металлической формы, чем у песчано-глинистой. Скорость охлаждения оказы вает большое влияние на конечную усадку отливки и величину усадочной ра ковины. Известно, что при заливке металла с высокой температурой перегрева образуется большая усадочная раковина, чем при заливке с низкой температу рой. На процесс затвердевания отдельных участков отливки может оказать влияние сопряжение стенок различной толщины, близость питателя или при были. Всюду, где имеются условия для замедленного охлаждения по сравне нию с окружающими частями отливки, возникает опасность образования уса дочных дефектов. Особенно чувствительны к дефектам этого вида отливки из сплавов с большой объемной усадкой, например, стали.
В табл. 11.2 приведены значения объемной усадки промышленных ли тейных сплавов.
Таблица 11.2
Усадка литейных ставов
Сплав |
Объемная усадка |
|
при кристаллизации, % |
||
Углеродистая сталь (0,5 % С) |
||
2,5-3,0 |
||
Углеродистая сталь (0,1 % С) |
4,0 |
|
Белый чугун |
4,0-4,5 |
|
Серый чугун |
Расширение 2,5 |
|
Латунь (30 % Zn) |
4,5 |
|
Силумин (12 % Si) |
3,8 |
11.6. Выбор прибыли
Для технолога очень важно уметь выбирать оптимальную прибыль, обла дающую минимальной массой и обеспечивающую нормальное питание отливки без дефектов усадочного происхождения.
Основным средством устранения усадочной раковины в отливках являет ся прибыль, представляющая собой технологический элемент, в котором долж на быть сосредоточена область усадочной раковины и который отделяется от отливки в процессе обработки. В процессе формирования отливки прибыль со ставляет с нею единое целое. Кроме того, прибыль является средством ослаб ления развития зональной пористости и сборником загрязнений, всплывающих из жидкого металла в процессе затвердевания.
Сложная отливка, состоящая из элементов различной толщины, при за твердевании обычно разделяется на несколько обособленных узлов питания. Образование усадочных раковин в каждом узле питания можно компенсировать за счет одного источника питания (рис. 11.15, а).
Процесс питания отливки должен быть организован таким образом, что бы в каждом узле действовал принцип направленного затвердевания от тонких элементов к толстым и, наконец, к прибыли. Проверка выполнения этого прин ципа осуществляется методом выкатывания шарика. В самый тонкий элемент узла мысленно помещают шарик (рис. 11.15, б), который при переходе в каж-
дый новый элемент расширяется (сжиматься он не может). Если он беспрепят ственно выкатывается в прибыль, значит, принцип направленного затвердева ния выполнен.
Рис. 11.15. Разделение отливки на узлы питания (а)
и метод выкатывания шарика (б)
Прибыли классифицируются по расположению относительно узла пита ния отливки, по способу формовки (рис. 11.16, а) и по конфигурации (рис. 11.16, б).
По расположению относительно узла питания прибыли делятся: на пря мые, или верхние У; отводные, или боковые 2; в том числе групповые, питаю щие несколько отливок 3. По способу формовки прибыли делятся: на открытые Уи закрытые 2. По конфигурации - на цилиндрические 4, плоские 5, сфериче ские б и фигурные 7.
11.7. Инженерные методы расчета усадочных раковин н прибылей
Расчеты усадочных раковин, приведенные в 11.3 и 11.4, не обладают не обходимой гибкостью для получения технологических решений.
Прибыли всегда являются простыми телами, чаще всего цилиндрической формы, с небольшим отношением высоты к диаметру. Это позволяет принять следующие положения для расчета усадочной раковины в отливке с прибылью:
1. При переходе сплава из жидкого состояния в твердое его объем уменьшается на величину а, определяемую по формуле (11.57);
2.Зональная пористость в отливке не учитывается;
3.Затвердевание отливки со всех ее поверхностей, в том числе с верхней, определяется законом квадратичного корня;
4.Образующая области усадочной раковины есть прямая линия. Положим, что отливка вместе с прибылью представляет собой простое
тело объемом V и радиусом R. Образующая область усадочной раковины в верхней части прибыли имеет форму конуса высотой z (рис. 11.17, а).
Рис. 11.17. Схемы к расчетам областей усадочных рако вин: а - отливка из чистого металла; б- отливка из сплава,
кристаллизующегося в широком интервале температур; в - отливка с прибылью
Уравнение для расчета области усадочной раковины в дифференциальной
форме можно написать следующим образом: |
|
Qdy = adV + Qwdv, |
(11.61) |
где у - текущая координата, которой соответствуют радиус зеркала жидкого металла /• и площадь этого зеркала Q \ T - время; w - скорость затвердевания ме талла сверху на расстоянии у от верхней поверхности.
Учитывая положение п. 4, уравнение (11.61) можно привести к алгебраи
ческому равенству |
|
Sz= aV+ StocpTo, |
(11.62) |
где S - площадь горизонтального сечения области усадочной раковины, сред няя для всей ее высоты z; ivcp - средняя скорость затвердевания сверху, при ближенно определяемая как скорость затвердевания на половине высоты облас ти усадочной раковины; г0 - общее время затвердевания тела; V -общий объем тела.
Левая часть равенства представляет собой полный объем области усадоч ной раковины, первый член правой части - объем усадочной раковины, второй - объем мостов.
Если затвердевание с боковой и нижней поверхностей отливки определя ется законом квадратичного корня с коэффициентом затвердевания К, то время затвердевания отливки будет
В случае отливки из сплава, кристаллизующегося в интервале темпера
тур, область усадочной раковины |
будет представлять |
собой не обыч |
||
ный, а усеченный конус с меньшим диаметром 2г (рис. 11.17, б). |
|
|||
Тогда время затвердевания на уровнеz |
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
II |
1 О? |
1) |
(11.74) |
а средняя площадь сечения |
1 |
К |
] |
|
|
|
|
|
|
п |
яК2 (л |
*> |
(11.75) |
|
S = ---- (1 + /7+ |
Г Г |
|||
где р =1+ п +п2 |
3 v |
|
|
|
|
|
|
|
|
Равенство для расчета глубины области усадочной раковины в цилиндри |
||||
ческом теле приобретает вид |
|
|
|
|
3aV |
|
aV |
\ 2 |
(11.76) |
2npR2 |
npR2 |
+ m2R2(\-n)2 |
||
|
|
|||
При /7 = 0 вновь получается равенство (11.73). Для расчета областей уса |
||||
дочных раковин в чугунных |
отливках |
величины а и п |
определяются |
|
по рис. 11.14; для открытых прибылей т = 1,3, для закрытых т = 1,1. Многочисленные расчеты размеров областей усадочных раковин в отлив
ках из стали, цветных сплавов, чугуна показали, что равенства (11.73) и (11.76) дают вполне удовлетворительную для проектирования технологических про цессов точность.
Полученные формулы являются решением прямой задачи и применимы к отливке с прибылью известных размеров. В действительности приходится ре шать обратную задачу - определять размеры прибыли по известным размерам отливки.
Определим размеры прибыли для отливки объема V0 диаметром 2R (рис. 11.17, в). Обозначим искомую высоту прибыли через h и площадь ее сече ния через F. Примем, что отношение глубины области усадочной раковины z к высоте прибыли h равно <т. Тогда
z = a h , |
(11.77) |
где а - коэффициент запаса, он должен быть меньше единицы.
Запас необходим для учета объема загрязненного металла, собирающего ся под усадочной раковиной, направлен на возможный небольшой недолив прибыли при заполнении формы и для компенсации неточностей расчета.
Объем прибыли |
|
Vn = hF. |
(11.78) |
Суммарные объем отливки и прибыли |
|
V= V0+ Vn. |
(11.79) |
Из равенств (11.77), (11.78) и (11.35) с учетом (11.79) получаем