2. Расчет оптимальной продолжительности заполнения формы и скорости подъема уровня металла в форме

При выборе оптимальной продолжительности заполнения формы нужно учитывать уровень металла в месте подвода сплава. При подводе снизу при прочих равных условиях продолжительность заливки должна быть меньше, чем при подводе сверху, так как при этом нужно обеспе­чить достаточно высокую температуру сплава в прибыль. При подводе в тонкие части большая продолжительность заливки будет способствовать меньшим внутренним напряжениям в отливке.

Аналитическое определение τ_min и τ_max в настоящее время затруд­нительно. Поэтому в практике расчетов широко используются эмпириче­ские зависимости. Наиболее широко известна формула Г.М. Дубицкого:

,

где τ_опт – оптимальное время заполнения формы, с; S₁ – коэффициент продолжительности заливки, зависящий от температуры отливки, рода сплава, места подвода, материала формы и т.д. (значения коэффициента S₁ для ряда сплавов приведены в справочниках), выбираем значение коэффициента S = 1,5; δ – преобладающая толщина стенки отливки, м; G – масса жидкого металла, приходящегося на одну отливку в форме, кг.

Под преобладающей толщиной стенки понимается толщина стен­ки, наиболее удаленной от питателей и находящейся в наиболее небла­гоприятных для заливки условиях. При этом δ не всегда совпадает с гео­метрической толщиной стенки.

Масса заливаемого в форму сплава:

G_ж = N ∙ G_отл + G_приб + G_л.с = 1 ∙ 40 + 8 + 2 = 50 кг,

где N – количество отливок в форме, шт; G_отл – черновая масса отливки, кг; G_приб, G_л.с – масса прибылей и литниковой системы (принимается 25–30 % и 4–10 %, соответственно, от G_отл); кг.

= 14,67 с.

3. Расчет элементов литниковых систем

Расчет литниковых систем сводится к определению площади наи­меньшего сечения и остальных элементов.

Для чугунных и стальных отливок применяют замкнутые (сужаю­щиеся) системы, т.е. узким местом является питатель. Питатели являются узким местом и для большинства медных сплавов, кроме тех, которые склонны к вспениванию - окислению (алюминиевые бронзы и латуни).

При литье легких сплавов применяют расширяющиеся и замкнутые сис­темы. Узким местом в этом случае является сечение стояка внизу или шлакоуловитель.

Таблица 2 Минимально допустимые значения средней скорости Толщина стенки, мм	V, мм/с
	чугун	сталь
1,5 – 4,0 4,0 – 10,0 10 – 40 Более 40	100 – 300 30 – 20 20 – 10 10 – 8	- 20 20 – 10 8 – 10

Для расчета размеров сечения узкого места предложено множест­во формул, таблиц, номограмм, которые корректируют применительно к конкретным отливкам. В расчетах учитывают тип ковша для разливки сплавов (поворотный, стопорный), способ подвода расплава (на одном или нескольких уровнях) и другие факторы.

Рассчитывают площади узкого места по формуле (рис. 2)

где μ - коэффициент расхода литниковой системы; р - плотность сплава, кг/м³; g = 9,8 м/с²; H_р = h_ст - р₂ / 2h_отл, где р - расстояние от уровня под­вода металла до верхней точки полости формы, м; h_ст = р + 1/2h_от - при боковой системе; h_ст- 1/2 h_отл - при верхней; h_ст = 1/2 h_отл - при нижней.

Значения H_р, р, h_ст выбирают в зависимости от типа литниковой системы (рис. 2).

Коэффициент расхода литниковой системы ц определяют суммой потерь напора П:

В литниковых системах встречаются следующие сопротивления, и соответственно, потери напора:

1. Повороты каналов (П_пов):

Угол поворота, град 30 60 90 120

П_пов 0.2 0.55 1,1 1.4

Чаще всего встречаются повороты меньше чем на 90°.

Рис. 2. Расчет литниковой системы: а - боковой подвод металла: б - верхний подвод металла: в - нижний подвод металла

2. Резкие изменения сечений (П_сеч):

Соотношение площадей сечений 0,2 0,4 0,6 0.8 1.0

П_сеч 0,42 0.34 0.25 0.15 0

Чаще всего соотношение сечений составляет ≈ 0,8.

2. Вход из широкой полости в узкий канал П_к (из чаши к стояку); как правило, П_к = 0,5.

3. Сопротивление в виде сетки (П_с), обычно П_с = 5.

4. Потери на трение П_тр = 0,04∑(L/D),

где 0,04∑(L/D) - средний коэффициент потерь на трение (0,04) на сумму отношений длин к диаметрам всех элементов литниковой системы. Значение коэффициента ц выбирают из таблиц 3, 4.

Таблица 3

Значения коэффициента ц для чугунных и стальных отливок

Сплав, заливка	Сопротивление формы
	Большое	Среднее	малое
Чугун: в сырую всухую	0,35 0,41	0,42 0,48	0,30 0,70
Сталь: в сырую в сухую	0,25 0,30	0,32 0,38	0,42 0,50

Таблица 4

Значение коэффициентов μ для отливок из цветных сплавов

Сплав, расчетное сечение узкого места	Заливка	Значение
Алюминиевые: стояка вверху стояка внизу питатели	В подогретые кокили -»- В песочные формы и подогретые кокили	0,75 ± 0,1 0,64 ± 0,1 0,55 ± 0,1
Магниевые: стояка вверху стояка внизу шлакоуловителя питателей	- - - -	0,8 ± 0,1 0,7 ± 0,1 0,6 ± 0,1 0,55 ± 0,1
Медные: стояка вверху стояка внизу питателей	- - -	0,4 ± 0,1 0,35 ± 0,1 0,3 ± 0,1

После расчета площади узкого места литниковой системы (для чугунов и стали - питателей) площади сечений остальных элементов выби­рают из определенных соотношений:

для чугунных отливок:

для стальных отливок:

для алюминиевых и магниевых отливок:

для медных отливок:

Из площади сечения стояка в нижней его части F_ст находят диа­метр:

Конусность стояка зависит от его высоты (табл. 5).

Таблица 5

Значение конусности стояка (D - d)

Высота стояка, мм	D – d, мм	Высота стояка, мм	D – d, мм
100 200 300 400 500 600 700 800	2 3 4 4 5 6 7 8	900 100 1200 1400 1600 1800 2000	9 10 12 14 16 18 20

Внизу под стояком нужно устраивать зумпф - углубление, умень­шающее опасность разрушения формы в этом месте. Для отливок из магниевых и алюминиевых сплавов применяют цилиндрические изогну­тые змеевидные стояки.

В практике шлакоуловители чаще всего применяют трапециевид­ные. Сечение шлакоуловителя по его длине при замкнутой системе ос­тавляют постоянным. После прохождения последнего питателя шлако­уловитель несколько продолжают, чтобы образовать тупик, в котором будут скапливаться металлические включения. Рекомендуемые соот­ношения размеров сечения шлакоуловителя и питателей приведены на рис. 3.

Большое значение имеет и количество питателей. Только неболь­шие компактные отливки могут заполняться через один питатель. Чем меньше толщина стенки отливки, тем больше должно быть количество питателей, иначе в форме может наблюдаться незаполнение отдельных участков.

В крупных отливках при перепускании большого количества ме­талла через один литник, когда вытекающая струя ударяет в противопо­ложную стенку формы, наблюдается дефект «ужимины». Такой дефект наблюдается и на больших горизонтальных поверхностях. Форма при длительном заполнении ее металлом (один литник) нагревается излуче­нием с поверхности металла, корочки смеси отслаиваются и под них за­текает металл.

Следовательно, количество металла, проходящего через 1 литник, должно быть ограничено.

Рис. 3. Рекомендуемые размеры (а) и форма сечения (б) шлакоуловителя и питателя

Количество питателей зависит от массы и средней толщины стен­ки отливки (табл.6). При расчете на равный объем эти данные могут быть использованы в отливках из цветных сплавов.

Таблица 6 Количество питателей для чугунных отливок Масса отливки, кг	Преобладающая толщина стенок, мм
	3 – 5	5 – 8	8 – 12	12 - 20
3 – 5 5 – 15 25 – 50 50 – 100 100 – 200 200 – 400 400 – 700	2 - - - - - -	2 3 3 5 – 7 7 – 9 7 – 9 9 - 10	1 2 – 3 2 – 3 5 – 6 7 – 8 8 – 9 8 – 9	1 2 – 3 2 – 3 3 – 4 4 – 6 6 – 7 6 – 7

Элементы сечения питателей и шлакоуловителя определяются от­носительно выбранного произвольного размера а (рис. 3, а).

Для удаления и более спокойного заполнения формы применяют литейные чаши (рис. 4, а). Однако при использовании чаши значитель­но снижается выход годного. Поэтому для небольших отливок желатель­но использовать литниковые воронки (рис. 4, б). Их следует применять для массового расхода сплава до 4,5 кг/с.

Рис. 4. Литейные чаша (а) и воронки (б)

При пересчете на равный объем данные размеры чаши (табл. 7) можно использовать для отливок из цветных металлов.

Таблица 7 Размеры литейных чаш Расход чугуна, кг/с	Емкость чаши, кг	L	M	H	R	R1	R2	R3
1,3 – 2 2 – 2,5 2,6 – 3 3 – 4 4 – 5 5 – 7 7 – 11 11 – 13 13 – 17 17 – 21 21 – 27 27 – 35	2 3 4 5 6 9 13 19 28 37 52 70	105 110 120 130 140 160 180 20 220 240 260 300	35 40 40 45 50 60 70 80 90 95 100 110	60 65 70 80 90 100 110 130 150 170 200 200	20 20 20 25 25 30 35 40 45 45 60 60	25 25 25 30 30 35 40 45 50 50 65 65	35 35 35 40 40 45 50 60 70 75 85 95	30 30 30 35 35 40 45 55 65 70 80 90

Масса сплава в чаше, кг, равна

где m - коэффициент металлоемкости литейной чаши. Выбирают его в зависимости от массы отливки:

С_отл, кг До 100 100-500 500-1000 1000-2000

m 3 4 6 8

Внизу под стояком нужно устраивать зумпф – углубление, уменьшающее опасность разрушения формы в этом месте. Для отливок из магниевых и алюминиевых сплавов применяют цилиндрические изогну­тые змеевидные стояки.

В практике шлакоуловители чаще всего применяют трапециевидные. Сечение шлакоуловителя по его длине при замкнутой системе оставляют постоянным. После прохождения последнего питателя шлакоуловитель несколько продолжают, чтобы образовать тупик, в котором будут скапливаться металлические включения.

Большое значение имеет и количество питателей. Только неболь­шие компактные отливки могут заполняться через один питатель. Чем меньше толщина стенки отливки, тем больше должно быть количество питателей, иначе в форме может наблюдаться незаполнение отдельных участков.

В крупных отливках при перепускании большого количества металла через один литник, когда вытекающая струя ударяет в противоположную стенку формы, наблюдается дефект «ужимины». Такой дефект наблюдается и на больших горизонтальных поверхностях. Форма при длительном заполнении ее металлом (один литник) нагревается излучением с поверхности металла, корочки смеси отслаиваются и под них затекает металл. Следовательно количество металла походящего через 1 литник должно быть ограничено.

Литейные чаши применяют для обеспечения шлакоудаления и более спокойного заполнения формы. Однако при использовании чаши значительно снижается выход годного. Поэтому для небольших отливок желательно использовать литейные воронки. Их следует применять для массового расхода сплава 4,5 кг/с.