Расчет полых стояков (разновидностьЛПС типа III характеризующихся в ряде случаев высокой экономичность.При веденные толщины сечения полого стояка и питателя рассчитывают

Представляет интерес вертикальный коллектор типа полого стояка. Полый стояк, имея развитую поверхность, позволяет раз­местить в форме в 2—4 раза больше небольших отливок, чем сплош­ной. Благодаря ограниченному теплоотводу в сторону полости формы, он отличается высокой питающей способностью в период затвер­девания отливок

В ГОСТ 19561—74, ГОСТ 19563-74, ГОСТ 19565-74 приведены основные размеры следующих вертикальных коллекторов: верти-кальных кольцевых с внешним кольцом диаметром 100 —200-мм, парных незамкнутых и замкнутых, двухпарных. Сечения вертикальных коллекторов прямоугольные, высотой до 250 мм. .

В США при получении мелких отливок из сплавов на железной и никелевой основе находят применение <<барабанные>> ЛПС, явля ющиеся своеобразным вариантом полого стояка. Модель барабана выполнена в виде поворотного вокруг горизонтальной оси каркаса который обтягивают специальной бумагой, с заранее отмеченными на ней местами присоединения питателей. Барабан может быть легко повернут в удобное для модельщицы положение. Слои оболочковой формы наносят на блок при медленном вращении барабана, частично погруженного в суспензию. Благодаря жесткой конструкции каркаса на нем выполняют сразу два блока, расположенные на одной

pиc. 3.4. Литниково-питающая система Рис. 3.5.' Литниково-питающая система

типа IV (сифонный коллектор): типа V (боковая прибыль).

а-заливка через стояк-распределитель; Пример применения: боковая прибыль

б-заливка на машине литья под низким для корпуса арматуры

давлением

оси. После воздушной сушки каркас и бумагу извлекают. В обра­зовавшееся отверстие непосредственно перед заливкой с помощью пластичного огнеупора устанавливают цилиндрический оболочковый стержень с таким расчетом, чтобы кольцевой зазор между формой и стержнем мог вместить металл, необходимый для питания перифе­рийно расположенных отливок. Благодаря большому числу отли­вок, расположенных на поверхности барабана, достигается высокий выход годного.

Тип IV. Вертикальный коллектор, заполняемый снизу. Обычно такой коллектор имеет вид обратного стояка круглого сечения. Применяют его при литье постоянных магнитов из пленообразующих сплавов типа ЮНДК, в том числе в сборные формы [101] и при литье под низким давлением (рис. 3.4).

Тип V. Боковая прибыль. Эта прибыль имеет вид массивного вертикального тела, напоминающего стояк, но отличающегося от него существенно большим поперечным сечением; допускается при­менение коллекторов в виде местных утолщений. Боковую прибыль используют преимущественно при изготовлении крупных и протя­женных отливок, при вертикальной ориентации которых обеспечи­вается спокойное заполнение формы снизу вверх и сосредоточение в верхней части отливки наиболее горячих порций расплава. Боко­вая прибыль допускает применение модели с металлическим карка­сом, благодаря чему создаются условия для экономии модельных материалов и механизации технологических операций при изготов­лении оболочковых форм. На рис. 3.5 приведена характерная боко­вая прибыль, используемая при получении крупных и сложных тонкостенных отливок из сложнолегированных сталей.

Тип VI. Верхняя прибыль. Эта прибыль представляет собой мас­сивный резервуар металла над главным тепловым узлом отливки, получаемой в одноместной форме. При наличии в отливке вторичных

Рис. 3.6. Литниково-питающая система ти- Рис.3.7.Литниково-питающая система

па VI (верхняя прибыль). Примеры при- типа VII (местная прибыль над каждой менения: отливкой и коллектор):

о — ротор с бандажом; б — рабочее ко- й — четырехместная при центральнойлесо газотурбинного наддува дизеля;в — расположении стояка; б — заливка ло-гребной винт паток через вертикальный щелевой питатель

узлов их питают от этой же прибыли через дополнительные отводы и шейки. Металл в прибыль заливают из ковша или непосредственно из тигля печи. Сосредоточение наиболее горячего расплава в верхней части прибыли приводит к созданию в форме наиболее благоприят­ного для питания отливки градиента температур. Отличаясь вслед­ствие этого высокой питающей способностью, верхняя прибыль надежно обеспечивает получение плотного металла крупных высо-конагруженных литых деталей. При использовании модели верхней прибыли с металлическим каркасом создаются условия для меха­низации работ по изготовлению форм. ГОСТ 19566—74 регламен­тированы основные размеры верхних прибылей для отливок из углеродистых сталей и медных сплавов массой более 0,5 кг. Высоту прибылей принимают в пределах 65—120 мм, диаметр 36—90 мм. Прибыли рекомендованы для производства отливок, питание которых невозможно обеспечить через коллектор.

Примеры сложных отливок с верхней прибылью представлены на рис. 3.6. При изготовлении цельнолитого ротора диаметром 280 мм из жаропрочного сплава применение центральной конусной прибыли со сферическим верхом и рожковыми отводами к бандажу обеспечило 100 %-ный выход годных отливок по плотности и механическим свойствам. При отливке рабочего колеса из хромоникелевой стали диаметром 240 мм, массой 7 кг от верхней прибыли, имеющей вид перевернутой груши, питаются также образцы для механических испытаний [69]. Заливка пятилопастного гребного винта диаметром 710 мм массой 170 кг из антикавитационной стали 30Х10Г10 произ­водится через цилиндрическую прибыль из чайникового ковша.

Тип VII. Местная прибыль и коллектор. Or стояка с нижним горизонтальным коллектором осуществляется питание нижних узлов у вертикально ориентированных отливок и местных соединенных со стояком прибылей над верхним узлом каждой отливки (рис. 3.7).
Эта комбинированная ЛПС обладает следующими преимуществами: лроисходит спокойное заполнение формы снизу, что особенно важно при литье из пленообразующих сплавов, и обеспечивается подвод горячего расплава в прибыль к концу заливки. При.центральном расположении стояка создаются условия для размещения в форме
нескольких надежно питаемых отливок, в том числе массой более 1кг каждая, и облегчается применение моделей с металлическим каркасом.

В отдельных случаях хорошие результаты дает ЛПС типа VII в сочетании с подводом металла в тонкую кромку через вертикально-щелевой питатель. При таком подводе расплава (рис. 3.7, б) по сравнению с заливкой сифоном и сверху был обеспечен наивысший уровень плотности, прочности и пластичности металла в лопатках из жаропрочного сплава. Необходимо, однако, иметь в виду, что в случае применения сравнительно широких вертикально-щелевых питателей, подводимых к протяженной стенке, возможно поражение отливки поверхностными раковинами, особенно при литье из слож-нолегированных сталей и сплавов.

Тип VIII. Система местных прибылей. Каждая прибыль в ЛПС этого типа питает отдельный узел или участок протяженного узла сравнительно крупной отливки, преимущественно корпусного типа. Заливают ее обычно через стояк с литниковыми ходами. Система местных прибылей при развитой в пространстве отливке позволяет наиболее эффективно использовать ЛПС путем приближения при­былей непосредственно к питаемым ими участкам, а также достаточно полно учесть взаимное обогревающее влияние элементов отливки и ЛПС.

Примеры крупных отливок из коррозионно-стойкой стали, от­ливаемых с ЛПС типа VIII, представлены на рис. 3.8. Тройник мас сой около 10 кг, отливаемый вертикально; питание осуществляется от трех прибылей: основной на верхнем фланце и двух дополнитель­ных у нижних утолщений. Металл к прибылям подается от бокового стояка с горизонтальными ходами. Корпус массой 16 кг. Ббльшая часть протяженной стенки расположена вертикально. Питание осуществляется от верхней прибыли и двух массивных боковых при­былей прямоугольного сечения. Заливают металл через боковой стояк с распределительными литниковыми ходами. Корпусная де­таль, развитая по горизонтали и состоящая из массивного кольца диаметром 320 мм и кольцевой стенки толщиной 4,5 мм. При вер­тикальной ориентации тонкой стенки массивное кольцо расположено горизонтально; на нем установлены несколько местных прибылей, по которым металл распределяется от центрального стояка через наклонные коллекторы.

Холодильники и утеплители. Эффект направлен­ного затвердевания, создаваемый ЛПС, может быть усилен путем введения в форму холодильников со стороны недостаточно питаемых узлов отливки, утепления и обогрева прибылей. Эти средства при­меняют при ЛПС типов V, VI, VIII.

Можно применять холодильники из той же стали, из которой изготовляют отливки. Толщину холодильника принимают равной 0,8—1 ,2 толщины теплового узла отливки. Контактную поверхность холодильника для улучшения теплоотдачи выполняют шероховатой. Холодильники, изготовленные из стали с высокой теплопровод­ностью, оказывают заметное захолаживающее действие и через оболочковую форму.

Рис. 3.8. Литниково-питающая система типа VIII (система местных прибылей). Примеры применения:

а — тройник; б — корпус вентиля; в — кольцевой корпус

Утепление прибылей достигается путем уменьшения теплопро­водности формы, например путем применения воздушного зазора (см. рис. 3.10) или порообразующих добавок; после каждого по­гружения в суспензию на блок наносят короткие нити; затем нама­тывают нить в виде плотной сетки. После обжига нити выгорают с образованием пористости. Применяют также обычные термитные смеси, насыпаемые на зеркало залитого в форму расплава. Термит­ные смеси требуют осторожного применения, так как загрязняют металл в прибылях, идущих затем на переплавку.

3.2. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ

Усадочная раковина проявляется в виде концентрированной ра­ковины, осевой рыхлости у протяженных элементов отливок, выхо­дящего на поверхность глубокого свища в местах сочленения стенок, рассеянной пористости. Усадочная раковина снижает служебные свойства детали, особенно высоконагруженной или герметичной.

После выбора типа ЛПС, опираясь на принцип направленного затвердевания и закономерности процесса питания» можно обеспечить выведение усадочной раковины из тела отливки в прибыль.

Расчет последней должен быть выполнен с учетом замедленного за­твердевания металла в форме, зависящего при литье по выплавляемым моделям от ее начальной температуры.

На производстве применяют приближенные методы расчета при­былей; отливку совместно с ЛПС рассматривают при этом как состоя-щую из конечного числа конструктивных элементов; стенок, брусьев, компактных тел. Инженерная задача сводится к тому, чтобы, минуя исследование процесса образования усадочной раковины, прин­ципиально оценить последовательность затвердевания конструк­тивных элементов, расположить их в соответствии с принципом направленного затвердевания и, в конечном итоге, вывести уса­дочную раковину из отливки в прибыль. В этом направлении про­ведены исследования, в результате которых разработаны методы оценки относительной продолжительности затвердевания конструк­тивных элементов отливки; нормативы в виде эмпирических коэффи­циентов, применение которых обеспечивает необходимое замедление затвердевания в направлении от торцовых участков к прибыли. Ниже рассмотрены три наиболее известных при литье по вы­плавляемым моделям инженерных метода расчета прибылей. В ос­нове методов лежат две математические модели относительной про­должительности затвердевания конструктивных элементов: «при­веденных толщин» и «вписанных сфер», применимость которых при литье в однородные неметаллические формы, отличающиеся низким коэффициентом аккумуляции теплоты, в том числе нагретые, неод­нократно подтверждена экспериментальными исследованиями и практикой производства.

Метод приведенных толщин. Для оценки относительной продол­жительности

затвердевания различных по форме тел Н И. Хворинов ввел понятие приведенной, толщины R = V₀ /So, где V₀—объем охлаждаемой отливки; S₀ — поверхность ее охлаждения. Исполь­зуют также понятие приведенной толщины сечения R = F/P, где F—площадь сечения; Р —периметр. Отношение F/P допустимо брать в случаях протяженных элементов, например стояков; корот­ких элементов типа шеек прибылей и питателей, у которых отсут­ствует отдача теплоты с торцовых сторон.

Приведенная толщина (в литературе называют также «модулем охлаждения», или «отношением V₀/S₀») приравнивает, в первом приближении, отливку типа бруса или компактного тела по относи­тельной скорости охлаждения к плоской стенке соответствующей толщины. Разбивая сложную отливку и ЛПС на конструктивные элементы, которые так или иначе приближаются к пластине, брусу или компактному телу, и, пренебрегая взаимным обогревающим влиянием этих элементов в период затвердевания, с помощью метода приведенных толщин оценивают последовательность затвердевания элементов.

Для обеспечения направленного затвердевания необходимо со­блюсти условие непрерывного увеличения приведенной толщины от удаленных тонкостенных участков отливки к прибыли.

(3.1)

Где R_n-1, R_n , R_n+1, - приведенные толщины рассматриваемых участков cоответственно n-го, прилегающих к n- му со стороны более тонкой части отливки и со стороны прибыли.

Формулы для расчета приведенной толщины различных кон-структивных элементов даны в табл.3.3 Степень необходимого увеличения приведенной толщины установлена экспериментально. Ниже даны соответствующие расчеты в основу которых положены эмпири-ческие формулы.

Таблица 3.

Расчет ЛПС типов I—III, VII при изготовлении неболь­ших отливок. Применительно к литью по выплавляемым моделям метод разработан М. Л. Хенкиным на основе обширных эксперимен­тальных исследований с отливками из углеродистых сталей.

Сечение стояка определяют рациональным размещением отливок. Автор рекомендует брать стояки диаметром d_c ~ 26-:-65 мм (при меньшем — недостаточно прочны, при большем — образуют гро­моздкие и тяжелые блоки). При расчете стояка, учитывая незна­чительное влияние торцовых участков, в расчет принимают приве­денную толщину сечения R_c = F_с/P_C ,где F_c и Р_с — площадь, мм², и периметр, мм, нормального сечения стояка.

Питатель при этом рекомендуется рассчитывать по следующей эмпирической формуле, в которой первый множитель, стоящий после k, характеризует параметры отливки, второй — параметры

мм (3.2)

где Rпит = Fпит/Pпит —приведенная толщина сечения питателя, Fпит и Pпит — площадь, мм², и периметр, мм, его сечения; k — коэффициент пропорциональности; определяют эмпирически н при­ближенно принимают, k = 11; R_y = V_Y/S_y — приведенная толщина теплового узла отливки, мм; при наличии в отливке двух и более узлов R_y определяют отдельно для каждого узла; G₀ — масса от-

Рис3.9 К расчету элементов питания для ебольшой отливки

ливки, кг; lпит —длина питателя, мм; выбирают lпит = 4-:-8 мм, т. е. ми­нимально достаточной для отрезки отливок от литников.

При питании отливок от цилин­дрического коллектора, выполнен­ного в виде утолщения стояка, на­пример дискового оллектора, при­нимают приведенную толщину его

(3.3)

Высоту коллектора принимают равной его диаметру или не- сколько большей.

Для кольцевого коллектора

(3.4)

При ЛПС с коллекторами в виде прямоугольного, бруса приве­денную толщину сечения коллектора можно определить также по формуле

(3.5)

Дополнительные условия метода:

если размеры питателя, определенные по формуле (3.2), не укла­
дываются на тепловом узле отливки, то необходимо уменьшить их
до требуемых, а затем определить приведенную толщину стояка,
поменяв местами Rпит и R_c в формуле (3.2);

расстояние от верхнего уровня литниковой воронки до верхнего уровня отливки должно быть не менее 60 мм;

при изготовлении отливок из медных сплавов приведенные толщины для стояков и питателей могут быть уменьшены на 30—40 %.

Пример 1. Рассчитать ЛПС типа I (центральный стояк) для детали «ушко» из стали 35Л; масса отливки G₀= 0,185 кг (рис,. 3.9).

Тепловой узел отливки представляет собой цилиндр диаметром d_y = 18 мм и длиной l_у = 40 мм. Приведенная толщина его

R_y = V_y/S_y = [(π/4) d²_yl_y]/[πd_yl_y +2 (π/4) d² _y ]=

= [(1/4) 18²-40]/[18-40 +(1/2) 18²] = 3,7 мм.

Далее принимаем lпит — 8 мм, учитывая отрезку отливок дисковой фрезой, dс =35 мм, исходя из рационального размещения деталей. Тогда

Rс = Fс/Pc = [(π/4) d² _с ]/ (d_c) = [(1/4) 35²]/35 =8,7 мм

Теперь по формуле (3.2) находим

'Приняв прямоугольное сечение питателя толщиной a_пит =14 мм, находим его ширину

b _пит . Так как

, то

b_пит=2a_питR_пит/(a_пит+2R_пит)=2*14*4,6/(14+2*4,6)=27 мм

расчет полых стояков (разновидностьЛПС типа III характеризующихся в ряде случаев высокой экономичность.При веденные толщины сечения полого стояка и питателя рассчитывают