Специальное предложение

Методические вопросы проектирования литейной формы


12 Марта 2013

Литьё является наиболее экономичным и оперативным способом получения фасонных тонкостенных заготовок в первую очередь для изделий энергетического и химического машиностроения. При их изготовлении и механической обработке часто приходится исправлять некоторые литейные дефекты, которые вызываются и произвольно принимаемыми технологическими решениями.
Заполняя литейную форму, металл переходит из жидкого состояния в твёрдое, при этом в нём происходят сложные физико-химические превращения, влияющие на структуру металла и свойства отливки. Теория литья и металловедения объясняет эти превращения, но не определяет количественно связь между параметрами конструкции отливки и рассчитываемыми элементами литейной формы. Поэтому эффективность литейной технологии во многом зависит от опыта и квалификации заводских работников.
Компьютерные программы цифрового моделирования процессов формирования отливки не исключают «ручное» проектирование варианта литейной формы и применяются в особых случаях для оптимизации технологических решений.
Следует отметить, что успехи в разработке новых формовочных материалов, способов изготовления и исправления отливок понизили роль технологов-литейщиков. Применение самотвердеющих смесей и красок для форм, выплавляемых и выжигаемых моделей, вакуум-плёночной формовки в значительной степени уменьшили опасность образования многих литейных дефектов и в основном определяют эффективность производства. Похоже, что даже возникла путаница между литейной технологией и способом формообразования, что отрицательно отражается на квалификации и значении литейщиков в создании сложнейших промышленных изделий.
Всё это определяет необходимость в совершенствовании и унификации методики проектирования литейной формы с целью единообразного использования формализованных положений теории литья в заводской практике, повышения качества и экономичности производства отливок.

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЗАПОЛНЕНИЯ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ

Заполнение литейной формы жидким металлом рассматривают как гидравлический процесс, и предложены [1] соответствующие формулы расчёта размеров основных элементов литниковой системы. В этих формулах сложность конфигурации отливки, которая определяет гидравлическое сопротивление заполнению формы, учитывается эмпирическим коэффициентом µf, значение которого колеблется в широких пределах. Для подобных по конфигурации литых деталей разработаны номограммы и таблицы выбора типовых литниковых систем, и существуют десятки методик определения скорости ωg заполнения формы металлом в зависимости от веса отливки.
Шведский исследователь К. Форслунд предложил рассматривать условия заполнения формы в зависимости от распределения площади её горизонтальных сечений Fh по высоте отливки ho. Это позволяет выбирать требуемую скорость подъёма металла ωh на каждом уровне высоты формы в зависимости от особенностей конструкции отливки и регулировать весовую скорость заливки ωg, используя избыточное давление или центробежную силу. При обычном способе заливки форм из ковша с постоянным напором металла в стояке подобный подход к определению ωg требует особого рассмотрения.
Принципы расчёта литниковых систем при производстве компактных, массивных и полых тонкостенных отливок различаются. В первом случае нужно предупредить образование в отливках пригара, ужимин, песчаных засоров, усадочных раковин, во втором - применить меры против спаев, плён, газоусадочной пористости.
Параметры конструкции отливки, которые при этом нужно учитывать, включают:

  • распределение площади горизонтальных сечений Fh;
  • среднюю площадь F горизонтальных сечений;
  • наружную So и внутреннюю Si поверхности;
  • среднюю толщину стенки δ.

Представим полую отливку в виде трубы с такими же значениями F, So, Si, δ, ho. Скорость ωh должна обеспечить заполнение формы без образования в отливке спаев и плён. В то же время она ограничена опасностью турбулентного течения потока, вызывающего насыщение металла газами и неметаллические включения в теле отливки.
У стенки формы (рис. 1) ωh = 0 к оси потока она увеличивается, при этом площадь участка fc равна 2fs. Струи потока, перемещаясь как бы в «чехле» затвердевающего металла, передают тепло на поверхность формы протяжённостью ls. Выделим участок потока размерами δ × δ × δ.
В результате охлаждения металла за счёт конвекции, излучения, заноса обломков кристаллов, окислов, частиц песка в носке потока образуется зона торможения Т, количество теряемого здесь тепла равно:

Q1 = К1 × δ3 × gm × cm × (tm – tx)           (1)

где: gm - удельный вес, сm - теплоёмкость сплава, tm - температура заливки, tx - температура образования спая или плёны, К1 - коэффициент теплообмена в потоке металла.

Тепло, которое принимает форма от носка потока:

Q2 = К2 × 2δ × ls × λm × (tc - tf) × hol ωh              (2)

где: λm - теплопроводность металла, tf - температура формы, tc - температура солидуса сплава, К2 - коэффициент теплоотдачи.

Расчётную (1 - 2) величину ωh необходимо корректировать с учётом отношения F к наибольшей площади горизонтального сечения Fh реальной отливки. Условия возникновения турбулентного течения рассматриваются при наименьшей площади Fh. Определив требуемое значение ωh, находим ωg = ωh × Fh × 1/µf, где:

µf = 6γ2/ (So+ Si) (γ - ребро куба с весом отливки)            (3)

Чем меньше величина, тем более рассредоточенным должен быть подвод металла к отливке, которую следует располагать в форме так, чтобы обеспечить минимально возможный разброс Fh. Этому также способствует и заливка через обратный стояк переменного сечения [2].
При конструировании элементов литниковой системы (стояк, питатели) используются известные гидравлические расчёты течения металла.

АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ОТЛИВКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ В НЕЙ УСАДОЧНЫХ ДЕФЕКТОВ

Технологу конструкция литой детали представляется совокупностью термических узлов, образуемых различными по форме, размерам и назначению функциональными частями детали. Оценка теплового состояния этих узлов позволяет судить об образовании в них литейных дефектов. Предложено [3] оценивать интенсивность охлаждения узла его приведённой толщиной Ru - отношение объёма Vu к поверхности Su. Расчёт этого критерия требует пояснений и уточнений.
По форме различают L, Т, Y-образные узлы, термическая и силовая напряжённость в которых зависит от величины радиусов сопряжения r линий контура их сечения (рис. 2). Величину радиуса определяют как половину суммы толщин сопрягаемых стенок. Для этого предлагается использовать проверенную в заводской практике зависимость:

r = К3 × [b1 × (1 + b2 / b1)]1/2 / φ             (4)

где: К3 - коэффициент, учитывающий влияние усадки сплава, φ - величина угла сопряжения стенок в радианах, b1 < b2 - толщины сопрягаемых стенок.

Зависимость (4) применима при b2 / b1 < 2. При большем отношении на стенку меньшей толщины нужно назначить напуск (10-15°) и величину г рассчитывать при новом значении φ.
Тепловым ядром узла считают круг диаметром du, вписанный в контур его сечения. Соответственно, Ru = 0,75 du3 / Pu × duu - периметр контура сечения узла). По величине Ru судят о скорости и последовательности затвердевания термических узлов отливки и принимают решение об установке в литейной форме прибылей или холодильников с целью предупреждения усадочных раковин и пористости.
Пористость в тонких стенках отливок наблюдается почти всегда, важно предупреждать образование усадочных раковин в узлах, подлежащих механической обработке, где требуется высокая плотность и прочность металла. Для этого стремятся обеспечить направленное затвердевание узла к прибыли (рис. 3), которая компенсирует усадку в теле отливки.
На участке узла L1 = 0,24 du торцевая и боковая поверхности равны, и из уравнения теплового баланса можно найти время его затвердевания, а соответственно - скорость продвижения фронта кристаллизации:

ωk = 2K4 / R1 × λf / gm × cm × (tc - tf) / (tl - tc)               (5)

где: К4 - коэффициент теплопередачи (на участке L1 К4 = 1).

В реальных условиях ωk < ωh, затвердевание от боковой поверхности происходит одновременно с подъёмом уровня жидкого металла, что определяет вид и положение изотерм tc (1 - 4). Величина сок на каждом уровне уменьшается соответственно изменению коэффициента К4:

К4 = θi / θ0            (6)

где: θi - поверхность i-той изотермы, θ0 - поверхность узла до высоты i-той изотермы.

Такое упрощение допустимо, учитывая, что отвод тепла в основном зависит от величины λf, теплопроводность металла намного больше.
Суммарный вектор фронта затвердевания направлен по биссектрисе угла ψ каждой изотермы до уровня L2, здесь растущие от боковой поверхности кристаллы соединяются. С этого момента в центральной зоне узла возможно образование пористости. Её протяжённость и объём зависят от природной склонности сплавов к направленной или объёмной кристаллизации.
Формирование усадочной раковины определяется углом наклона линий изотерм α, который уменьшается в зависимости от отношения ωh / ωk.

Если принять, что раковина имеет вид конуса с углом 2α у вершины, то его высота определит зону питания узла Ls = (0,96Vs / tgα2)1/3, где объём усадочной раковины Vs = 0,008ео × du2 × Lu, (ео - процент усадки сплава).

Практика показывает, что в узлах стальных отливок протяжённостью Lu > 10 du и толщиной 40-100 мм зона питания составляет 2,5 - 3,5 du, что соответствует величине α = 6 - 80. При таком угле раскрытия раковины происходит её питание фильтрацией жидкого металла из закрытой прибыли с газовым патроном.

С учётом отношения Lu / Ls определяют количество прибылей по длине узла, а их размеры рассчитывают при условиях:

dp > K5 × du          (7)

hp > К6 × Ls          (8)

Vp > K7 × Rp / Ru × 100Vs / (100 - ео)          (9)

где: dp, hp, Vp - диаметр, высота и объём прибыли, Rp > Ru - приведённые толщины прибыли и узла, К5 - коэффициент, учитывающий отношение Lu / du, К6 - коэффициент, учитывающий положение узла, К7 - коэффициент, учитывающий тип прибыли.

Рассмотренные зависимости подтверждают существенное влияние скорости заливки на образование усадочных дефектов, что определяет технологические решения по обеспечению плотности металла отливок, работающих при высоком давлении жидкостей и газов.
У сплавов, склонных к объёмному затвердеванию, уже в самом начале продвижения фронта кристаллизации угол наклона изотерм близок 0, конус усадочной раковины не образуется в пределах протяжённости узла. В этом случае для получения плотной структуры нужно увеличить скорость отвода тепла (λf), и такие отливки получают с применением торцевых холодильников или металлических форм.
Рассмотренный графоаналитический метод проектирования позволяет единообразно использовать количественно определённые параметры конструкции литой детали для синтеза технологических решений, его можно разработать и предложить к применению как часть программы геометрического моделирования. При этом точность расчётов (1-9) «настраивается» коэффициентами К1 - К7, которые следует определять по единым методикам исследований и данным производства.

И.М. Шарапов, к.т.н.
Журнал «Станочный парк», №12 (78) 2010

Литература:

  1. Г.М. Дубицкий. Литниковые системы. М. Свердловск. 1962.
  2. И.М. Шарапов. Вертикально-щелевая литниковая система. А.с. № 1210957 от 16.02.1986.
  3. Н. Хворинов. Затвердевание отливок. М. ИЛ, 1955.

Возврат к списку

Задать вопрос