Определение необходимого количества стержней, выбор формы знаков и их размеров

Литейные стержни при заливке формы всей своей поверхностью соприкасаются с расплавом и прогреваются по всему объёму до значительных температур. На стержни действует подъёмная сила со стороны расплава, которая при недостаточной прочности и фиксации стержней может привести к их поломке.

Исходя из условий работы, стержни должны обладать высокими огнеупорностью и прочностью, низкой газотворной способностью, податливостью, выбиваемостью, а так же надёжно должны быть зафиксированы в форме. Эти свойства обеспечиваются выбором стержневой смеси и конструкцией стержня.

Стержни изготавливают в стержневых ящиках различной конструкции (рисунок 13). К основным элементам конструкции стержней относится тело стержня, знаковые части, каркасы и вентиляционные каналы. Тело стержня оформляет внутреннюю полость или отверстие в отливке, знаковые части служат для точной фиксации стержня в форме. Размеры знаков и их конфигурацию назначают по ГОСТ 3212–92 с учетом удобства сборки формы, фиксации стержня и усилий, действующих на стержень при заливке.

Каркасы применяют для увеличения прочности стержней, которые изготавливают в основном из стальной отожжёной проволоки. Вентиляционные каналы в стержнях необходимы для удаления газов при заливке формы. Их выполняют накалыванием иглой, укладкой кокса внутри крупного стержня и другими способами.

а б

а – для вертикального стержня; б – для горизонтального стержня

Рисунок 13 – Конструкции стержневых ящиков

Места установки стержней определяют по чертежу детали. Затем намечают предварительные границы между основными стержнями, определяют назначение каждого стержня, число стержней, способы изготовления, конструкцию каркасов (при необходимости их использования и вентиляции), состав смеси, контуры и размеры знаков, а также зазоры по контуру знаков для каждого стержня.

Точность изготовления отливок во многом определяется точностью установки стержней в форму, их фиксацией при сборке. Точность установки стержня обеспечивается конфигурацией его знаковых частей, их размерами.

В зависимости от положения стержня при сборке литейной формы стержневые знаки подразделяются на горизонтальные и вертикальные (рисунок 14).

Длина горизонтальных знаков lв зависимости от размера в сечении знака стержня, равного полусумме двух его сторон (а + в)/2 (сечение прямоугольное) или его диаметру D, и длины стержня Lмежду опорами должна соответствовать размерам, указанным в таблице 14.

Таблица 14 – Длина горизонтальных знаков, l

В миллиметрах

Размер знака стержня в сечении (а + b)/2 или D	Длина стержня L
До 50	Св. 50 До 80	Св. 80 до 120	Св. 120 до 180	Св. 180 до 250	Св. 250 до 315	Св. 315 до 400	Св. 400 до 500
До 30					-	-	-	-
Св.30 до 50							-	-
» 50 » 80
» 80 » 120
»120 » 180

б

а– горизонтального; б– вертикального;

исполнение 1 - прямоугольное сечение (а + b)/2;

исполнение 2 – круглое сечение диаметром D;

S₁, S₂, S₃ - зазоры между формой и знаком стержня;

β, α – уклон для верхнего и нижнего знака стержня;

L, l– длина рабочей части и знаков стержня соответственно;

D, a, b − размеры сечения стержня; D_м – диаметр модели

Рисунок 14 – Параметры знаков стержней

Высота h нижних вертикальных знаков должна соответствовать размерам приведенным в таблице 15. Высоту h₁ верхних вертикальных знаков принимают не более 0,5h. Для массового производства допускается применение нижнего и верхнего знаков одинаковой высоты.

Формовочные уклоны на знаковых формообразующих поверхностях, в зависимости от высоты знака и расположения в форме, должны соответствовать формовочным уклонам знаковых частей указанным в таблице 16.

Значения зазоров S₁, S₂иS₃ в зависимости от наибольшей высоты знаков h и h₁и длины стержня L между опорами (рисунок 14) должны соответствовать размерам зазоров между знаками формы и стержня указанным таблице 17.

Таблица 15 – Высота нижних вертикальных знаков, h

В миллиметрах

Размер знака стержня в сечении (а+b)/2 или D	Длина стержня, L
До 50	Св. 50 до 80	Св. 80 до 120	Св. 120 до 180	Св. 180 до 250	Св. 250 до 315	Св. 315 до 400	Св. 400 до 500
До 30					-	-	-	-
Св. 30 до 50
» 50 » 80
» 80 » 120
»120 » 180
»180 » 250
»250 » 315

Таблица 16 – Формовочные уклоны знаковых частей

Высота знака h или h1, мм	α	β	Высота знака h илиh1, мм	α	β
До 30	7°	15°	» 80 » 120	6°	8°
Св. 30 до 50	7°	10°	»120 » 180	5°	6°
» 50 » 80	6°	8°	»180 » 250	5°	6°

Таблица 17 – Размеры зазоров между знаками формы и стержня (на сторону)

В миллиметрах

Высота знака h или h1	Зазор S1 ,S2 при длине стержня L
До 50	Св. 50 до 80	» 80 » 120	» 120 » 180	» 180 » 250	» 250 » 315	» 315 » 400	» 400 » 500
До 30	0,2	0,2	0,3	0,3	0,4	0,4	0,5	0,5
Св. 30 до 50	0,3	0,3	0,4	0,4	0,5	0,5	0,6	0,6
» 50 » 80	0,3	0,3	0,4	0,4	0,5	0,5	0,6	0,6
» 80 » 120	0,3	0,4	0,5	0,4	0,5	0,5	0,6	0,6
Зазор S2	0,3	0,4	0,4	0,5	0,6	0,6	0,7	0,7
П р и м е ч а н и е - Значение зазора S3 следует принимать равным 1,5 S1

3. 9 Разработка конструкции и расчёт литниковой системы

Наиболее распространённой литниковой системой для отливок из чугуна является система, состоящая из четырёх элементов: литниковой воронки (чаши) 1, стояка 2, шлакоуловителя 3 и питателя 4(рисунок 15). Эти элементы должны обеспечить заданный расход расплава, определённую скорость его движения и получение качественной отливки 5. Иногда, для более полного выхода воздуха и образующихся газов, используют выпор 6. Также применяются и более сложные литниковые системы, дополнительно имеющие такие элементы, как реакционную камеру, прибыль и др. Для нескольких отливок в одной литейной форме литниковая система может быть общей.

1 – литниковая воронка; 2 – стояк; 3 – шлакоуловитель;

4 – питатель; 5 – отливка; 6 – выпор

Рисунок 15 - Отливка с элементами литниковой системы

Главными факторами при выборе литниковой системы являются положение отливки в форме и наличие разъёма, габаритные размеры и конфигурация отливки, предъявляемые к отливке требования, вид сплава, удобство отделения питателей от отливки.

Правильно спроектированная литниковая система должна обеспечивать непрерывную подачу (по кратчайшему пути) расплава в форму, спокойное и плавное её заполнение, улавливание шлака, минимальный расход сплава на литниковую систему. Она не должна вызывать местных разрушений формы из-за большой скорости и непрерывного направления потока расплава, способствовать получению отливки с точными размерами, без поверхностных дефектов (засоров, ужимин и др.).

При изготовлении отливок из серого чугуна расплав обычно подводят в тонкое место отливки для выравнивания скорости охлаждения её отдельных частей. Проходя через тонкое место отливки, расплав разогревает форму в месте подвода, а более холодные его порции поступают в массивные части отливки. Скорости охлаждения тонкого места в нагретой части формы и более массивного места отливки, заполненного уже охладевшим расплавом, выравниваются, что способствуют получению более качественной отливки, т.е. в данном случае применяется принцип одновременного затвердевания.

Однако при изготовлении отливок с массивными узлами наряду с подводом расплава в тонкое место применяют и подвод его в массивное место, для того, чтобы находящийся в этом месте расплав длительное время оставался в жидком состоянии и питал отливку.

При проектировании литниковой системы необходимо:

- выбрать место и способ подвода расплава. При этом следует соблюдать следующее: применять рассредоточенный подвод расплава, располагая питатели равномерно;

- скорость подъёма расплава в форме должна быть достаточной для того, чтобы образующиеся газы и воздух, находящиеся в полости формы, смогли свободно выйти из неё;

- разработать конструкцию литниковой системы с учётом выбранного положения отливки в форме;

- выбрать тип ковша для заливки формы;

- рассчитать размеры сечений элементов литниковой системы.

Конструкция литниковой системы должна соответствовать способу подвода расплава, виду сплава и количеству одновременно заливаемых отливок.

Для заливки чугуна в литейные формы чаще применяют поворотные ковши: чайниковые или барабанные (рисунок 16). Последние обычно применяют при производстве тонкостенных мелких и средних отливок, когда необходимо сохранять температуру расплава во время заливки как можно дольше.

в

а – с носком; б– чайниковый; в– барабанный;

1 – расплав; 2 – футеровка; 3 – шлак

Рисунок 16 - Типы заливочных литейных ковшей

Рассчитывать литниковые системы можно по любым применяемым методам в справочной литературе [2-6].

При расчете вначале вычисляют площадь суммарного сечения питателей, а размеры других элементов литниковой системы рассчитывают как производные.

При изготовлении отливок массой от 0,5 до 25000 кг площадь суммарного поперечного сечения питателей определяется из эмпирического выражения:

ΣF_n = 0,8 ,

где ΣF_n– площадь суммарного поперечного сечения питателей, см²;

G – металловместимость литейной формы, кг.

Металловместимость формы Gследует понимать как сумму масс отливок и литниковой системы.Масса литниковой системы для чугунных отливок в песчаных формах колеблется в пределах от 5 до 25 % от массы отливок в форме.

В большинстве случаев металловместимость формы может быть достаточно точно вычислена по выражению:

G = 1,15 G _о,

где G_o – суммарная масса отливок, кг.

По найденной суммарной площади ΣF_nопределяют площадь шлакоуловителя F_шли вертикального цилиндрического канала (стояка) F_стдля средних и мелких отливок:

ΣF_n : F_шл : F_ст = 1 : 1,1 : 1,2.

Для чугунных отливок питатели выполняют трапецеидальными равносторонними. Размеры типовых питателей в зависимости от площади их сечения приведены в таблице 18.

Таблица 18 - Размеры типовых питателей

Площадь сечения питателя, см2	Размеры А и В при высоте питателя H, мм
А	В	А	В	А	В	А	В	А	В	А	В
0,30							-	-	-	-	-	-
0,50								10,5			-	-
0,63											-	-
0,80		28,5			13,5	18,5		15,5
1,00
1,25		43,5
1,60
2,00	64,5	56,5					30,5	36,5

Количество питателей, их длина определяется конструктивно в зависимости от размеров и расположения отливки (отливок) в форме.

Небольшие компактные отливки могут заполняться через один питатель. Однако в подавляющем большинстве случаев требуется несколько питателей. Большое число питателей улучшает условия заполнения расплавом формы и способствует повышению качества отливки. Малое число питателей сокращает расход металла на литниковую систему, облегчает условия её отделения от отливки и уменьшает опасность торможения усадки отливки.

Чем меньше толщина стенки отливки, тем больше должно быть число питателей для обеспечения её заполнения. Обобщение производственного опыта и некоторые результаты исследований позволяют дать следующие рекомендации по выбору числа питателей (таблица 19).

Таблица 19 – Рекомендуемое число питателей

Масса отливки, кг	Преобладающая толщина стенки отливки, мм
3-5	5-8	8-12	12-20
3-5
5-15	-		2-3	2-3
15-50	-		2-3	2-3

Высота питателя H должна быть меньше толщины стенки отливки в месте подвода питателя и не более 1/5 высоты шлакоуловителя.

Сечение шлакоуловителя выполняется также трапецеидальным равнобедренным, с размерами нижнего (а) и верхнего (в) оснований, высотой (h)в миллиметрах (рисунок 17), определяемыми по выражениям:

h = 10 ; а = h/1,25; в = 0,7 а .

После определения площади сечения стоякаF_ст(см²)вычисляют егодиаметр в миллиметрах по формуле d_ст = 20 .

Рисунок 17 – Соотношение сторон в сечении шлакоуловителя

По найденному диаметру стояка определяется ближайшее меньшее значение диаметра, при котором воронка или чаша выполняет свои функции (таблица 20).

Таблица 20 - Размеры литниковых воронок

Размеры в миллиметрах

Показатель	Значения показателя для литниковых воронок
№ 1	№ 2	№ 3	№ 4
Верхний диаметр стояка dст.в (калибр)
Диаметр воронки D
Высота воронки Hв
Масса чугуна в воронке, кг	0,3	0,6	1,1	1,9

Этот диаметр называют "калибром". К выбранной воронке (чаше) можно присоединять стояки меньших диаметров. Параметры литниковых воронок указаны на рисунке 18.

Рисунок 18 – Параметры литниковой воронки (к таблице 20)