2. Проектирование и расчет литниково-питающих систем

Литниково-питающая система (ЛПС) должна обеспечить (при минимальном расходе на нее металла) оптимальные условия заполнения формы и получение отливок без недоливов, усадочных и газовых раковин, трещин и других литейных дефектов. Для ЛВМ наиболее характерно изготовление мелких отливок блоками (несколько отливок, объединенных общей ЛПС).

Модель ЛПС является несущей конструкцией, обеспечивающей прочность модельного блока и сохранность моделей отливок на всех технологических операциях, предшествующих удалению моделей из оболочек форм.

Блок моделей должен быть компактным, что обеспечивает минимальный расход дорогостоящих модельных и формовочных материалов, а также металла, рациональное использование оборудования и оснастки, экономное ведение энергоемкого процесса ЛВМ облегчает комплексную механизацию производства. Блоки с некоторыми разновидностями стандартизованных конструкций ЛПС для мелких отливок приведены на рис. 2. В рассматриваемых примерах металлоподводящие элементы литниковой системы (стояки и коллекторы) одновременно выполняют роль прибыли, поэтому отливки к ним присоединяются наиболее массивными частями, а выбор конструкции блока и расчет размеров ЛПС проводят таким образом, чтобы обеспечить направленное затвердевание отливок от наиболее тонких частей к массивным.

При конструировании блока необходимо учитывать, что наряду с требованиями его компактности должны быть учтены и многие технологические требования — удобство сборки моделей припаиванием, отделения готовых отливок от литников и др. Так, расстояние h (см. рис. 2, а и б) от уровня металла в литниковой воронке до верхней части отливок первого яруса, характеризующее статический напор расплава в момент окончания заливки оболочки, обеспечивающий заполнение верхней части полости формы, должно быть не менее 60—70 мм для простых деталей с толщиной стенки 2—3 мм и более, а для тонкостенных стальных отливок — 110—120 мм.

Рис. 2. Блоки отливок с некоторыми стандартизованными разновидностями ЛПС: а - круглый стояк; б — вертикальные замкнутые парные коллекторы: в — вертикальные незамкнутые парные коллекторы: г — горизонтальные незамкнутые парные коллекторы

Расстояния а, b, b₁ соответственно между отдельными отливками в каждом ярусе и между ярусами должны быть таким, чтобы при формировании керамической оболочки обеспечивалась возможность нанесения равномерных по толщине слоев суспензии, обсыпки и сушки каждого из них. Кроме того, необходимо исключать неблагоприятное взаимное тепловое воздействие соседних отливок, удобство их отделения от ЛПС без повреждения. Обычно при изготовлении мелких отливок в четырех- и пятислойных оболочках минимальное расстояние a = 8— 10 мм; b = 10—15 мм. Желательно также предусматривать выполнение зумпфа (металлоприемника) в нижней части стояка с расстоянием от полусферического его окончания до ближайшего питателя h₁ = 30-40 мм.

Методика основана на выборе оптимальных соотношений приведенных толщин («модулей охлаждения») питаемого массивного узла отливки и питающих элементов ЛПС, при которых обеспечивается получение свободных от усадочных раковин и пор отливок вследствие направленности затвердевания — от отливки к питающим ее стояку или коллектору.

Последовательность расчета: определяют приведенную толщину Z питаемой массивной части отливки (при наличии нескольких питаемых узлов каждый из них рассчитывают отдельно); исходя из требований технологии выбирают длину l_п питателя (l_п = 4—10 мм); по параметрам Z, l_п и массе отливки м с помощью таблиц или расчетных формул определяют диаметр стояка Dст и приведенную толщину δ_п сечения питателя, равную отношению его площади к периметру.

Для случая, когда в выбранной конструкции ЛПС основным питающим элементом является коллектор (например ЛПС, показанные на рис. 2, б— г), приведенную толщину сечения коллектора δ_к находят в зависимости от приведенной толщины сечения стояка δ_ст, диаметр которого был определен ранее.

Эмпирически установленные зависимости между δ_к и δ_ст приведены в методиках расчета. Так, для ЛПС, представленных на рис. 2, б—а, эти зависимости рекомендуется принимать следующими: для первых двух конструкций δ_к = (0,8—0,9) δ_ст; для третьей — δ_к = (0,5—0,6) δ_ст. Так как коллекторы имеют прямоугольное сечение, расчет их размеров по δ_к проводят так же, как и для питателя, а один из размеров сечения коллектора выбирают с учетом размера присоединяемого к нему питателя.

Приведенный выше расчет выполняют с учетом m и Z одной отливки и принимают его для многоместных блоков. Однако аналитические и экспериментальные исследования показывают, что резерв питания рассмотренной ЛПС всегда несколько превышает потребность в нем максимального числа отливок, которые с учетом приведенных выше рекомендаций по конструированию можно разместить в блоках.

Для определения размеров ЛПС в случае изготовления равностенных отливок без массивных узлов определяют приведенную толщину всей отливки (Z), как отношение ее объема к площади поверхности.

С помощью ЛВМ можно получить стальные крупные отливки массой до 200—250 кг. В этих случаях применяют индивидуальные ЛПС с питанием массивных узлов через отдельные прибыли (рис. 3). В блоке отливка может питаться через прямую верхнюю открытую прибыль и отводную (боковую) бобышку с применением коллектора. Питание блока из четырех крупных лопаток может осуществляться через общий стояк и индивидуальные конические закрытые прибыли, снабженные в верхней части выпорами и конусными углублениями, предназначенными для создания в прибыли атмосферного давления.

Рис. 3. Примеры блоков отливок выполненных с применением местных прибылей - а — ЛПС с прямой открытой верхней прибылью и боковой питающей бобышкой: 1 — отливка; 2 — верхняя прибыль 3 — литниковая воронка; 4 — стояк; 5 — питающая бобышка; 6 - питающий коллектор; б — ЛПС с верхними прямыми закрытыми прибылями: 1 — отливки; 2 — прибыли; 3 — выпоры; 4 — литниковая воронка; 5 — стояк; в — ЛПС с металло-подводящей прибылью; 1 — литниковая воронка; 2 — полусферическая металло-подводящая прибыль; 3 — отливка

Размеры прибылей рассчитывают по минимальному запасу расплава в прибыли к концу затвердевания питаемого узла графическим методом (с помощью вписанных сфер или окружностей) и др.

Рассчитывают также и параметры литья, обеспечивающие заполняемость форм при изготовлении стальных отливок. Так, расчет удельной скорости заливки (кг/с) проводят по эмпирической формуле

Q_зал = К L_ст/ а_ст.

где К — коэффициент пропорциональности, равный: 0,05 при подводе металла сверху; 0,06 — сбоку; 0,08 — снизу; а_ст и L_ст - соответственно толщина и наибольшая протяженность стенки (или кромки) отливки.

Имеются эмпирические формулы и для определения минимального статического напора расплава, необходимого для заполнения стенок отливки определенной толщины, и площади течения наиболее тонкой части ЛПС. На конструкцию ЛПС и методы заливки часто оказывают значительное влияние не только конфигурация и размеры отливки, но и свойства заливаемых расплавов.