Анализ особенностей течения металла в литниковых системах и методика расчета минимального сечения

Верхняя литниковая система (верхний подвод металла) отличается высоким коэффициентом выхода годного металла, а при подводе металла в прибыль и хорошими условиями питания отливки из прибыли за счет обеспечения более высокой температуры металла, попадающего в прибыль в конце заливки (рис. 4.4). Недостатком верхней литниковой системы является высокая кинетическая энергия падающей струи в полости литейной формы, особенно для первого момента заливки. Большая величина кинетической энергии и силы удара первых струй расплава о дно формы могут привести к размыву — разрушению этой части формы, а также к разбрызгиванию расплава и образованию дефектов типа «корольков» (см. рис. 4.4).

Величина кинетической энергии падающего тела равна: ?кин = = mv2/!, а для падающей струи ??ин = pv2/2, где р — плотность расплава; v — скорость струи в момент удара.

Схема заливки при верхней литниковой системе

Рис. 4.4. Схема заливки при верхней литниковой системе

Схема заливки формы в наклонном положении

Рис. 4.5. Схема заливки формы в наклонном положении

В гидродинамике для жидкого потока, направленного на твердую поверхность, введено понятие силы лобового сопротивления:

где Сх — безразмерный коэффициент, учитывающий геометрические и технологические факторы и незначительно отличающийся от 1; со — площадь сечения, перпендикулярная оси потока, т.е. площадь сечения струи.

Таким образом, кинетическая энергия удара струи и сила лобового сопротивления пропорциональны квадрату скорости.

Из анализа выражений кинетической энергии и силы лобового сопротивления струи металла вытекают основные технологические приемы для снижения отрицательного действия верхнего подвода металла. Радикальным технологическим решением, позволяющим уменьшить силу лобового сопротивления о дно литейной формы и величину кинетической энергии, является разделение единой струи расплава на несколько струй с помощью фильтрующих сеток: керамических или стеклотканевых. В этом случае сила лобового сопротивления каждой падающей струи уменьшается в прямой пропорции к числу отверстии сетки:

где п — число отверстий сетки, разделяющих поток на п струй уменьшенного сечения гос.

Схема заполнения литейной формы при сифонной литниковой системе

Рис. 4.6. Схема заполнения литейной формы при сифонной литниковой системе

Соответственно снижается размыв дна формы и степень разбрызгивания металла от уменьшенных струй.

Другим технологическим приемом является заливка формы в наклонном положении (рис. 4.5). Струя металла падает на боковую стенку под острым углом, растекается по боковой поверхности, а характер потока приближается к характеристикам пленочного течения со значительно уменьшенными скоростями.

Проанализируем особенности заполнения литейной формы и методику расчета литниковой системы при нижнем подводе металла (сифонная литниковая система) (рис. 4.6). Отличительной особенностью процесса заполнения для данного случая является отсутствие падающей струи в полости литейной формы — расплав поступает из питателя непосредственно в нижнюю часть формы, а значит более спокойно, без удара, без разбрызгивания. Недостатком сифонной литниковой системы является невысокий выход годного металла по причине большого расхода металла на литниковую систему.

Первые порции жидкого металла из стояка заполняют зумпф, где его скорость гасится, и последующий поток металла через питатель спокойно, без завихрений, а значит, с меньшим окислением поступает в полость формы. Для уменьшения скорости движения металла и силы лобового сопротивления в зумпфе применяют зигзагообразную, а не прямую конструкцию стояка; при литье автомобильных поршней в металлической форме применяют стояк конструкции «гусиная шея» с этой же целью. В этом случае ряд поворотов потока расплава в стояке увеличивает гидравлическое сопротивление и снижает скорость поступления металла в питатель.

Методика расчета площади сечения питателя базируется на составлении и решении дифференциального уравнения баланса металла, протекающего через сечение питателя /, и металла, поступающего в полость литейной формы постоянного поперечного сечения F (см. рис. 4.6).

Элементарный объем металла, протекающий через питатель, равен:

где v — скорость течения металла по питателю — величина переменная; она уменьшается по мере подъема уровня металла Я в литейной форме:

где Нст — высота стояка; Я—высота уровня металла в промежуточный период заполнения литейной формы.

Тогда . Этот элементарный объем металла

при поступлении в полость формы поднимет уровень металла на величину dH. Дифференциальное уравнение материального баланса расплава:

Разделим переменные:

После интегрирования левой и правой частей уравнения (4.15) получим следующее выражение для расчета площади поперечного сечения питателя:

Боковая литниковая система, при которой подвод металла осуществляется по горизонтальной плоскости разъема, сочетает специфические особенности заполнения при нижнем и верхнем подводе металла (рис. 4.7).

Схема заполнения при боковом подводе металла

Рис. 4.7. Схема заполнения при боковом подводе металла

Нижняя часть отливки Нн заполняется по аналогии с заливкой сверху, а верхняя часть отливки Нв — с сифонной литниковой системой. И длительность заполнения всей отливки складывается из времени заполнения нижней части и времени заполнения верхней части отливки. По методике расчета верхней литниковой системы время заполнения нижней части отливки равно:

где VH — объем нижней части отливки;/— площадь сечения питателя.

По методике расчета сифонной литниковой системы время заполнения верхней части отливки составит

Просуммировав получим выражение

А из полученного выражения площадь сечения питателя при боковом подводе металла

Ступенчатая литниковая система (рис. 4.8) сочетает в себе достоинства верхней и нижней литниковой систем, а именно: первые порции жидкого металла в полость литейной формы поступают через нижний питатель спокойной струей без завихрений и разбрызгивания, а затем после поднятия уровня в вертикальном коллекторе начинается заполнение через верхний питатель. В конце заполнения основная масса расплава поступает через верхний питатель и обеспечивает поступление его в прибыль с более высокой температурой.

Примем площади сечений верхнего и нижнего питателей одинаковыми —/. Для расчета площади сечения питателей /примем, что заполнение происходит одновременно через оба питателя.

За время заполнения тзап через верхний питатель пройдет объем расплава:

За это же время через нижний питатель пройдет объем металла

Рис. 4.8. Схема заполнения полости формы при ступенчатой литниковой системе

здесь величина металлостатического напора Hcr-h0/2 взята как средняя арифметическая ввиду подъема уровня металла от нижнего уровня h = 0 до верхнего уровня h = h0. Суммируем эти два объема, составляющие объем всей отливки:

Отсюда определим площадь сечения питателя:

Щелевая литниковая система в еще большей степени обеспечивает спокойный подвод металла в течение всего периода заполнения и поступление в верхнюю часть отливки (в прибыль или под прибыль) более нагретого металла (рис. 4.9).

Будем считать, что уровень металла в полости литейной формы совпадает с уровнем металла в щелевом питателе шириной 5. Составим уравнение материального баланса расплава при заполне-

Схема заполнения полости формы при щелевой литниковой системе

Рис. 4.9. Схема заполнения полости формы при щелевой литниковой системе

нии в дифференциальной форме. Элементарный объем металла, протекающий через щелевой питатель с учетом увеличения живого сечения за счет подъема уровня металла h, составит:

где vcp — средняя скорость потока металла в питателе, которую можно принять приближенно:

Этот элементарный объем повысит уровень металла в форме на величину dh, а весь элементарный объем, поступивший в полость формы, равен:

где F— площадь поперечного сечения полости формы (отливки); h — переменная высота уровня.

Приравняем элементарные объемы:

После разделения переменных /1 и т и интегрирования получим выражение для определения ширины питателя б:

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >