В левой части равенства (11.86) стоит объем прибыли, деленный на объем отливки; в правой - произведение постоянных величин на безразмерный крите
рий |
= /у . Этот критерий характеризует через а - способность материала |
aV0 |
р |
отливки к усадке, через т - интенсивность охлаждения прибыли сверху и через R*IV —распределение массы отливки. Действительно, R представляет собой по ловину размера сечения наиболее массивной части отливки.
Если отливка представляет собой кубик, то R'/v = - . Чем больше будет
8
расчленена отливка на мелкие элементы, тем меньше будет и этот критерий, и требуемый объем прибыли.
Равенство (11.86) можно преобразовать к виду
J ____, „ Л - |
<11.871 |
- V 1- 3 ! |
|
Это значит, что отношение высоты прибыли к радиусу зависит от интен сивности ее охлаждения сверху и коэффициента запаса. В случае стального ли тья в песчаные формы можно принять: а = 0,035; а - 0,75; т = 2 (при открытой форме), п = 1 (при открытой).
Заменяя радиус прибыли ее диаметром и учитывая, что открытая прибыль будет несколько расширяться вверх, а закрытая - вниз, получим следующие со
отношения: |
|
для открытой прибыли — = 1,5-2,0; |
( 11.88) |
d n |
|
для закрытой прибыли — = 1,0-1,2. |
(11.89) |
d n |
|
Из выражения (11.82) для цилиндрической прибыли отношение ее объема к объему отливки
(11.90)
В выражении (11.81) заменим среднее сечение области усадочной рако вины S его величиной из выражения (11.71) применительно к случаю прибыли
в виде призмы квадратного сечения и учтем, что для такой прибыли |
|
||
Уп = 4АЛ2, |
|
|
(11.91) |
где R - половина стороны квадрата. |
|
|
|
Тогда отношение объема прибыли к объему отливки в случае прибыли |
|||
квадратного сечения после преобразований следующее: |
|
||
К |
1 - 3 - |
8гоД3 V |
(11.92) |
Уо |
а |
|
|
Сравнивая выражения (11.90) и (11.92), можно установить, что они раз личаются только значением одного сомножителя во втором члене суммы, стоящей под корнем. В первом случае - для прибыли круглого сечения - он ра вен 2л; во втором - для прибыли квадратного сечения - 8. Это значит, что если заменить призматическую прибыль на цилиндрическую, то может быть полу чена экономия до 25 % металла. Аналогичным путем можно показать, что пло ские прибыли еще менее выгодны, чем призматические.
Основными требованиями к размерам прибыли являются, во-первых, обеспечение объема, достаточного для компенсации усадочной раковины в ли той заготовке, во-вторых, обеспечение достаточной продолжительности ее за твердевания. Приведенные расчеты были направлены на удовлетворение пер вого требования.
Рассмотрим условия выполнения второго требования. В практике встре чаются следующие сочетания конфигураций отливки и прибыли:
1. Отливка имеет конфигурацию куба (или сферы), а прибыль является ее продолжением (рис. 11.18, а). Для обеспечения надежности питания в этом случае рекомендуется выбирать следующие соотношения прибыли и отливки:
(11.93)
где dn и do- диаметры окружностей, вписанных в сечения открытой прибыли и отливки.
Рис. 11.18. О п ределен и е сечений прибы лей
Для закрытой прибыли допускается соотношение диаметров d M = 0,96-1,0;
2. Отливка имеет конфигурацию цилиндра или призмы, расположенной вертикально, а прибыль является ее продолжением (рис. 11.18, б). Для этого случая рекомендуются те же соотношения, что и для предыдущего;
3. Отливка имеет форму горизонтально расположенной призмы (цилинд ра), прибыль - плоская (рис. 11.18, в). К этому же виду относится отливка типа
кольца. В отдельных случаях можно применять прибыли в форме призмы или цилиндра. В случае применения плоской прибыли ее ширину следует выбирать, руководствуясь соотношением (11.93). Соотношение длины прибыли /п к ее ширине dnрекомендуется следующее:
— > 2,5. |
(11.94) |
dn |
|
Если это требование не будет выполнено, то ускоренное охлаждение с торцевых поверхностей не даст возможности осуществлять питание до самого конца затвердевания отливки;
4.Отливка - вертикально расположенная плита, прибыль - плоская (рис. 11.18, г). Соотношения размеров прибыли и отливки должны удовлетво рять выражениям (11.93) и (11.94);
5.Отливка - горизонтально расположенная плита, прибыль - цилиндри ческая (рис. 11.18, д). Если исходить из приведенных толщин, соотношение се чений прибыли и отливки должно составлять 4:1. Однако опыты показывают, что в этом случае достаточно обеспечить соотношение
-^- = 3,0-3,5. (11.95)
В боковых прибылях затвердевание происходит не только с боковых и верхних поверхностей, но и снизу. Поэтому их высоту по сравнению с верти кальными прибылями необходимо увеличивать дополнительно еще на величи ну радиуса прибыли.
Таким образом, основным средством устранения усадочной раковины в отливках является прибыль. Прибыль представляет собой технологический элемент, в котором должна быть сосредоточена область усадочной раковины и который отделяется от отливки на стадии ее финишной обработки. Кроме со средоточений усадочной раковины, прибыль является средством ослабления развития зональной пористости и сборником загрязнений, всплывающих из жидкого металла в процессе затвердевания. Понятно, что прибыль должна за твердевать позднее отливки. Только при таком условии прибыль может ком пенсировать уменьшение объема расплава в отливке вследствие усадки. Это первое необходимое, но недостающее условие эффективности работы прибыли.
Вторым условием является направленность затвердевания, которая созда ется расположением отливки, местом установки прибыли, дифференцирован ным охлаждением и подводом питателей к отливке. Для дифференцированного охлаждения отливки используют смеси с различной теплоаккумулирующей способностью и холодильники (внутренние и наружные). Внутренние холо дильники представляют собой объемы сплава в виде прутков, сеток или других более сложных конструкций, которые устанавливаются в полости формы, соот ветствующей горячим узлам отливки, и предназначаются для снижения темпе ратуры и компенсации усадки сплава в указанных объемах. Наружные холо дильники - это в большинстве случаев металлические части формы, соответст
где р - |
плотность сплава, кг/м'; LKi>- удельная теплота кристаллизации, Дж/кг; |
|
р = |
Я |
о |
^КР |
- коэффициент теплопередачи в кокиле через краску, Дж/(м~ ч*К); ЯКР |
|
|
|
|
и 0к? - |
соответственно теплопроводность, Дж/(м*- ч-К) и толщина, м, краски. |
|
|
Следует отметить, что к последовательному затвердеванию склонны чис |
|
тые металлы и сплавы эвтектического состава, а также сплавы с узким интерва лом кристаллизации при высокой скорости охлаждения залитого в форму спла ва. Это частные случаи, которые встречаются на практике редко.
Большинство сплавов относится к многокомпонентным системам (всегда есть примеси) и в реальных условиях охлаждения в формах затвердевают сме шанно, т. е. объемно-последовательно с преимущественно объемным или с преимущественно последовательным затвердеванием. Чтобы прибыль затвер девала позднее отливки, должно соблюдаться условие Rn > RQ. Для сплавов, за ливаемых без перегрева, Rn/ R0 должно быть не менее 1,03;
3. Размеры прибылей обязательно рассчитывают с учетом двух противо положных требований:
прибыль должна включать достаточное количество металла, чтобы она затвердевала позднее отливки;
прибыль должна быть минимальной с целью экономии металла. Работа прибыли зависит от множества различных по природе факторов:
особенностей сплава, конфигурации отливки или горячих узлов, технологии получения формы, характера производства и т. д. Поэтому накопилось более 200 различных методов расчета прибылей, из которых чаще используются два:
метод П. Ф. Василевского для крупного стального литья; метод Й. Пржибыла.
Внастоящее время с успехом используют универсальный метод расчета прибылей на ЭВМ, в основу которого положены математические модели, по строенные по результатам изучения процессов взаимодействия элементарных объемов отливки (в том числе прибылей) при затвердевании: тепло- и массопереноса, фильтрации, кинетики внутреннего давления и т. д..
На кафедре «Литейное производство» Юж.-Урал. гос. ун-та (Челябинск) используются следующие программы для расчета прибылей: FEEDER.EXE, MODUL.EXE, FEEDER2.EXE.
Воснову расчета прибылей по методу П. Ф. Василевского положено со отношение приведенных толщин прибыли и отливки (горячего узла)
Д п / Л о = 1 , 1 U . |
( 1 1 . 9 8 ) |
Этот показатель контролирует соблюдение первого требования, предъяв ляемого к прибыли, - требование достаточности жидкого металла для компен сации усадки отливки.
Для соблюдения второго требования - минимизации расхода металла, ко торое в конечном счете выражается в технологическом выходе годного (ТВГ), введено понятие коэффициента полезного использования объема прибыли