Расчет элементов литниковой системы

Задача литниковой системы для легкоокисляющихся сплавов заключается в обеспечении такой скорости течения расплава (V_ф) в  полости формы, которая:

1. должна быть больше минимальной скорости, при которой еще не наблюдается тепловых дефектов (недоливы, неслитины, спош), т. е.:

V_ф ≥ V_фmin;

2. должна быть меньше максимальной скорости, при которой характер потока соответствует допустимой степени турбулентности, т. е.:

V_ф ≤ V_фmax.

На V_фmin оказывают влияние теплофизические (температура заливки сплава, его удельная теплоемкость, температура и материал формы) и гидравлические (конфигурация, высота и толщина стенок отливки) факторы.

На V_фmax оказывают влияние гидродинамические условия заливки, которые рассматривались в § 4.1.

Н. М. Галдин предлагает производить расчет площадей различных элементов литниковой системы исходя из  скорости течения металла в полости формы. Величина этой скорости для заданного сплава и температуры заливки должна обеспечить как заполняемость формы, так и условия спокойного течения металла в ней. При этом расчетная скорость (см/с) потока в форме V_ф не должна превышать максимального значения, определенного из допустимого значения числа Рейнольдса:

V_фmax = V_ф =       (4.4),

где R_еф — максимально допустимое число Рейнольдса для полости формы; V — кинематическая вязкость расплава; R_ф — гидравлический радиус полости формы, равный отношению площади поперечного сечения потока (F_ф) к смоченному периметру (P_ф).

Значения числа Рейнольдса для полости формы, определенных  опытным путем, меняется в широких пределах в зависимости от сложности отливки, поэтому допустимая скорость и допустимый расход металла через полость формы тоже меняются в широких пределах:

V_фmax =       (4.5),

Q_ф = V_фmax · F_ф =  = КR_ф (4.6).

Полученная таким образом величина максимально допустимого расхода (Q_ф) по условию неразрывности потока должна быть равна расходу расплава через стояк (Q_c), который определяется по формуле:

Q_c = Q_ф = F_c · V_c (4.7),

где F_c — площадь поперечного сечения стояка в нижнем основании; V_c — скорость потока в стояке в начальный момент заливки, определяемая по известной зависимости:

V_c = μ (4.8),

где μ — коэффициент расхода; Н — металлостатический напор, равный сумме высоты стояка и высоты металла в чаше.

Площади поперечных сечений коллектора (F_к) и питателей (F_п) определяют из принятого соотношения:

F_c:F_к:F_п.

Определение размеров литниковой системы по этой методике связано с некоторыми затруднениями. В частности, допустимые значения критерия Рейнольдса меняются в зависимости от типа отливки в широких пределах и определялись применительно к алюминиевым сплавам. Кроме того, возникают трудности при определении коэффициента. Кроме того, часто трудно определить значение коэффициента расхода расчетом из-за отсутствия коэффициентов сопротивлений. Экспериментальные значения коэффициентов расхода — ограничены.

В связи с этим расчет размеров элементов литниковой системы для литья магниевых сплавов основывается в большей степени на производственном опыте.

Основными расчетными элементами литниковых систем являются размеры стояков, коллекторов, горизонтальных питателей, вертикальных колодцев и вертикальных щелей.

Расчет проводится в следующей последовательности:

1. Определяется суммарная площадь сечения стояков по номограмме (рис. 4.6), для пользования которой необходимы следующие данные:

- высота отливки без верхних прибылей (шкала I);

- толщина стенки отливки (шкала II) с припуском на механическую обработку;

- масса отливки (так же, как при определении типа литниковой системы, шкала III).

На шкале I, II, III находят точки «а», «б», «в». Через точки «а» на шкале I и «в» на шкале III проводят прямую линию до пересечения со шкалой IV (вспомогательная шкала) и получают точку «г». Соединяют прямой линией точки «б» на шкале II и точки «г» на шкале IV и продолжают линию до пересечения со шкалой V. Точка «д» на этой шкале соответствует суммарной площади сечения стояков.

Анализ этой номограммы показывает, что суммарная площадь сечения стояков прямо пропорциональна массе отливки и обратно пропорциональна высоте и толщине стенки отливки, т. е.:

Σt_ст = К (4.9),

где Q — масса отливки, кг; Н — высота отливки, мм; b — толщина отливки, мм; К — коэффициент.

Рис. 4.6. Номограмма для определения суммарной площади сечения стояков при литье сплава Мл 5 в песчаные формы.

2. Выбор конфигурации стояков и определение их количества. Проводится в зависимости от максимального металлостатического напора, который равен высоте от нижней части коллектора до уровня сплава в литниковой чаше. Он может определяться, как сумма высоты отливки в форме, высоты верхних прибылей, приблизительно равных высоте отливки, умноженной на коэффициент: 1 — для отливок высотой до 150 мм, 0,5 — для отливок высотой от 150 до 300 мм и 0,3 — для отливок высотой от 300 до 700 мм; высоты металла в чаше, равной 150-200 мм.

Для расширяющихся литниковых систем, для которых площадь сечения элементов последовательно увеличивается по направлению от стояка к коллектору и питателям при соотношении площадей 1:2:4, большая часть гидравлических  сопротивлений (около 90%) сосредоточена в стояке. В связи с этим при увеличении гидростатического напора для снижении скорости металла в стояке требуется усложнение его конструкции.

Применяют 3 типа стояков: круглые, прямоугольные и змееобразные; последние выполняются в стержнях (рис. 4.1 и 4.2).

Для мелкого литья при напорах до 350 мм применяются круглые стояки, для среднего и крупного литья при напорах от 350 до 500 мм — пластинчатые, и для крупного литья при максимальном гидростатическом напоре применяются змееобразные стояки с различным количеством витков. Чем больше гидростатический напор, тем с большим количеством витков применяются стояки (от 3 для напора 500 мм до 6,5 для напора 120 мм).

Линейные размеры одного круглого, плоского и змееобразного стояка приводятся в справочной литературе в виде таблиц. Делением суммарной площади сечения стояков на площадь одного стояка определяют их количество (количество стояков, объединенных одной литниковой чашей, не должно превышать 8).

3. Площадь поперечного сечения коллектора при течении сплава в одну сторону берется кратной 2 суммарным площадям поперечного сечения стояков,  при течении в 2 стороны от стояка площадь поперечного сечения коллектора берется равной поперечному сечению стояков. Число ветвей коллектора определяется на основании принятого метода заливки и возможного подвода питателей. Течение расплава в 2 стороны от стояка предпочтительнее, так как при этом обеспечивается более короткий путь до полости формы. Поперечное сечение коллектора представляет собой трапецию, у которой верхнее основание принимается равным 0,8 нижнего основания. Линейные размеры коллектора (размеры оснований и высоты трапеции) выбираются по таблицам в зависимости от площади поперечного сечения его. При изменении площади поперечного сечения от 2 до 20 см² размеры меняются:

- нижнее основание трапеции — от 14 до 43 мм;

- высота трапеции — от 17 до 52 мм.

На концах коллектора устанавливаются шлаковыпоры.

4. Суммарная площадь поперечного сечения питателей выбирается равной 4 площадям суммарного поперечного сечения стояков. Питатели следует располагать равномерно по периметру отливки, стремясь к тому, чтобы площади поперечных сечений питателей, присоединенных к разным ветвям коллектора, были одинаковы.

Расстояние от коллектора до отливки (длина питателя должна составлять 25-60 мм, толщина питателя — 4-8 мм, ширина — 25-60 мм).

Определение размеров вертикально-щелевой литниковой системы заключается в определении размеров вертикальных колодцев и вертикальных щелей и их количества. Для определения их размеров необходимо по чертежу отливки определить:

1. Смоченный периметр. Тогда суммарная ширина вертикальных щелей определяется по формуле:

Σσ_щ = 0,012Р,

где Р — периметр сечения отливки.

2. Ширина одной щели составляет:

σ_щ = (1,4-1,5)σ_о,

где σ_о — толщина отливки.

3. Количество щелей соответствует количеству колодцев и находится из выражения:

n = .

4. Длина щели (расстояние от колодца до отливки):

l_щ = d_к > 4σ_щ,

где d_к — диаметр колодца.

5. Диаметр одного колодца:

d_к = (4-6)σ_щ.

Колодцы устанавливаются на горизонтальные питатели, суммарное поперечное сечение которых должно равняться 3 суммарным сечениям стояков. Вертикальные колодцы и вертикальные щели следует располагать равномерно по периметру отливки и доводить их до верха формы. Подводить щели следует в наиболее толстую часть отливки. Во избежание перегрева формы в местах подвода сплава через вертикальные щели устанавливают местные холодильники шириной 30-40 мм и толщиной 15-20 мм.