расчет литниковых систем стальных отливок

А. Э. Вирт, А. М. Лаврентьев
РАСЧЕТ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ
СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
0
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
А. Э. Вирт, А. М. Лаврентьев
РАСЧЕТ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ
СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
Учебное пособие
Волгоград
2012
1
УДК 621.746.4(075.8)
В 52
Рецензенты: главный конструктор ООО «Завод Ротор»
М. И. Шишляников; начальник бюро новой техники отдела главного конструктора ЗАО «Газпром-КРАН» г. Камышина К. В. Казарцев
Вирт, А. Э. РАСЧЕТ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ СТАЛЬНЫХ
ОТЛИВОК: учеб. пособие / А. Э. Вирт, А. М. Лаврентьев. –
Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2012. – 36 с.
ISBN 978-5-9948-0964-8
Излагаются краткая теория и методика расчета литниковых
систем стальных отливок.
Предназначается для студентов специальности 151001.65
«Технология машиностроения» высшего профессионального образования.
Ил. 8.
Табл. 9.
Библиогр.: 8 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
Волгоградский
государственный
технический
университет, 2012
ISBN 978-5-9948-0964-8
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Введение………………………………………….……..
2. Расчет литниковой системы…………………….……..
2.1. Время заполнения формы…………………….……
2.2. Расчет литниковой системы при заливке форм из
поворотных ковшей………………………………….……
2.3. Расчет литниковой системы при заливке форм из
стопорных ковшей………………………………….……..
3. Прибыли………………………………………….……..
3.1. Место расположения прибылей…………….……
4. Примеры расчетов литниковых систем……………….
4.1. Заливка из поворотного ковша.……………………
4.1.1. Задание……………….……….……………….
4.1.2. Расчет прибыли……………….………………
4.1.3. Расчет времени заполнения………………….
4.1.4. Расчет литниковой системы…….……………
4.2. Заливка из стопорного ковша………………………
4.2.1. Задание……………….………………………..
4.2.2. Расчет прибыли……………….………………
4.2.3. Расчет времени заполнения………………….
4.2.4. Расчет параметров стопорного ковша………
4.2.5. Расчет литниковой системы…………………
Список использованной литературы……………………
3
4
7
7
12
13
21
21
24
24
24
24
25
26
27
27
28
30
31
32
34
1. ВВЕДЕНИЕ
Сталь, особенно легированная, является с точки зрения литейной технологии сложным сплавом. Это обуславливается рядом
причин, таких, например, как низкая жидкотекучесть, повышенная
способность к окислению компонентов, термохимическое взаимодействие с формовочными материалами. Вследствие особенностей
затвердевания стали удаление газов и неметаллических включений
из затвердевающей отливки весьма затруднено. Повышенная усадка стали вызывает необходимость применения прибылей. В стальных отливках в процессе их затвердевания и охлаждения развиваются значительные внутренние напряжения, вызывающие коробление и образование трещин.
Поэтому конструирование и расчет литниковых систем стальных отливок является важнейшим этапом литейной технологии.
По мнению П. Н. Бидули [2], потери и производственный брак
стальных отливок по крайней мере на три четверти зависят от выбора конструкции и размеров элементов литниковой системы,
температуры металла и скорости разливки.
Основные требования к конструкции литниковых систем
стальных отливок могут быть сформулированы следующим образом:
1. Подвод металла к полости формы должен осуществляться с
высокой скоростью, но плавно в те места, разогрев которых усилит
эффект направленного затвердевания отливки.
2. Направление движения потока жидкой стали в полости литейной формы должно быть односторонним, обеспечивающим вынос в прибыль газов и неметаллических включений, например, тангенциальный подвод.
3. Литниковые системы не должны тормозить усадку отливок,
вызывая тем самым повышение внутренних напряжений.
4. Конструкция литниковых систем должна обеспечивать заливку формы через заполненный канал.
5. Расход металла и его охлаждение в каналах литниковой системы должны быть минимальными.
В соответствии с этими требованиями практикой выработаны
и применяются несколько типовых схем конструкции литниковых
систем (рис. 1).
4
а)
б)
г)
в)
д)
Рис. 1. Способы подвода металла в формы
Подвод металла сбоку по разъему формы с частичным (минимальным) свободным падением струи применяют для мелких и
средних отливок (рис. 1, а, б), а также для отливок из стали
110Г1ЭЛ. Для средних невысоких отливок используется сифонный
подвод (рис. 1, в). Эти схемы наиболее широко распространены в
стальном литье. В некоторых случаях (отливки большой протяженности) указанные схемы применяют с реверсом, т. е. с частичным (на 15–30°) или полным (на 90° или 180°) поворотом формы в
вертикальной плоскости после заливки. При этом массивное сечение отливки и прибыль занимают верхнее положение, что улучшает питание отливки. Такой метод применяют при индиви-дуальном
и мелкосерийном литье [1–3].
Подвод металла сверху (рис. 1, г) с частичным или полным падением струи используют соответственно для мелких, средних и
крупных отливок типа полых цилиндров. Для крупных отливок,
5
формуемых в почве или в стержнях, применяют многоярусные системы (рис. 1, д), которые обеспечивают подачу первых порций металла сифоном, а последующих под затопленный уровень, причем
последние порции горячего металла подаются в прибыль через специальный литниковый канал (I), либо доливаются в неѐ непосредственно из ковша. При устройстве многоярусных литниковых систем
рационально, помимо основного, так называемого прямого стояка
(II) применяют ещѐ распределительный – обратный стояк (III).
Кроме этих схем, иногда используют вертикально-щелевые
литниковые системы, имеющие промежуточное значение между
одно- и многоярусными системами [4].
6
2. РАСЧЕТ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
Расчет литниковой системы после выбора ее конструкции сводится к определению оптимальной продолжительности заливки
формы и площади поперечного сечения всех элементов системы.
При заливке стали из стопорного ковша определяют диаметр отверстия в стаканчике и уровень металла в ковше, наиболее соответствующие оптимальным условиям заливки.
Длину каждого литникового канала принимают конструктивно, т. е. без расчета, исходя из размещения литниковой системы в
габаритах формы. При этом необходимо руководствоваться требованиями, перечисленными в данном пособии.
Расчеты производят либо по номограммам, диаграммам и таблицам [5, 6], либо аналитически. Первый способ дает более точные
результаты для определенных типов отливок в условиях какого-то
конкретного предприятия. Аналитический метод также может использовать полуэмпирические зависимости, полученные для каких-то определенных условий. Например, метод Новокриматорского металлургического завода [5] дает хорошие результаты для
крупных отливок. Изменения условий приводят к значительным
отклонениям расчетных и фактически используемых параметров.
Поэтому в данном пособии использован наиболее универсальный аналитический метод, основанный на применении законов
гидродинамики с минимальным привлечением эмпирических зависимостей.
2.1. Время заполнения формы
Время заполнения формы зависит от литейно-технологических свойств стали, температуры заливки, теплоаккумулирующей способности материала формы, размеров и особенности конструкции отливки. Законы неразрывности струи не позволяют
учесть все эти параметры и поэтому теоретически полученная зависимость определяет время заполнения формы весьма приближенно.
Чаще всего используют формулу Г. М. Дубицкого, К. А. Соболева [1]:
S3
G,
7
(1)
где – время заполнения, с; S – эмпирический коэффициент;
– преобладающая толщина стенки отливки, мм; G – металлоемкость отливки, кг.
Значение эмпирического коэффициента S, учитывающего литейно-технологические параметры заливки, можно принять по
данным Г. М. Дубицкого [1, 6] из табл. 1.
Таблица 1
Опытные величины коэффициента S для стальных отливок
Подвод металла
Сифоном или в
толстостенные части
отливок
Сбоку или ступенчато
Сверху или равномерно
в тонкостенные части
отливки
Нормальная температура
заливки и
жидкотекучесть
Повышенная
температура заливки и
жидкотекучесть
1,3
1,4–1,5
1,4
1,5–1,6
1,5–1,6
1,6–1,8
Для правильного использования таблицы 1 необходимо определить температуру заливки и жидкотекучесть стали. Для сравнения жидкотекучести различных сталей при одинаковом нагреве
над температурой ликвидус используют коэффициент Кж, представляющий собой частное от деления показателей жидкотекучести данного и эталонного сплавов. Эталоном является сталь 30Л, т.
e. ее Кж = 1. Ниже (табл. 2) приведены значения Кж некоторых сталей при перегреве их над температурой ликвидус около 100 °С [9].
Здесь же указаны температура ликвидус (tл) и величина интервала
затвердевания ( t).
Из табл. 2 видно, что наилучшей жидкотекучестью обладают
углеродистые стали. Легированные стали имеют в 1,5–2,0 раза
меньшую жидкотекучесть. Исключением являются стали с высоким содержанием меди и никеля (20ДХЛ, 20ХГСНДМЛ).
При изготовлении отливок из углеродистой и низколегированной стали достаточно иметь перегрев в 30–60 °С. Наибольший
перегрев принимают при изготовлении тонкостенных отливок и в
случаях, когда по техническим условиям приемки отливок, независимо от толщины их стенок, предъявляются повышенные требования по допустимой неровности поверхности [2].
8
Таблица 2
Литейные свойства сталей
Сталь
Кж
t л, С
t, C
Углеродистые
стали
С – 0,03% 0,8
1535
С – 0,07% 0,8
1535
20Л
0,8
1530
45
25Л
1,0
1525
50
35Л
1,0
1520
65
50Л
1,0
1490
70
Низколегированные конструкционные
стали
27ГЛ
40ХЛ
10Х2ГМЛ
35ХМЛ
35ХГСЛ
20ХМЛ
0,5
0,6
0,7
0,6
0,6
0,8
1500
1490
1480
1505
1510
1515
Сталь
35НГМЛ
10ГН2ФЛ
20ДХЛ
20ХГСНДМЛ
12ДХН1МФЛ
15ДГН2ФЛ
Кж
0,5
0,6
0,8
0,8
0,6
0,6
t л, С
1496
1500
1500
1485
1510
1500
t, C
45
35
60
45
45
30
Высоколегированные стали и сплавы
20Х1ЭЛ
5Х14НДЛ
5Х18Н11БЛ
10Х17НЭСЛ
110Г1ЭЛ
Ж612
ЖС6
40
30
70
50
45
40
0,6
0,6
0,5
0,5
0,6
0,6
0,6
1475
1475
1465
1470
1390
1370
1375
65
35
45
20
30
35
80
Металлоемкость отливки определяют как сумму масс отливки,
литников и прибылей, если они заполняются через общую с отливкой литниковую систему. В этом случае удобно пользоваться
следующим выражением:
Gu
(2)
G GO GЛ GП
100,
где GO, GЛ, GП – соответственно массы отливки, литников и
прибылей, кг; – технологический выход годного (ТВГ), %.
Таблица 3
Ориентировочный технологический выход годного для отливок
из углеродистых и низколегированных сталей
Тип отливок
Мелкие
отливки:
ответственные
особо ответственные
Масса
отливок,
кг
Преобладаю- Технологический выход годного, %
щая толщина
Прибыли
Прибыли закрытые
стенок, мм
открытые
полушаровые
До 100
До 20
20–50
Св. 50
54–62
53–60
52–58
59–67
58–65
57–63
До 100
До 20
20–50
Св. 50
52–58
51–57
50–56
57–63
56–62
55–61
9
Окончание табл. 3
Тип отливок
Средние
отливки:
ответственные
Масса
отливок,
кг
Преобладаю- Технологический выход годного, %
щая толщина
Прибыли
Прибыли закрытые
стенок, мм
открытые
полушаровые
100–500
До 30
30–60
Св. 60
56–64
54–62
52–60
61–69
59–67
57–65
100–500
До 30
30–60
Св.60
54–62
53–60
50–58
59–67
58–65
55–68
Крупные
отливки:
500–5000
ответственные
До 50
50–100
Св. 100
57–65
55–63
53–61
62–70
60–68
58–66
особо
ответственные 500–5000
До 50
50–100
Св. 100
55–63
53–61
51–59
60-68
56-66
56-64
Очень крупные
отливки:
ответственные
Свыше
5000
До 50
50–100
Св. 100
58–66
55–63
54–62
62–70
59–67
58–66
Свыше
5000
До 50
50–100
Св. 100
57–65
55–63
53–61
61–69
59–67
57–65
Зубчатые
колеса
До 100
l00–500
Св. 500
-
54–8
55–59
55–60
58–62
59–63
Зубчатые
венцы
До 1000
-
54–60
59–63
Св.1000
-
58–62
61–65
Св.1000
-
61–67
-
особо
ответственные
особо
ответственные
Цилиндры,
плунжеры с
механически
обрабатываемыми наружными и внутренними поверхностями
Значения ТВГ приведены в табл. 3 по данным [3]. Верхние
значения интервалов ТВГ принимают для отливок с меньшими
массой и толщиной стенок.
10
Примечание. В таблице учтен расход металла на литники: 6 % для отливок
массой до 500 кг и 3 % для отливок массой более 500 кг.
Если прибыли заполняются через отдельный литниковый канал либо сверху после заполнения отливки, тогда металлоемкость
отливки подсчитывается как сумма масс отливки и литниковой
системы:
G = GО + GЛ.
(3)
Значения GЛ приведены в табл. 4 по данным [3].
Таблица 4
Масса литниковой системы без прибылей
GO, кг
GЛ, кг
10
10–100
0,2 GO 0,10–0,15 G
100–1000
1000–5000
5000–10000
Свыше
10000
0,08 GO
0,05 GO
0,05 GO
0,04 GO
После определения времени заполнения необходимо проверить линейную скорость подъема уровня металла в форме:
V
Q
,
(4)
где – время заполнения отливки с прибылью, c; Q – высота отливки с прибылью, заполняемой из общей литниковой системы, мм.
Скорость подъема должна соответствовать величинам [3, 5, 7]
приведенным в табл. 5.
Таблица 5
Скорость подъема уровня металла в форме
Толщина стенки, мм
мм/с не
менее
До 10
10–40
40–70
Св. 70
Формовка
по-сырому
20–16
16–12
12–10
8
Формовка
по-сухому
12–10
10–8
8
6
Примечание: для отливок из стали 110Г13Л, а также при суммарном содержании в стали Cr, Mo и W от 1,8 до 2,5 % значения V увеличивают в 1,25 раза.
При содержании в стали Cr более 10 %, Ni более 8 % или Al более 2 % значения
V увеличивают в 1,8–2,0 раза.
При получении скорости подъема меньше допустимой необходимо уменьшить длительность заливки, вычисленной по формуле (1), и в дальнейших расчетах использовать именно эту скорректированную длительность заливки.
11
2.2. Расчет литниковой системы при заливке форм из
поворотных ковшей
Заливка форм мелких и средних отливок на конвейерных и автоматических линиях, т. е. при серийном и массовом производстве
осуществляется из поворотных ковшей емкостью от 100 до 800 кг.
В этом случае расход стали из ковша регулируется углом его
наклона. Лимитирующим звеном замкнутой или сужающейся системы ковш–литниковые каналы–полость формы являются питатели, имеющие наименьшее сечение. Для определения суммарной
площади сечения питателей удобно использовать формулу Б.
Ованна [1, 8]:
Fпит
G 1000
,
(5)
2 g Hp
где G – металлоемкость отливки, кг;
– коэффициент расхода литниковой системы; – плотность жидкой стали, 6,9–7,0 г/см3;
g – ускорение свободного падения, 980 см/с2; Hp – расчетный
напор металла, см.
Подставив известные значения, можно упростить формулу (5):
3,2 G
G
.
(6)
Fпит
H p 0,31
Hp
Коэффициент расхода
принимается по табл. 6 с учетом
способа формовки и сопротивления формы движению потока
жидкого металла [5, 7].
Таблица 6
Значение коэффициента расхода литниковых систем
Формовка
по-сухому
по-сырому
Прибыли
Открытые
Закрытые
Открытые
Закрытые
Сопротивление формы
большое
среднее
малое
0,35
0,43
0,55
0,30
0,38
0,50
0,30
0,37
0,47
0,25
0,32
0,42
Примечание: большое сопротивление оказывают разветвленные литниковые системы большой протяженности, когда общее число поворотов потока под
углом 900 и более составляет не менее четырех (ярусные и сложные сифонные
системы). Малое сопротивление оказывают короткие системы, у которых число
поворотов не превышает двух (верхние системы).
12
Рис. 2. К расчету напора Hp
Расчетный напор металла определяется из соотношения [1; 5]:
p2 ,
(7)
Hp H
2 C
где H – первоначальный напор, см; p – расстояние от самой
верхней точки отливки до уровня подвода, см; C – высота отливки по положению при заливке, см.
При заливке сверху p 0 и Нр = Н, при заливке сифоном Р =
С и Hp H C .
2
Определение площади поперечного сечения литникового хода
Fл.х. и стояка Fc производится из соотношения [1, 5]:
Fпит : Fл. х. : Fc
1 : 1,2 : 1,4.
(8)
Если стояк является общим для нескольких отливок, то
Fпит в выражении (8) равна сумме питателей всех отливок.
Если в форме размещены различные по весу отливки с общим
стояком, то сечения питателей для каждой отливки рассчитывают
по формуле (5), а затем при определении площади сечения стояка
по выражению (8) их значения суммируют.
2.3. Расчет литниковой системы при заливке
форм из стопорных ковшей
Заливка форм крупных и средних отливок, а в условиях единичного и мелкосерийного производства даже мелких форм, про13
изводится из стопорных ковшей, емкость которых колеблется в
весьма широких пределах от 1 т до 90 т и более.
В этих случаях чаще всего применяют расширяющиеся литниковые системы. Расход металла в системе ковш–литниковые каналы–полость формы определяется напором металла в ковше и диаметром отверстия стакана. Преобразуя формулу Б. Ованна (5) для
лимитирующего сечения, получим:
2 gH cp
Gф
u Fo
(9)
0,276 Fo H k ,
1000
где
– весовая скорость истечения металла из ковша, кг/с;
Gф – металлоемкость формы, т. е. масса отливок, литников и прибылей, заполняемых через общую литниковую систему, кг;
– время
заполнения, с; u – коэффициент расхода ковша равный, для ци-
линдрических отверстий – 0,89; Fo – площадь сечения отверстия в
3
стакане, см2;
– плотность жидкой стали, 7 г/см ; H k – уровень
металла в ковше, см.
Металлоемкость формы Gф можно определить по формулам
(2, 3), а время заполнения – по формуле (1), уточнив его затем по
формуле (4). Зная Gф и , легко найти значение заданной весовой
скорости . Таким образом, в выражении (9) два неизвестных: площадь сечения отверстия стакана Fo и ферростатический напор жидкой стали в ковше Hk. Решение одного уравнения возможно только
при одном неизвестном. Следовательно, для решения уравнения
(9) необходимо задаться либо значением Fo, либо значением Hk.
Значение Fo можно принять по нормальному ряду, приведенному в табл. 7. Значения ферростатического напора в полном ковше и среднего диаметра ковша для ковшей стандартной емкости
приведены в табл. 8.
Таблица 7
Параметры отверстия стакана
Диаметр отверстия
стакана, мм
Площадь поперечного
сечения отверстия, см2
0
Fo
30
35
40
45
50
55
60
70
7,07 9,62 12,57 15,9 19,63 23,76 28,27 38,48
14
Таблица 8
Параметры стандартных стопорных ковшей
Емкость ковша, т
4
6
10
16
20
40
50
60
Максимальный
уровень металла, см
122
125
132
160
165
200
230
298
Средний внутренний
диаметр, см
84,1
105,5
127,9
149,2
164,2
204,5
219
264,9
При выборе параметров ковша необходимо учитывать, что в
процессе заполнения форм уровень металла в нем понижается
(рис. 3), т. е. заданной весовой скорости истечения металла через
полностью открытое отверстие стакана будет соответствовать
только какое-то одно значение ферростатического напора в ковше.
Чтобы поддержать заданную весовую скорость истечения металла,
разливку обычно начинают при большем уровне металла в ковше,
но при этом отверстие в стакане частично перекрывают стопором,
т. е. тормозят струю металла. Заканчивают выполнение форм при
уровне металла в ковше, который обеспечивает заданную весовую
скорость без торможения струи.
Таким образом, для решения уравнения (9) необходимо знать
либо площадь поперечного сечения отверстия стакана, либо конечный уровень металла в ковше.
Рис. 3. Схема изменения напора в ковше в процессе разливки металла
15
Рассмотрим случай, когда принят диаметр отверстия стакана
(по табл. 7).
Из выражения (9) найдем уровень металла в ковше в конце заливки:
2
2
.
(10)
0,276 Fo
Fo2
Изменение уровня металла в ковше в период разливки найдем
из выражения [2]:
4 1000
Gф
Gф
,
(11)
H
182
2
Д ср2
n
Д ср
Hk
13,13
где H – изменение уровня металла в ковше за период разливки, см; – плотность жидкой стали, 7 г / см3;
Gф – суммарная металлоемкость всех форм, заливаемых с заданной весовой
скоростью, кг; Д ср – средний внутренний диаметр ковша, см.
Средний диаметр ковша принимается по табл. 8 с учетом металлоемкости выполняемых форм.
Зная Нк и Н, найдем начальный уровень металла в ковше:
Н н = Н Нк .
(12)
Проверка правильности выбора параметров ковша производится в два этапа. Вначале сравнивают значение начального уровня с
максимальным уровнем металла для ковша выбранной емкости по
табл. 8. Если последний меньше расчетного внесения Н к , то необходимо увеличить емкость ковша, а расчет повторить, начиная с
формулы (11). Если максимальный уровень металла в ковше
больше или равен расчетному начальному уровню, то переходят
ко второму этапу проверки. Для этого определяют весовую скорость истечения без торможения при начальном уровне металла в
ковше ( Н н ) :
Wy
0,276 FO
Hн ,
(13)
где W y – начальная весовая скорость истечения без торможения, кг / с; FO – площадь поперечного сечения отверстия стакана, принятая в начале расчета по табл. 7, см2 .
Допустимые соотношения между начальной и заданной по
уравнению (9) весовыми скоростями можно представить в виде
16
неравенства:
Wн
W
,
(14)
p
где
и
р – коэффициенты торможения струи и размыва
стакана в процессе разливки.
Значения коэффициента торможения принимаются из условия
разливки сформированной струѐй без разбрызгивания. При заливке 1–2 форм средней металлоемкости или одной металлоемкой
формы допускается значение
=1,5. При большем количестве
форм ограничиваются меньшими значениями [3].
Значение коэффициента размыва для шамотных стаканов
при разливке углеродистых и низколегированных сталей из ковшей емкостью до 16 т принимается равным
1,15, а для разливки из ковшей 30 т и более равным
1,25 . При разливке стали марки 110Г13Л р 1,3 . При разливке через магнезитовые стаканы во всех случаях р 1,0 [3].
Если при проверке выяснилось, что неравенство (14) не выполняется, тогда необходимо либо увеличить емкость ковша, либо
принять больший диаметр отверстия стакана, повторив весь расчет, начиная с формулы (10).
Рассмотрим случай решения уравнения (9), когда емкость и
уровень металла в ковше известны. Требуется определить диаметр
отверстия стакана.
Как правило, известен не конечный, а начальный уровень металла в ковше. Часто его принимают равным максимальному
уровню металла для ковша данной емкости (см. табл. 8).
Зная рассчитанную по уравнению (9) заданную весовую скорость из неравенства (14), необходимо определить приближенное
значение скорости истечения металла:
Wm
,
W
(15)
p
а затем приближенное значение площади поперечного сечения отверстия стакана:
F0
Wн
0,276 H н
17
3,62
Wн
Hн
.
(16)
Приближенные значения сечения отверстия корректируются
по нормальному ряду (табл. 7), причем принимается большее или
равное ему значение.
Проверка правильности расчета состоит в определении возможности разливки необходимого количества металла с заданной
весовой скоростью. Для этого по уравнениям (11) и (12) находят
величину понижения уровня металла в ковше в процессе разливки
и конечный уровень металла в ковше. Затем по уравнению, аналогично (9), находят конечную весовую скорость и сравнивают еѐ с
заданной:
Wk 0,276 F0 H к ,
W Wk ,
(17)
где Wk – скорость истечения металла в конце разливки, кг/с;
F0 – скорректированное значение площади поперечного сечения
отверстия стакана, см2; W – заданная весовая скорость истечения, кг/с, равная частному от делении металлоемкости формы на
время ее заполнения (см. формулу (9)). Если неравенство (17) не
выполняется, следовательно, заданное количество металла (форм)
залить из данного ковша с заданной весовой скоростью нельзя.
Поэтому нужно либо сократить количество форм, либо увеличить
ѐмкость принятого ковша.
Правильный выбор емкости ковша и площади (диаметра) поперечного сечения отверстия стакана значительно облегчается с
помощью табл. 9, в которой приведены значения весовой скорости
истечения металла при различных параметрах ковша.
Определив тем или другим способом начальный и конечный
уровень металла в ковше, а также площади поперечного сечения
(диаметр) отверстия стакана, переходим к определению сечения
других элементов литниковой системы: стояка, литникового хода
и питателей.
Поперечное сечение всех каналов в форме должно удовлетворять для расширяющихся литниковых систем следующему неравенству:
Fc Fлx
Fн < Fлх ,
(18)
где Fc , Fлx, Fн – поперечное сечение стояка, литникового
хода и всех питателей, см.2
18
Для литниковых систем крупных отливок при использовании
стандартных огнеупорных изделий допускается равенство:
Fc = F лx = Fн .
(19)
Площадь поперечного сечения питателей для всех отливок в
форме определяют из сопоставления двух формул [1, 2]:
Hн
Fн = F0 k H н ;
Fн = F0 k
,
(20)
H
H
где F0 – площадь сечения отверстия стакана, принятая по
нормальному ряду, см2; к – коэффициент расхода ковша, равен
0,89;
– коэффициент расхода литниковой системы, принимаемый по табл. 6; Н н , Н k – начальный и конечный напоры металла в
ковше при наливке одной формы, см; Н к определяется по уравне-
Gф подставляется металлоемниям (10) и (12), только вместо
/
п
кость одной формы; Н, Н – начальный и конечный напоры в литниковой системе, см.
Таблица 9
Скорость истечения металла из стопорных ковшей
Емкость
ковша, т
1
4
6
10
Уровень
металла в
ковше, см
20
40
50
60
71*
80
100
110
120
128*
125
130
132*
140
150
Скорость истечения металла, кг/с, через стаканы
диаметром, мм
30
8,7
12,3
13,8
15,1
16,4
17,3
19,5
20,5
21,9
21,6
21,8
22,2
22,4
23,1
23,9
35
11,8
16,8
18,8
20,60
22,4
23,5
26,5
27,9
29,1
29,3
29,7
30,8
30,5
31,2
32,5
40
45
50
55
60
15,5
21,9
24,5
26,9
29,2
31,0
34,7
36,4
38,0
38,3
86,8
39,5
39,9
41,0
42,5
19,6
27,8
31,0
84,0
37,0
39,2
43,9
46,0
46,1
48,5
49,1
60,0
80,4
51,9
53,8
24,2
34,3
38,3
42,0
45,7
48,5
54,2
56,8
59,3
69,9
60,6
61,8
62,3
64,1
66,4
29,3
41,5
46,4
50,6
55,3
58,4
65,5
68,8
71,8
72,5
73,3
74,8
75,3
77,6
80,8
34,9
49,4
55,2
60,4
65,8
89,8
78,0
81,8
85,4
86,2
87,2
89,0
89,7
92,3
95,6
19
70
47,5
67,2
75,1
82,3
89,5
99,00
106,2
111,4
116,3
117,4
118,8
121,1
122,0
125,7
2304
Окончание табл. 9
Емкость
ковша, т
16
20
1
,
40
50
90
Уровень
металла в
ковше, см
160
165*
170
180
190
200*
210
220
230*
240
260
280
298*
Скорость истечения металла, кг/с, через стаканы
диаметром, мм
30
35
40
45
50
55
60
70
24,8
25,1
-
33,6
34,1
-
43,9
44,6
45,2
46,6
47,8
49,0
-
55,5
56,4
87,2
68,9
60,6
62,1
63,6
65,1
66,6
-
68,6
69,6
70,6
72,7
74,7
76,6
78,8
80,1
82,2
83,8
87,4
96,7
93,5
82,9
84,3
85,5
88,0
90,4
92,7
96,0
97,2
99,8
101,5
105,4
4109,7
113,2
98,7
100,3
101,8
104,7
107,5
110,4
113,1
115,7
118,4
120,9
125,8
130,6
134,7
184,9
136,7
138,5
142,5
146,4
150,2
153,9
157,5
161,1
164,5
171,2
175,7
183,2
Примечание: * – максимальный уровень налива металла в ковше данной емкости.
Значения H/ и Hп без учета потерь напора на удар струи о дно
стояка определяются из равенств (см. рис. 3):
Н/= Hн + h +H, Н//= Нк+ h + H – P,
(21)
где Нк и Нн – конечный и начальный напор металла в ковше
при заполнении одной формы, см; h – зазор между дном ковша и
верхним обрезом воронки, см. Обычно h = 15–20 см; Н – высота
стояка с воронкой или чашей, см; P – высота отливки от уровня
подвода металла, см.
Из двух значений
Fн, определѐнных по формуле (20), принимают наибольшее, иначе стояк и воронки будут переполняться.
Поперечное сечение стояка принимают из следующих соотношений:
– при компактной литниковой системе и числе питателей до
четырѐх: Fн 1,2 1,5 Fc ;
– при разветвленной литниковой системе и числе питателей
более четырех: Fн 1,4 1,8 Fc .
Сечение литникового хода принимают конструктивно, но с
учетом неравенства (18).
20
3. ПРИБЫЛИ
Прибылями называют технологические приливы к отливкам,
которые затвердевают позднее стенок отливки. Прибыли выполняются в виде дополнительных полостей в форме, жидкий металл
из которых компенсирует объемную усадку питаемых узлов. Основная цель применения прибылей – получение отливок без усадочных раковин и пористости.
3.1. Место расположения прибылей
Места расположения прибылей предусматривают ориентировочно уже на первых этапах проектирования литейной технологии
– при выборе положения отливки в форме. При этом необходимо
учитывать следующие обстоятельства:
1. Усадочные раковины образуются в местах отливки и затвердевают последними (наиболее массивные части, местные
утолщения, узлы сочленения элементов отливки, а также места затрудненной теплоотдачи).
2. Усадочные раковины образуются в наиболее возвышенных
частях отливки.
3. Прибыли служат не только для сосредоточения усадочных
раковин, но и для сбора всплывающих неметаллических включений и ликвидационных выделений.
4. Открытые прибыли, расположенные на верхних частях отливки, выполняют роль выпоров.
5. Прибыли затрудняют усадку отливки. Они ещѐ более замедляют охлаждение питаемого узла, способствуют увеличению остаточных напряжений в отливке.
6. В подприбыльной зоне получает значительное развитие ликвация. Поэтому меры, направленные на сокращение тепловых узлов, и интенсификация их охлаждения снижают расход металла на
прибыли.
7. Расположение прибылей на необрабатываемых поверхностях отливки вызывает необходимость обработки или зачистки
этих мест.
Боковые закрытые прибыли верхнего питания (рис. 5, и, к, л)
применяют на отливках небольшой высоты. Расчет их ведется так
же, как прибылей прямого питания (рис. 4, а, г, д).
Открытая кольцевая прибыль (рис. 5, м), устанавливаемая на
отливках типа цилиндр, должна иметь шейку, размер которой равен 0,8-0,9 D. Значение D определяется из соотношения (22).
21
Расчет прибылей следует проверять по технологическому выходу годного (см. табл. 3).
L
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 4. Прибыли стальных отливок
22
а)
б)
г)
в)
д)
е)
Рис. 5. Прибыли стальных отливок
23
4. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ
4.1. Заливка из поворотного ковша
4.1.1. Задание
Рассчитать литниковую систему отливки типа опорная плита
(рис. 6). Масса отливки – 23 кг, число отливок в форме – 4 шт.,
формовка по-сырому, сталь марки 40ХЛ. Температуру заливки и
емкость ковша назначить самостоятельно.
Рис. 6. Опорная плита. Схема литниковой системы:
а – одной отливки; б – четырех отливок в форме
4.1.2. Расчет прибыли
Расчет литниковой системы начинаем с расчета прибыли.
От лотка, небольшая по массе, равнотелая, преобладающая
толщина стенки – 15 мм, представляет собой по конфигурации
простой металлоемкий узел. Поэтому выбираем закрытую полусферическую прибыль (рис. 4, д).
Диаметр сферы и верхнего сечения прибыли определяем по
формуле:
Д
0,45 Vж
24
,
(22)
здесь Vж – объѐм жидкого металла питаемого узла, дм; δ –
толщина стенки, дм.
Объем жидкого металла питаемого узла найдем, считая, что
прибыль питает все отливку:
Go
V
23 : 7 3,286 дм 3 .
ж
Здесь Go – масса отливки – 23 кг; – плотность жидкой стали – 7 кг/дм3; = 0,15 дм.
Итак, диаметр прибыли: Д 0,45 3,286 0,15 0,97 дм.
Принимаем Д = 1 дм = 10 см.
Высота прибыли (см. рис. 4, д) находится в пределах:
hп 1,25 2 Д , h 1,6 10 16 см.
Массу прибыли без учета конусности найдем из выражения:
GП
Vп
1000
4
Д 2 hц
Д
,
3 1000
где GП, Vп – масса и объем прибыли, кг, см3;
– плотность
стали, 7 г/см3; hц – высота цилиндрической части прибыли, см.
hп 1,25 2 Д , h 1,6 10 16 см.
Масса прибыли: G П
3,14
10 7
10 2 11
4
3 1000
7,9 кг.
По табл. 4 принимаем массу литниковой системы без прибыли, равную 0,15 Go, т. е.
G л 0,15 23 3,5 кг.
Металлоемкость отливки по уравнению (2) составит:
G G П G л GO 7,9 3,9 23 35,4 кг.
Технологический выход годного равен
Go
23
100 %
100 65 %,
G
35,4
что вполне допустимо, так как согласно табл. 3, для отливок
массой до 100 кг с толщиной стенки до 20 мм с закрытыми прибылями ТВГ находят в пределах 50–67 %.
4.1.3. Расчет времени заполнения
Время заполнения отливки найдем по формуле (1):
3
25
G.
Жидкотекучесть стали 40ХЛ значительно ниже, чем у эталонной стали З0Л (см. табл. 2). Для обеспечения нормальной жидкотекучести стали 40ХЛ назначаем повышенный перегрев, равный
100 °С, что соответствует температуре разливки 1590°. Разливка из
чайникового ковша емкостью 400 кг.
Подвод металла снизу сифоном. Учитывая нормальную жидкотекучесть и подвод металла сифоном, принимаем по табл. 1 значения коэффициента S = 1,3.
Толщина стенки = 15 мм, металлоемкость отливки G = 35,4 кг.
Тогда
1,33 15 35,4 10,5 c 11 с.
Высота отливки вместе с прибылью:
С = 45 + 160 = 205 мм.
Скорость подъема металла в форме:
0,05
мм
V
18,6
.
11
с
Минимально допустимая скорость подъема металла для данного
типа отливок, согласно табл. 5, находится в пределах 1,2–1,6 мм/с.
Следовательно, вычисленное по формуле (1) время заполнения
вполне подходит.
4.1.4. Расчет литниковой системы
Лимитирующим сечением сужающихся литниковых систем
является сечение питателей. Расчет сечения питателей производят
по формуле Б. Ованна (6):
3,2 G .
Fпит
Hp
Металлоемкость отливки G = 35,4 кг, время выполнения = 11 с.
Коэффициент расхода литниковой системы со средним сопротивлением (число поворотов потока равно трем) при формовке посырому с закрытой прибылью составляет, согласно табл. 6, = 0,32.
Расчетный напор при заливке сифоном равен (см. формулу (7)):
C,
Hp H
2
где H – высота опоки с воронкой, см; C – высота отливки с
прибылью, см.
26
Высота отливки с прибылью равна С = 205 мм. Высота опоки
должна быть не менее
hоп = 205 + 80 = 285 мм,
здесь 80 – допустимое расстояние от верха модели до верхней опоки, мм [7].
Принимаем опоку высотой 300 мм, тогда с учетом 5 см высоты металла в воронке первоначальный напор составит:
H = 30 + 5 = 35 см.
Тогда:
Hp = 35 – 20,5:2 = 24,75 см.
Сечение питателей одной отливки:
3,2 35,4
2
Fo
6,5 см .
11 0,32 24,75
Принимаем количество питателей на одну отливку равное
двум, тогда сечение одного питателя – 3,25 см2.
Общее сечение всех питателей в форме для четырех отливок
составляет:
2
Fп 6,5 4 26 см .
Согласно соотношению (8), сечение общего стояка
2
Fc 1,4 Fп 1,4 26 36,4 см ,
а сечение литникового хода
Fпит 1,2
Fп
1,2 26 31,2 см .
2
Но от каждой ветви литникового хода питаются только две
отливки (рис. 6, б), поэтому сечение каждой ветви литникового
хода равно половине расчетной величины.
2
Fл.х. 31,2 : 2 16,6 см .
Окончательно имеем:
2
2
2
Fc 36,4 см ; Fл.х. 16,6 см ; Fп 3,25 см .
4.2. Заливка из стопорного ковша
4.2.1. Задание
Рассчитать литниковую систему для отливки типа крышки
(рис. 7). Масса отливки – 364 кг, число отливок в форме – одна, формовка по-сырому, сталь марки 35Л, температура заливки – 1570 °C.
Параметры ковша назначить самостоятельно.
27
4.2.2. Расчет прибыли
Для обеспечения плотности фланца крышки устанавливаем на
ней прибыли открытые эллиптические (см. рис. 4, б, в).
Диаметр вписанной в питаемый узел окружности равен толщине фланца, т. е. Т = 60 мм.
Ширина основания прибыли в этом случае составляет:
В = (1,6-2,5)T. Принимая значение коэффициента равное 2,0,
получим:
B = 2,0 · 60 = 120 мм.
Высота прибыли, согласно табл. 10, составляет:
hпр = (1,2 1,6)B.
Принимая значение коэффициента равное 1,6, получим:
hпр = 1,6 ·120 = 192 мм.
Рис. 7. Крышка
28
Нормальная высота опоки равна 200 мм [7]. Поэтому принимаем высоту прибыли hпр = 200 мм. Принимаем относительную
длину прибылей, равную 30 % протяженности питаемого узла.
Длина питаемого узла для нашей отливки равна длине средней
окружности:
Д м аг Д м гн
L
Gф
,
2
1200 800
L 3,14
3140 мм.
2
Тогда длина прибылей равна:
lпр 3140 0,3 942 мм.
Количество прибылей определяем по формуле:
L
31,4
п
2,21 .
(23)
8 12 T lпр 8 0,6 9,42
Принимаем к установке 3 прибыли. Длина основания одной
прибыли равна
l
lпр : 3 942 : 3 314 315 мм.
Размеры прибыли с учетом конусности приведены на рис. 8.
Рис. 8. Прибыль
Объем прибыли подсчитываем по формуле обелиска со скругленными углами:
Vпр
hпр
6
l b Lпр B
l
29
Lпр b B
0,86hпр R 2 ,
где hпр – высота прибыли, см; l, Lпр – длины низа и верха, см;
b, B – ширина низа и верха, см; R – радиус скругления, см.
Подставив параметры прибыли в выражение, нейдем объем
прибыли:
Vпр
20
31,5 12 36,5 17
6
31,5 36,6 12 17
0,86 20 8,5 2 9777,4 см 3 .
Масса прибыли:
Gп
9777,4 7
1000
68,4 кг.
Итак, масса одной прибыли – 68,4 кг, масса трех прибылей
205,2 кг.
Принимаем по табл. 4 массу литниковой системы без прибылей, равную 8 % от веса отливки:
Gл = 364 · 0,08 = 29,1 кг.
Металлоемкость отливки (см. уравнение (2)), равна:
G = 364 + 205,2 + 29,1 = 598,3 кг.
Технологический выход годного составляет
364
100 % 61 %,
598,3
что вполне допустимо. Согласно табл. 3, ТВГ средних отливок
с открытыми прибылями при толщине стенки 30…60 мм находится в пределах 54…62 %.
4.2.3. Расчет времени заполнения
Время заполнения найдем по формуле (1):
S3 G .
Перегрев стали 35Л при разливке составляет, согласно табл. 2,
нормальную величину, равную 50 °С. Следовательно, жидкотекучесть
и температура заливки нормальные. С учетом этого и подвода металла
сверху принимаем по табл. 1 значение коэффициента S = 1,55.
Толщина стенки = (30 + 60):2 = 45 мм.
Металлоемкость отливки G = 598,3 кг.
Время заполнения:
1,553 45 598,3 46,45 46,5 с.
Высота отливки вместе с прибылями равна (рис. 7):
C = 400 + 30 + 200 = 630 мм.
30
Скорость подъема металла в форме по уравнению (4) составляет:
630
мм .
V
13,6
46,5
с
Минимально допустимая скорость подъема металла в форме
данного типа, согласно табл. 5, составляет 10–12 мм/с. Поэтому
принимаем расчетное время заполнения, равное 46,5 с.
4.2.4. Расчет параметров стопорного ковша
Определим заданную весовую скорость истечения металла из
ковша по уравнению (9):
Gср 598,3
12,9 кг .
с
46,5
Здесь металлоемкость формы равна металлоемкости отливки.
Проведем выбор параметров ковша по первому варианту, когда
принимается диаметр отверстия стакана ковша. Из табл. 9 видно,
что заданная скорость истечения без торможения обеспечивается
только из стаканов с диаметром отверстия 35 и 30 мм. Принимаем
диаметр отверстия do = 30 мм, тогда по табл. 7 площадь сечения
отверстия Fo = 7,07 см2.
По уравнению (10) найдем минимальный уровень металла в
ковше, при котором возможно сохранение заданной скорости:
2
12,92
H k 15,13 2 13,13
43,7 см.
Fo
7,07 2
Изменение уровня металла в ковше во время разливки найдем
из выражения (11):
H
182
Gср
.
Д ср2
Суммарная металлоемкость форм в данном случае равна металлоемкости отливки G = 598,3 кг. Средний диаметр ковша зависит от его емкости. Принимаем ковш емкостью 4 т со средним
внутренним диаметром (табл. 8) Дср = 84,1 см.
Тогда
598,3
H 182
10,9 см.
84,1
Начальный уровень металла в ковше определим из уравнения
(12):
Hн
H H k 43,7 10,9 54,6 см.
31
Весовая скорость истечения металла без торможения при начальном уровне в ковше, равном 54,6 см, согласно уравнению (13):
Wy 0,276 Fo H н 0,276 7,07 54,6 14,3 кг с.
При разливке через магнезитовый стакан, когда коэффициент
размыва p = 1, соотношение между начальной и весовой скоростью истечения, согласно неравенству (14), может быть записано в
таком виде:
Wн
1,5 .
T
W
Проверим это условие:
Wн
W
14,3
12,9
1,16 1,5.
Таким образом, параметры ковша и стаканчика выбраны правильно, заполнение формы крышки можно производить из ковша
емкостью 4 т с уровня металла в нем 55 см. через стакан, диаметр отверстия которого – 30 мм.
Проверку можно упростить, используя данные табл. 9. В этом
случае нет необходимости в вычислении начальной скорости истечения. Из табл. 9 видно, что при Hн = 60 см, Wн 15,1 кг .
с
Wн 15,1
Тогда:
1,17 1,5 .
W 12,9
Следовательно, разливка с уровня Hн = 54,6 см вполне допустима.
4.2.5. Расчет литниковой системы
Суммарную площадь поперечного сечения питателей найдем
из выражения (20):
Hн
Hн
.
Fн Fo k
;
Fн Fo k
H
H
Площадь сечения стакана Fo = 7,07 см2.
Коэффициент расхода ковша к = 0,89.
Коэффициент расхода литниковой системы при малом сопротивлении формы, формовке по-сырому и открытых прибылях, согласно табл. 6, составляет = 0,47.
Начальный уровень металла в ковше Hн = 54,6 см,
32
конечный уровень – Hк = 43,7 см.
Начальный напор в литниковой системе найдем из выражения
(21):
H` = Hн + h + H.
Величину зазора между днищем ковша и верхним обрезом воронки принимаем равной 20 см, т. е. h = 20 см.
Высота стояка с воронкой равна:
H = 20 см,
тогда
Н`= 54,6 + 20 + 20 = 94,6 см.
Конечный напор в литниковой системе найдем из выражения
(21):
H``= Hн + h + H - P.
Высота отливки в форме от уровня подвода металла в данном
случае равна высоте опоки (см. рис. 7), т. е. Р = 20 см.
Тогда
H``= 43,7 + 20 + 20 – 20 = 63,7 см.
Сечение питателей:
2
0,89 54,6
Fп 7,07
10,2 см ;
0,47 94,6
Fп
7,07
0,89 47,7
0,47 63,7
Принимаем наибольшее значение
2
11,1 см .
Fп
11,1 см .
2
Сечение одного питателя Fп= 11,1 см2:2 = 5,55 см2.
Сечение стояка для компактной литниковой системы найдем
из соотношения:
Fc
Fп
1,2 1,5
11,1
9,2 см2.
1,2
Сечение литникового хода принимаем конструктивно равным
10 см2. Итак, неравенство (18) для нашего случая выполняется:
Fo < Fc < Fл.х .< Fп = 7,07 < 9,2 < 10 < 11,1.
33
Список использованной литературы
1. Афонькин, М. Г. Производство заготовок в машиностроении / М. Г.
Афонькин, М. В. Магницкая. – М.: Машиностроение, 1987. – 256 с.
2. Бидуля, П. Н. Технология стальных отливок: учеб. пособие для металлург.
и машиностр. вузов и фак. / П. Н. Бидуля. – М.: Металлургиздат, 1961. – 352 с.
3. Анисимов, И. Ф. Проектирование литых деталей / И. Ф. Анисимов, Б. Н.
Благов. – М.: Машиностроение, 1967. – 272 с.
4. Озеров, В. А. Основы литейного производства / В. А. Озеров, А. С. Муркина, М. Н. Сосненко. – М.: ВШ, 1987. – 303 с.
5 Могилев, В. К. Справочник литейщика / В. К. Могилев, О. И. Лев. – М.:
Машиностроение. 1988. – 272 с.
6. Справочник технолога-машиностроителя / Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К.
Мещерякова. В 2-х т. – М.: Машиностроение, 1986.
7. Балабанов, А. Н. Технологичность конструкций машин / А. Н. Балабанов.
– М.: Машиностроение, 1987. – 336 с.
8. Попов, М. Е. Методы получения заготовок деталей машин: текст лекций /
М. Е. Попов. – Ростов н/Д.: РИСХМ, 1978. – 59 с.
34
Для заметок
35
Андрей Эдуардович Вирт
Александр Михайлович Лаврентьев
РАСЧЕТ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
Учебное пособие
Редактор Пчелинцева М. А.
Компьютерная верстка Сарафановой Н. М.
Темплан 2012 г., поз. № 3К.
Подписано в печать 25. 10. 2012 г. Формат 60×84 1/16.
Бумага листовая. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 2,09. Уч.-изд. л. 1,96.
Тираж 100 экз. Заказ №
Волгоградский государственный технический университет
400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1.
Отпечатано в КТИ
403874, г. Камышин, ул. Ленина, 5