РАСЧЕТ ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Один из важных вопросов при точном литье ювелирных изделий — выбор и расчет литниково-питающей системы. Наиболее экономичной является та литниково-питающая система, которая, обеспечивая качество отливок, удобство выполнения технологических операций и использование унифицированной оснастки, позволяет получить при литье наибольший выход годного драгоценного металла.

Расчет литниковой системы позволяет установить минимальные размеры сечения системы, но достаточные для соединения питающего элемента с отливкой. Система считается рациональной и в том случае, если для обеспечения питания размеры некоторых элементов потребуется несколько увеличить [1].

Для литья по выплавляемым моделям предложено несколько методов расчета. В основе всех известных методов определения размеров литниково-питающих систем, позволяющих получить плотный металл при литье, лежит требование обеспечения принципа направленного затвердевания.

Одним из первых был предложен расчет по удельной скорости заливки, используемый при литье в песчаные формы. Однако расчет давал резко заниженные размеры питателей, не обеспечивал плотного металла в отливках и распространения не получил.

В настоящее время применяют два метода расчета литниково-питающих систем при литье по выплавляемым моделям: по модулям охлаждения и диаметрам вписанных сфер [2]. Одновременно с совершенствованием методов расчета разрабатывалась рациональная конструкция литниковых систем.

Методика, позволившая бы для данной конкретной детали и сплава выбрать конструктивный вариант литниково-питающей системы, пока не разработана. Однако накоплен практический опыт выбора оптимальных для различных отливок конструктивных вариантов литниково-питающих систем [2]. Наиболее распространенные из них:

1. Стояк с коллекторами в виде местных утолщений. Стояк и коллекторы служат как для заполнения литейной формы, так и для питания отливок в период затвердевания.

2. Стояк в комбинации с расположенными сверху местными прибылями для питания отдельных массивных узлов отливки.

Кроме перечисленных варинтов, применяют и другие специальные литниково-питающие системы, отличающиеся формой стояка:

1. Винтообразный стояк, предотвращающий падение расплава в канале [3].

2. Спиралеобразный стояк снабжен вертикальным каналом, размещенным по его оси [4].

3. Змеевидный стояк с фильтрующей сеткой [5].

Для изготовления отливок из цветных сплавов весом до 1,5 кг чаще всего применяют разветвленные системы, в которых суммарная площадь сечений литниковых ходов неизбежно получается больше площади стояка. Скорость заполнения формы металлом в этих системах практически регулируется размерами стояков и питателей:

На ювелирных предприятиях в настоящее время используют разветвленную систему со стояком круглого сечения. Эта система, простая и технологичная, позволяет разместить большое количество изделий и дает возможность приблизиться к основному требованию: обеспечение принципа направленного затвердевания [6,7]. Расчет подобных систем удобнее производить по модулям охлаждения [2]. Исходными данными для определения размеров элементов литниково-питающей системы в этом расчете являются модуль охлаждения массового узла отливки (узла питания) и вес отливки.

Для случаев, когда форма массивного узла ювелирных отливок имеет сложную конфигурацию и рассчитать модуль его охлаждения сложно, авторы статьи предлагают метод расчета, основанный на использовании широко применяемых в литейном производстве закономерностей гидравлики с учетом действия центробежных сил.

Определяют площади сечений элементов литниковой системы, принятой конструкции, которые обеспечивают заполнение формы за определенное время.

1. Определение площади поперечного сечения питателей

Объем металла, вытекающий в единицу времени из литниковой системы, можно определить по формуле [8]

где Q — объем металла, вытекающий в единицу времени, см³/сек;

ΣF_n - суммарная площадь поперечного сечения всех питателей;

υ_ср - средняя скорость истечения металла из питателей в полость формы, м/сек;

μ - коэффициент расхода, отражающий общее сопротивление всей формы. По данным [8], он равен 0, 5-0, 7.

Исходя из (2), площадь поперечных сечений питателей,

Так как отливку получают центробежным способом, в (3) υ_ср - средняя центробежная скорость, с которой металл заливается в полость формы.

где ω - центробежное ускорение;

t - время заливки, сек.

Скорость истечения металла из питателей зависит от момента времени, в который происходит заливка, поэтому для расчетов используем среднюю скорость

Центробежное ускорение, возникающее за счет центробежной силы, зависит от линейной скорости, с которой вращается форма, и радиуса вращения:

где υ - линейная скорость вращения, м/сек;

ρ - — радиус вращения.

Линейная скорость при вращении

где п — скорость вращения, об/мин.

Для определения скорости металла при заливке необходимо знать время, в течение которого произошла заливка всего металла в полость формы. Его можно определить, используя формулу пути при равноускоренном движении

где h — высота стояка, мм;

a_n - ускорение.

Объем металла, вытекающего из литниковой системы в единицу времени,

где θ — объем заливаемого металла, см³

Находим объем расплавленного металла

где Р — вес заливаемого металла, г;

γ - плотность сплава при температуре заливки, г/см³.

Подставляя найденные значения в (3), определяем суммарную площадь питателей.

Площадь одного питателя находят по формуле

где Q_n - объем металла для заполнения одного изделия в единицу времени, см³/сек.

Число изделий, размещаемых на стояке в одном сечении, определяют по формуле

Обычно на практике сечение писателей увеличивают, чтобы заполнение производилось с меньшей скоростью.

2. Определение площади поперечного сечения стояка

Площади поперечного сечения стояка находят из соотношения (1).

Пример расчета.

Необходимо рассчитать литниково-питающую систему для центробежного литья ювелирных изделий по выплавляемым моделям из сплавов золота, отливаемых на машине типа НLS-1,5.

В данном случае используют разветвленную схему заливки: отливки с питателями располагают вокруг центрального питающего стояка.

При числе оборотов машины п=300 об/мин и расстоянии от оси вращения до литниковой системы ρ = 0,3 м получим линейную скорость вращения

Находим величину центробежного ускорения

Определяем объем расплавляемого металла (плотность сплава ЗлСрМ 583-80 при температуре 1100^°С составляет 12 г/см³

(вес заливаемого металла не превышает 500 г).

Вычисляем время заливки (высота стояка — 150 мм)

Находим среднюю скорость истечения металла из питателей в полость формы

Объем металла, вытекающего в единицу времени из литниковой системы,

Определяем суммарную площадь питателей, размещенных в одном сечении,

Площадь сечения стояка, согласно соотношению (1),

Отсюда D _ст =(6-4) мм.

При литье драгоценных сплавов доминирующим является стремление сократить размеры и, следовательно, расход металла на литниковую систему.

Приведенный расчет показывает, что можно применять стояки диаметром 4 мм. На Киевском ювелирном заводе и Калининградском янтарном комбинате была опробована литниковая система с питающим стояком такого диаметра. Выход годного металла на участке литья увеличился в среднем на 8-10%, а брак отливок в опытных партиях на конечных операциях снизился на 3-5%.