Файл: Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие.pdf

МИНИСТЕРС1В0 ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

ИВАНОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В. И. ЛЕНИНА

В. Н. РАЗУМ ОВ

ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Учебное пособие

ИВАНОВО — 1974

Т Р Е Т Ь Я Т Е Т Р А Д Ь

РАСЧЕТЫ РЕЖИМОВ ГРАВИТАЦИОННОЙ ЗАЛИВКИ, РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ

РАСЧЕТЫ РЕЖИМОВ ГРАВИТАЦИОННОЙ ЗАЛИВКИ

Гравитационная заливка характерна тем, что металл поступает в литниковую систему определенных размеров и конструкции из заливочного ковша только под дейст­ вием силы тяжести. Эта сила определяет скорость и ха­ рактер движения струй металла в литниковой системе и затем в полости формы и, следовательно, качество бу­ дущей отливки. Известно, что малая скорость заполнения полости формы — причина образования спаев и даже недолива. Кроме того, малая скорость заливки может привести к обгару поверхности формы, в результате кото­ рого в заливаемый металл осыпаются отдельные песчин­ ки и даже комки формовочной смеси, на отливке обра­ зуются дефекты, называемые песочными раковинами или засором, и наросты в местах, где форма обрушилась. Быстрая заливка приводит к недопустимой турбулентно­ сти движения расплава. Отливка при этом поражается обрывками окисных плен, запутавшимися в расплаве га­ зовыми пузырями и шлаковыми частицами. Когда ме­ талл, попадая в полость формы, разбрызгивается и от­ летающие капли покрываются окисной пленой или за­ твердевают, образуются так называемые корольки — не слившиеся с основной массой металла шарики. Часто корольки образуются внутри газовых раковин за счет просачивания в них расплава из полузатвердевшей от­ ливки.

В период заливки создаются определенные условия, влияющие на процесс затвердевания металла в различ­ ных частях отливки. Поэтому режим заливки влияет на механические и физические свойства металла отливок. Все эти обстоятельства заставляют очень внимательно

относиться к выбору оптимальных параметров заливки. Режим гравитационной заливки определяется сле­

дующими основными параметрами:

—продолжительностью заливки Т3ал',

—температурой заливаемого расплава Тзал\

—температурой литейной формы к началу заливки

Т2начі

—способом ввода расплава в полость литейной формы.

Рис. 2. Зависимость тзал от массы отливки М , по произ­ водственным данным

4

Эти параметры взаимосвязаны и каждый из них зави­ сит от ряда других факторов. Так, например, В. Г. Гру­ зин нашел, что для получения качественных стальных от­ ливок необходимо соблюдать показанную на рис. 1 связь между толщиной отливки 6і, теплоаккумулирующей спо­ собностью формы Ь2, жидкотекучестью сплава X и вер­ тикальной скоростью заполнения полости формы ѵв. Н а­ помним, что ранее мы рассматривали установленную им же зависимость между химическим составом стали Э С , температурой расплава Тх и жидкотекучестью X.

Чтобы разобраться во всей сложности взаимосвязи параметров заливки, необходимо более подробно рас­ смотреть условия выбора оптимальных значений каждого из них. Начнем с определения оптимальной продолжи­

тельности заливки Тзал- В начальный период своего становления любая нау­

ка начинает изучать то или иное явление с обобщения накопленных опытных данных, а технология — с обобще­ ния производственного опыта. Так было сделано и при установлении оптимальной продолжительности заливки. На рис. 2 показана получившаяся зависимость т3ал от массы отливки М\. Попытки выразить эту зависимость аналитически привели к появлению эмпирических урав­ нений, которые чаще всего имеют вид

^зал ~ ^ M i ИЛИ Тзал ^ \/~М А *

где k , S — коэффициенты пропорциональности; бх— толщина стенки отливки.

В некоторых случаях продолжительность заливки определяется через удельный расход литниковой системы qm кг/с или qv м3/с. Тогда эмпирические уравнения при­ нимают вид

Тзал = M l!qm ИЛИ Тзал = V J q 0.

Коэффициенты k, S или удельные расходы qm, qv выби­ раются по справочным данным, предложенным авторами уравнений.

Наиболее полно смысл эмпирических уравнений рас­ крыл Б. Б. Гуляев. Произведя статистическое усреднение геометрических параметров отливок с одинаковыми мас­ сами и усреднение физической картины теплового взаи­ модействия, он получил для стальных отливок уравнение

Тзал = К М * П2.

5

Порядок этого уравнения практически не отличается от остальных эмпирических уравнений, следовательно, каж­ дое из них достаточно точно только для какой-то средне­ статистической отливки. Для данной конкретной отливки расчет по этим уравнениям может оказаться недопустимо грубым. Если рассматривать график рис. 2, то можно за­ метить, что для отливки массой в 20 кг, тзал берется в разных случаях от 5 до 24 с, т. е. практически изменяется почти в 5 раз. Вот почему в настоящее время продолжи­ тельность заливки с помощью эмпирических формул оп­ ределяют только при грубых прикидочных расчетах.

Более совершенные методы расчета тзал основывают на анализе гидравлических и тепловых особенностей за­ ливки данной конкретной отливки. Гидравлические осо­ бенности заливки наиболее ответственных отливок мас­ сового и крупносерийного производства лучше всего ус­ танавливать с помощью гидромоделирования. Для ос­ тальных случаев гидромоделирование излишне дорого и приходится ограничиваться применением более простого метода расчета с помощью анализа вертикальной скоро­ сти заполнения полости формы ѵв. <

В основу гидравлического расчета ѵв принимают, что расплав в полости формы должен подниматься вверх плавно с четким контуром зеркала металла. В тонких се­ чениях отливки зеркало металла должно сохранять вы­ пуклый мениск, в массивных сечениях — горизонтальную поверхность с выпуклым мениском около стенок формы. Такой характер движения расплава осуществляется только при ламинарном движении потока вверх при срав­ нительно небольших скрытых вихрях и турбулентности внутри потока в зоне действия струй, вытекающих из литниковой системы.

Из выдвинутой предпосылки следует, что для опти­ мального гидравлического режима заполнения полости формы необходимо соблюдать известное уравнение гид­ равлики

__ ^^крит*^

где ReKpuT— критическое число Рейнольдса;

г— гидравлический радиус канала, определяе­ мый в данном случае, как отношение пло­ щади F горизонтального сечения поднима-

й

ющегося потока расплава к периметру П полости формы, смоченной расплавом в этом же сечении;

V — кинематическая вязкость р асп л ава .

Впервые эту формулу для расчета режима заливки алюминиевыми сплавами применил Е. М . Ноткин. И с­ пользуя экспериментальные данные Шиллера для гид­ равлических систем сложной конфигурации с участками малой протяженности, он принял при расчете ReKрит =

=280.

М. В. Шаров и Н. М . Галдин опытами на отливках из алюминиевых сплавов установили, что для отливок про­ стой конфигурации можно принимать ^еКрцТ = 2600, а для отливок сложной конфигурации — равным 780.

Большинство других исследователей рекомендует ѵв выбирать на основании обобщения производственного опыта и специальных исследований, не прибегая к расче­ ту по приведенной формуле. При этом рекомендуется:

—для отливок, развитых в вертикальном направле­ нии, принимать ѵв от 4 до 2 см/с;

—для отливок, развитых в горизонтальном направ­ лении, — от 2 до 0,5 см/с.

Более подробные рекомендации приводит Г. М . Дубицкий. Его данные приведены в таблице:

Если сделать соответствующие расчеты и сравнить их с предлагаемыми значениями ѵв, то можно обнару­ жить, что для стальных и чугунных отливок расчетные и опытные данные наиболее совпадают, когда в уравне­ ние, предложенное Е. М . Ноткиным, вводится эмпириче­ ская постоянная поправка, учитывающая необходимость увеличения расчетного значения ив КрИт при больших зна­ чениях гидравлического радиуса г. Расчетное уравнение с поправкой приобретает вид

^вкрит = ——----h (0,5 — 0,8) см/с.

На рис. 3 приведены расчетная кривая и поля реко­ мендуемых опытных значений ув для чугунных отливок

7

разной толщины и ориентированных при заливке в раз­ ных направлениях. Для чугуна ѵ = 1,14-10-6 м2/с, и рас­ четная рабочая формула приобретает вид

с опытными данными получается достаточно полным и, следовательно, приведенное уравнение с эмпирической поправкой можно рекомендовать для пользования.

Рис. 3. Зависимость о Вкрит от гидравлического радиуса г по расчетным и опытным данным

В основу теплового расчета оптимальной продолжи­ тельности заливки тонкостенных отливок приходится брать условие отсутствия спаев на отливках. При залив­ ке массивных отливок следует рассчитывать из условия недопущения обгара формы при длительном нагреве ее заливаемым металлом.

Анализируя режим заливки форм для чугунных стан­ костроительных отливок, Я- И. Медведев пришел к вы­ воду, что в сухих формах при толщине отливок от 20 до 30 мм отсутствие спаев обеспечивается при ѵвт.іп более 0,126 см/с. Однако это значение ѵВтіп нельзя распрост­ ранять на все случаи, поэтому целесообразно пользо­ ваться методами расчета, разработанными А. Ф. Спас­ ским и А. А. Рыжиковым, Б. В. Рабиновичем, А. И. Вей-

ником.

В расчете А. Ф. Спасского и А. А. Рыжикова учтены следующие положения. При нагреве горячим телом хо­

8

лодного полуограниченного тела (за последнее вполне можно принять стенку формы в начальный период ее на­ грева) можно положить

ростью Ув на расстояние z—г„.

Тогда средний коэффициент теплопередачи от движуще-

Зная средний коэффициент теплопередачи, можно определить количество тепла, отведенного в стенку фор­ мы с участка dz за время dx. Оно равно

Q = 2осср (7\ — Т2) dzdx.

9