
r = 3,98 ⋅ 10 −4 + 6 ⋅ 10 −4 − 1,99 ⋅ 10 −4 = 0,0283 (м)
r=
R 2 ( H − H 1 ) Hg
− 2 = 6 ⋅10 −4 − 1,99 ⋅10 − 4 = 0,02 ( м).
H
ω
Отстояние вершины параболоида (где r = 0) от днища формы (h0) определим по
выражению (1.2.):
H R 2 ⋅ ω 2 ( H − H 1 ) 0,08 0,04 2 ⋅ 62,82 ⋅ (0,08 − 0,05)
ho = −
=
−
= 0,08 ( м).
2
2 gH
2
2 ⋅ 9,8 ⋅ 0,08
Внизу днища формы вертикальная координата h0 имеет отрицательное значение.
5
Промежуточное значение r при выбранных нами h найдем по выражению (1.3). По
найденным h и r вычерчиваем кривую формы свободной поверхности металла (см.
рис. 5.3.).
2. Материалы и приспособления
1. Комплект из 3 разрезанных отливок, на образцах указаны температура заливки,
скорость вращения формы (об/мин) и объем отливки (см3).
2. Приспособления для измерения радиуса свободной поверхности.
3. Ход работы
1. На разрезанных образцах с помощью приспособления измеряют величины
внутренних радиусов в наивысшей точке и через каждые 10 мм. Результаты
измерений заносят в таблицу.
2. По полученным данным следует вычертить размеры поперечного сечения
отливки.
3. Рассчитать координаты свободной поверхности параболоида на максимальной и
наименьшей высоте, посередине высоты образца. Занести результаты на эскиз
поперечного сечения, полученного измерением.
4. Отчет по работе
1. Результаты измерений свободной поверхности в виде таблицы.
2. Внутренние расчеты радиусов в 9-ти точках по высоте образца.
3. Графическая зависимость радиуса по максимальной и средней высоте от
скорости вращения форм.
4. Выводы. Сопоставление результатов измерений и расчетов. Погрешность (%)
теоретического расчета.
5. Контрольные вопросы
1. Что называют центробежным литьем?
2. В чем заключаются преимущества центробежного литья?
3. Какие способы (схемы) центробежного литья применяются в литейном
производстве? Приведите примеры использования различных видов
центробежного литья.
4. Необходимо ли при отливке втулок или труб методом центробежного литья
использовать стержни?
5. Перечислите особенности центробежного литья.
6. Каковы отличия центробежного литья от литья в песчано-глинистые формы?
7. Какие очертания приобретает свободная поверхность отливки при
центробежном литье с вертикальной осью вращения формы?
8. Почему удаление газов и неметаллических включений из жидкого металла
происходит при центробежном литье лучше, полнее, чем при литье в песчаноглинистую форму?
9. Можно ли, зная размеры литейной формы, скорость ее вращения и количество
заливаемого в форму металла, рассчитать различие в толщине стенок отливки?
10. Как выразить угловую скорость вращения литейной формы?