Принципы проектирования литейной песчаной формы

В процессе проектирования формы решается комплекс вопросов:

- установление количества получаемых в форме отливок;

- определение толщины стенок формы;

- конструирование и расчет элементов литниково-питающей системы;

- конструирование холодильников.

3.1. Количество отливок в форме определяется серийностью детали, ее габаритами и массой. В условиях мелкосерийного производства отливок процесс литья обычно строится в расчете на размещение в форме небольшого числа отливок. При серийном, крупносерийном и особенно массовом производствах стремятся к размещению в форме наибольшего числа однотипных отливок, что обеспечивает максимальную металлоемкость формы.

3.2. Толщина стенок является важнейшим параметром формы, который оказывает влияние на характер теплообмена между заливаемым в нее расплавом, формирующейся отливкой и материалом форм, она определяет ее прочность и экономичность. Толщина стенок формы зависит от состава применяемой смеси и степени ее уплотнения, состояния формы (сырая, сухая, химически затвердевшая), а также от условий обеспечения надежного сопротивления формы действий металлостатического напора, заливаемого в нее расплава (характер литниковой системы, наличие жеребеек и др). В табл. 11 приведены выработанные практикой рекомендации для определения толщины стенок песчаных толстостенных форм, показанных на рис.13.

Рис. 13 Форма в сборе.

Таблица 11

Минимальные толщины стенок песчаной формы, мм

Масса отливки, кг	а	в	с	d	е^*	е
до 5
5 - 10
10 - 25
25 - 50
50 - 100
100 - 250
250 - 500					-
500 - 1000					-
1000 - 2000					-
					-

Размеры опок выбираются по ГОСТ 2133-75.

3.3. Конструирование и расчет элементов литниково-питающей системы.

Выбор типа и места подвода расплава к отливке, а также установление размеров элементов литниково-питающей системы - одно из условий получения отливок высокого качества. Расплав следует подводить к полости так, чтобы его струя не размывала стенок формы и не била в стержни. Из производственных данных выработаны следующие рекомендации по выбору места подвода расплава в форму. При литье из серого чугуна расплав чаще всего подводят в тонкие места отливки; в этом случае в массивные места отливки он попадает несколько охлажденным, в то время как в тонком месте он будет иметь высокую температуру вследствие непрерывного поступления более горячего расплава из ковша. Это способствует равномерному остыванию отливки, устраняет усадочные раковины и внутреннее напряжение.

При литье из белого (ковкого) чугуна, учитывая его пониженную жидкотекучесть и увеличенную усадку, расплав подводят в наиболее толстые места отливки через питающую бобышку.

При стальном литье расплав к полости формы подводится двояко: если разница в толщине различных мест отливки сравнительно небольшая - в более тонкие участки (для выравнивания скорости охлаждения отливки), а при значительной разнице в толщине - к самому массивному месту отливки, на котором обычно ставится прибыль для создания направленного затвердевания отливки, идущего от тонких частей к толстым. При литье из цветных сплавов подвод расплава к полости должен быть плавным и обеспечивать достаточное питание отливки во время ее затвердевания, так как сплавы цветных металлов очень склонны к окислению и имеют повышенную усадку. Главный подвод сплава в этом случае осуществляют при помощи рожкового питателя или зигзагообразного тормозящего стояка, а питание установкой прибылей. При заниженных размерах литниковых каналов увеличивается длительность процесса жидкотекучести расплава, а следовательно, к браку отливок из-за недолива или спая. При заниженных размерах литниковых каналов расплав поступает в форму с высокой скоростью и с большим напором, оказывая значительное давление на внутренние поверхности формы. Вследствие этого могут произойти обвалы отдельных (в первую очередь выступающих) частей формы и отливка получиться с искаженной конфигурацией.

Размеры элементов литниковой системы рассчитывают в зависимости от массы получаемых отливок, их сложности, толщин стенок и других факторов.

Литниковые системы приведены в приложении 1.

Расчет литниковой системы сводится к определению сечения питателей по формуле:

(1);

где ∑F_n - суммарное поперечное сечение площади питателей, см²

Q - масса жидкого металла, кг

τ - продолжительность заливки, с

k - удельная скорость заливки, кг/см² (табл. 7)

l - коэффициент жидкотекучести для отливок из чугуна и цветных металлов, принимается равным 1, а для остальных металлов равным 0,8.

Значения удельной скорости заливки представлены в табл. 12.

Таблица 12

Значение удельной скорости заливки «k»

Сплав	Значение удельной скорости заливки k при относительной плотности отливки
До 1	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	св. 6
Чугун	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05	1,15
Сталь	0,6	0,65	0,7	0,75	0,80	0,9	0,95
Медные сплавы	0,3-0,35	0,4-0,45	0,5-0,55	0,6	0,65	0,7	0,75
Алюминиевые сплавы	0,2-0,25	0,3-0,35	0,4-0,45	-	-	-

(относительная плотность отливки определяется как отношение массы отливки к ее габаритному объему).

 

Продолжительность заливки τ вычисляется:

для серого чугуна и цветных сплавов по формуле:

τ = 1,11 S (2);

для стали по формуле:

τ = S (3);

где S - поправочный коэффициент, зависящий от толщины стенки отливки (табл. 13).

Таблица 13

Значение коэффициента S в зависимости от толщины стенки отливки

	Средняя толщина стенки, мм
До 10	11-20	21-40	св. 40
Значение S	1,0	1,3	1,5	1,7

После определения суммарного сечения питателей, сечения шлакоуловителя и стояка устанавливаются по соотношению:

а) для серого чугуна:

∑F_n : F_шп : F_ст = 1: 1,06: 1,11 (4);

при толстостенном и мелком литье,

∑F_n : F_шп : F_ст = 1: 1,5: 2 (5);

при среднем и крупном литье;

б) для стали:

∑F_n : F_шп : F_ст = 1: 1,1: 1,2 (6);

в) для цветных сплавов:

∑F_n : F_шп : F_ст = 1,5: 1,0: 0,9 (7);

Так как при охлаждении отливки металл имеет усадку, то во избежание образования усадочных раковин в отливке, в массивных частях ставят прибыли.

Примерный размер прибыли:

- диаметр прибыли принимается в 1,3 раза больше толщины стенки или питаемого узла;

- высота прибыли в 1,5 раза больше ее диаметра;

- протяженность прибыли составляет 30-40% от протяженности отливки;

- на долю прибылей приходится от 30-50 % веса жидкого металла, заливаемого в форму.

3.4. Определение размеров формы и выбор опок.

Установив рациональное число получаемых в форме отливок и минимальную толщину стенок формы, экономно разместив отливки и элементы литниково – питающей системы, определяют расчетные размеры формы, которые будут окончательно установлены после выбора стандартных размеров опок, которые регламентирующиеся ГОСТ 2133-75.

3.5. Выбор необходимого оборудования и установление технологических параметров и условий получения качественных отливок.

Для производства литейных песчаных форм, руководствуясь размерами применяемых опок, выбирают формовочные машины и пескометы. Оборудование для специальных методов литья также выбирается при проектировании технологического процесса получения отливки.

На заключительной стадии проектирования технологического процесса литья решают следующие вопросы:

- выбирают состав формовочных и стержневых смесей, состав противопригарных красок;

- устанавливают режимы упрочнения (подсушки, химического твердения) форм и стержней;

- выбирают температуру расплава (табл.14) и формы при заливке;

- определяют длительность выдержки отливки в форме;

- устанавливают методы и режимы выбивки отливки из формы, очистки, окраски, термообработки и контроля.

Таблица 14

Рекомендуемая температура заливки сплавов, ⁰С

Сплав	Толщина стенки отливки, мм
До 4	4-10	10-20	20-50	50-100	100-150	св. 150
Чугун	1450-1360	1430-1340	1400-1320	1380-1300	1340-1230	1300-1200	1280-1180
Сталь	1590-1620	1580-1610	1570-1600	1560-1590	1550-1580	1530-1580	1520-1540
Бронза	1200-1180	1180-1160	1160-1140	1140-1120	1100-1110	1080-1100	1060-1080
Латуни	1050-1030	1030-1010	1010-1000	980-960
Алюминие-вые сплавы	780-760	760-740	740-720	720-700	700-680

 

Время затвердевания отливки рассчитывают по формуле:

(8);

где τ - время охлаждения отливки, мин

V - объем отливки, м³

γ - удельный вес сплава, кг/м³

В_ф - коэффициент аккумуляции тепла формой,

F - площадь поверхности отливки, м²

С - удельная теплоемкость отливки

L - теплота кристаллизации

Т₃,Т_L,Т_S,Т_к,Т_В,Т_ф - температура заливки, ликвидуса, солидуса, кристаллизации, выбивки, формы; град.

Все значения теплофизических величин приведены в табл. 15.

Таблица 15

Значения теплофизических величин для расчета времени затвердевания отливки

Обозначение и размерность	Сплав
Сталь углероди-стая	Сталь легирован-ная	Бронза	Латунь	Чугун	Алюминие-вые сплавы
Вф,	17,0	17,0	17,0	17,0	17,0	17,0
γ,
С1΄ / С1
t3,°C
tL,°C
tS,°C
tB,°C
tф,°C
tкр,°C
L1,	61,8	62,0

В результате проектирования технологического процесса получения отливки составляется чертеж элементов литейной формы, чертежи и эскизы собранной (готовой к заливке) формы, модельных плит (с расположение моделей, элементов литниковой питающей системы, направляющих штырей), стержневых ящиков, подопочных щитков, плит для сушки стержней и контрольных шаблонов. Кроме того разрабатываются технологические карты и инструкции, которые включают общие данные, а именно: наименование детали, номер чертежа, массу отливки, количество расплава, необходимого для ее получения, данные о химическом составе сплава и механических свойствах отливки, способ формовки и применяемые формовочные машины, размеры применяемых опок и других приспособлений, составы смесей и противопригарных красок, количество применяемых стержней и порядок их установки в форму, размеры сечений элементов литниковой системы, температура заливки, а также нормы времени на выполнение основных операций.

4. Оценка эффективности способа изготовления заготовки

Главным требованием к выбору способа изготовления заготовки является возможность максимального приближения ее геометрии к размерам детали. Оценку оптимальности конструкции детали и прогрессивности примененного способа изготовления заготовки можно провести с помощью следующих показателей:

Коэффициента выхода годного, КВГ;

Коэффициента массовой точности, КМТ;

Коэффициента использования металла, КИМ;

Коэффициент выхода годного характеризует использование металла в заготовительном производстве, т.е. эффективность применяемых технологий изготовления заготовок. КВГ определяют из соотношения массы заготовки М₃, к массе исходного металла М_им:

КВГ = М₃ / М_им.

В литых заготовках массу М₃ принимают без литниковой системы, прибылей, выпоров, безвозвратных потерь (потерь на угар ~ 1% массы исходного металла; разбрызгивание - до 1-3% от массы исходного металла). В качестве массы исходного материала при литье может быть масса жидкого металла, заливаемого в форму.

Коэффициент массовой точности характеризует степень приближения размеров заготовки к размерам детали. По коэффициенту КМТ оценивают рентабельность принятой заготовки, т.к. он зависит как от массы и конструкции детали, так и от массы и конструкции заготовки. КМТ определяют из отношения массы готовой детали М_д к массе заготовки М₃:

КМТ = М_д / М_3.

Коэффициент использования металла показывает общий расход металла на изготовление данной детали. КИМ определяют из отношения массы детали М_д к массе исходного металла М_им.:

КИМ = М_д / М_им.

Порядок выполнения работы

Для выполнения задания необходимо:

1. получить у преподавателя индивидуальное задание;

2. изучить последовательность изготовления песчаных форм по разъемным моделям;

3. разработать эскиз отливки с литейно-модельными указаниями

4. произвести расчет литниково-питательной системы, габаритов опок и размеров литейной формы.

5. оформить отчет о выполнении работы на листах формата А4.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»

____________________________________________________________________