CC BY
27МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.74.041
В.А. Изотов, А.А. Акутин, Ю.С. Федулова
ПРАКТИЧЕСКОЕ ОПРОБОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДОЖДЕВОЙ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П. А. Соловьева
Представлена методика расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для отливок из алюминиевых сплавов, обеспечивающая отсутствие в отливке брака по «вторичному шлакообразованию» и «спай» на стадии заполнения полости литейной формы в условиях наложенных ограничений на заполняе-мость. Проведено практическое опробование разработанной методики расчета. Оценена возможность применения дождевого подвода для отливок из магниевых сплавов.
Ключевые слова: направленное затвердевание, дождевая литниковая система, «вторичное шлакообразование», «спай», методика расчета, минимально допустимая скорость заполнения, критическое значение силы удара струи, температура заливки.
Получение отливок из алюминиевых сплавов является очень сложной задачей, так как эти сплавы имеют высокое сродство к кислороду, малую удельную массу и высокую теплопроводность, сплавы эти относятся к группе А, то есть к сплавам, которые имеют склонность к образованию браков типа «спай», «вторичное шлакообразование», «рыхлота» (в зоне образующегося «проточного течения»). Для получения алюминиевых отливок, в основном, используются литниковые системы типа: сифонной, ярусной, вертикально-щелевой, что не всегда позволяет получать годные корпусные тонкостенные отливки. Это связано с тем, что часть отливки становится литниковой системой для более удаленных частей, что приводит к различным усадочным дефектам. Поэтому совершенствование подачи металла в полость формы без использования ее в роли литниковой системы является очень актуальной задачей. Перспективной для литья корпусных отливок из алюминиевых сплавов может стать дождевая литниковая система, которая нашла применение при получении отливок из чугуна. В тоже время принято, что верхний подвод металла для литья алюминиевых сплавов применять и исследовать нельзя, и проведенный анализ показывает, что надежные методики расчета дождевых литниковых систем для алюминиевых сплавов отсутствуют, хотя системы такого вида получили достаточно широкое распространение в практике литья благодаря ряду преимуществ. Во-первых, подобные литниковые системы дают возможность обеспечить направленное заполнение и затвердевание отливок, что позволяет получать годные отливки, во-вторых, они обеспечивают достаточно высокий коэффициент использования металла. Однако, как показали теоретические исследования, методик проектирования таких литниковых систем не существует. Поэтому проблема разработки и проектирования дождевой литниковой системы для отливок из алюминиевых сплавов с учетом выбора оптимальных размеров, параметров заливки и условий заполнения полости форм расплавом, обеспечивающих необходимое качество отливок, является весьма актуальной.
Исследования, проведенные ранее авторами [1-3], позволили изучить характер течения сплава в дождевой литниковой системе, установить факторы, влияющие на возникно-
© Изотов В.А., Акутин А.А., Ю.С. Федулова, 2012.
вение в отливке дефектов «вторичное шлакообразование», «спай», «неслитина» на стадии заполнения полости литейной формы и наложить ограничения на заполняемость, обеспечивая при этом отсутствие образования данных видов брака. На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработана методика расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы для отливок из алюминиевых сплавов, которая заключается в следующем:
1) принимаются начальные условия: толщина стенки отливки 5, напор Н, высота падения расплава в полости литейной формы к;
2) определение максимально возможного диаметра струи ^отв.тах, м:
^отв.шах 2
N
-кр- (1)
2-р-л-g-р-
где р - плотность расплава, кг/м ; р - коэффициент расхода литниковой системы, р = 0,8; Н - напор металла, м. Рекомендуемый напор Н = 0,05 - 0,1 м; к - высота падения металла, м; Ыщ, - критическое значение величины силы удара струи расплава, #кр=0,28 Н. Диаметр питателя принимается с учетом условия:
^тв < 5 (2)
^отв < ^отв.тах
(3)
3) определение минимально допустимой скорости заполнения полости литейной формы расплавом Юф.т;п, м/с;
Г К V321 Г Н Vй9 Г а-у ^
0,503
Юф.тт
_ф
V ьм J
Н
V 1ом J
4-рм- g ■ ь
(4)
где Ьф и Ьм - теплоаккумулирующие способности формы и металла соответственно;
4) определение минимального количества питателей, обеспечивающих заполнение
полости литейной формы:
Птп = Ьотл / 120-10-3, (5)
где Ьотл - длина стенки отливки, в которую подводятся «дождевые» питатели. Количество питателей принимается с учетом условия:
п > пт1ш (6)
5) определение расхода расплава через питатели:
л2
ботв =р-л/2-^Я -п- —. (7)
Должно выполняться условие неразрывности потока:
бф = ботв; (8)
6) определение скорости заполнения полости формы расплавом:
Ю = ^. (9)
Должно выполняться условие:
Юф > Юф.тш . (10)
Если оно не выполняется, то необходимо увеличить расход, приняв больше количество питателей.
7) определение длины «компактной» части струи расплава:
I = Ь Чтв , (11)
Ь = 10,17 - Бг0Д6 - Шеа408. (12) Должно выполняться условие:
I > Ьотл. (12)
Если условие (12) выполняется, то отливка заливается и обеспечиваются условия бездефектного заполнения с рассчитанными параметрами литья. Если условие (12) не выполняется, то необходимо увеличить диаметр отверстия, но при этом должны выполняться условия (2) и (3). Затем провести расчет повторно. Если условия (2) и (3) не выполняются, то бездефектное заполнение полости литейной формы невозможно и необходимо сменить вид литниковой системы;
6) из соотношения Е¥пит : Е¥лх : Е¥ст = 1 : 2 : 1 (1 : 3 : 1) (условие замкнутости литниковой системы) рассчитываются геометрические размеры элементов литниковой системы.
7) определение коэффициента теплоотдачи а,
Вт/(м2-К):
Ки^ -X а =-——,
1о (13)
где X - теплопроводность металла, Вт/м-К; Ки^ж - критерий Нуссельта, характеризует отношение теплоотдачи в результате движения потока к передаче теплоты чистой теплопроводностью:
Кил = 0,000017 - Ре^47 , Ре^ < 80, (14)
где Ре^ж - критерий Пекле, представляет собой среднюю меру отношения интенсивности переноса теплоты теплопроводностью:
юср' 10
Ре^к , (15)
а
где а - коэффициент температуропроводности; юср - средняя скорость падения струи расплава:
^ =Ш0+ш1= Ц-У 2 - £ - Н 2 - £ - (ц-2 Н + И) (1б)
8) определение температуры заливки расплава:
Т _ а-Тпов -Ат-2-Ат-а-Г0Кр + 2•с-р-/0 • Тпов
. n____( Re,*- .)
(2 - с -р- /0 - Ат-а)-
1-Z
0,936
"г5ж 0i лк V LiaK J
i = 1 V ,лк J
V V 'лк x JJ
где Тпов - температура поверхности расплава, Тпов = Ть + АГраспл, К; Ть - температура ликвидуса сплава, К; АГраспл - изменение температуры расплава, К; АГраспл = 30 °С - значение получено экспериментально; Токр - температура окружающей среды, К; Ат - время падения металла, с:
И
Ат= , ? ; (18)
Л/2 - £ - (Ц2 - Н + И)
с - теплоемкость металла, Дж/кг-К; АТЛС - потери теплоты металла при его течении в каналах литниковой системы, град:
АТлс = Тзал-I (0,936^ - /^к / 4ж Г'75); (19)
1=1
где Re;^ - критерий Рейнольдса:
Ке^ = Ю'лк - ^ , (20)
V
где V - кинематическая вязкость расплава, м/с; Ьглк - длина литникового канала, м; /0глк -характерный размер элемента литниковой системы, м:
/0лл = , (21)
где ¥г - площадь сечения литникового канала, м2; Рг - периметр сечения литникового канала, м; п - количество литниковых каналов, в которых определяется охлаждение расплава.
По разработанной методике проведен расчет дождевой литниковой системы для отливки «Крышка» (рис. 1) из сплава АК12, массой 2,4 кг, габаритные размеры: 310x162x129 мм.
Рис. 1. 3Б-модель отливки «Крышка»
Отливка крышка с дождевой литниковой системой представлена на рис. 2.
Рис. 2. Отливка с дождевым подводом расплава
Для подтверждения адекватности разработанной методики по рассчитанным исполняемым размерам дождевой литниковой системы получена экспериментальная отливка «Крышка». Залитая отливка с элементами литниковой системы представлена на рис. 3.
Рис. 3. Опытная отливка «Крышка» и макрошлиф боковой стенки опытной отливки
Для того, чтобы оценить загрязненность полости литейной формы изготовлен макрошлиф боковой стенки отливки с помощью фрезерования. Полученный образец показал наличие мелких пор в зоне технологического напуска на механическую обработку.
Проведена оценка возможности применения дождевой литниковой системы для магниевых сплавов. Для этого разработаны экспериментальные литейные формы для получения отливок типа «плита» с размерами 120х150х10 мм. Заливку проводили в полость формы через стояк и коллектор. Диаметр стояка 15 мм. Эксперименты проводили на сплаве МЛ5. Температура заливки 720 0С. Для сравнения были залиты 5 отливок. Подвод расплава осуществлялся через щелевой питатель толщиной 6 мм, через литниковую сетку с разной площадью отверстий и через «дождевые» питатели (рис. 4). Количество включений в отливке оценивали по снимкам рентгенодефектоскопии опытных отливок.
В отливках, залитых через прямые дождевые питатели, а также с помощью подвода расплава через сетку, отсутствуют неметаллические включения. Аналогичный результат достигнут с помощью вертикально-щелевого подвода расплава.
Прямые «дождевые» питатели
Наклонные «дождевые» питатели
Подвод расплава через сетку
Вертикально-шелевой подвод асплава
й?отв=0,005 м, N = 0,089 Н, напор Н = 0,13 м, z = 0,21 %
¿отв=0,003 м, N = 0,032 Н, напор Н = 0,13 м, z = 2,1 %
й?отв=0,0025 м, N = 0,022 Н, напор Н = 0,13 м, z = 0 %
<=0,006 м, z = 0 %
Рис. 4. Схемы подвода расплава в полость литейной формы и снимки рентгенодефек-тоскопии экспериментальных отливок
Выводы
Разработанная методика расчета дождевой литниковой системы позволяет получать отливки с минимальным весом литниковой системы и с отсутствием брака по «вторичному шлакообразованию». Адекватность методики расчета подтверждена практическим опробованием, в результате которого получена отливка «Крышка» из алюминиевого сплава. Это свидетельствует о том, что разработанная методика является надежной и пригодной для применения ее на производстве при получении отливок из алюминиевых сплавов. Результаты рентгенодефектоскопии экспериментальных отливок из магниевых сплавов позволяют сделать вывод о возможности применения дождевого подвода и для магниевых сплавов,
адаптировав разработанную методику расчета исполняемых размеров дождевой литниковой системы.
Библиографический список
1. Артамонова, Ю. С. Выбор оптимальных скоростей заполнения полости литейной формы при использовании дождевой литниковой системы / Ю. С. Артамонова [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. - М., 2011. № 6.
2. Изотов, В. А. Выбор температуры заливки алюминиевого сплава при заполнении полости формы дождевой литниковой системой / В. А. Изотов, А. А. Акутин, Ю. С. Артамонова, // Вестник «РГАТУ им.П. А. Соловьева». - Рыбинск, 2011. № 2 (21).
3. Артамонова, Ю. С. Возможность использования дождевой литниковой системы для заливки форм сплавами на основе алюминия / Ю. С. Артамонова [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. - М., 2012. № 2.
Дата поступления в редакцию 16.10.2012
V. A. Izotov, A. A. Akutin, Y. S. Fedulova
THE PRACTICAL TESTING OF EXECUTABLE SIZES CALCULATION METHODOLOGY OF SHOWER GATE FOR ALU-ALLOY
Rybinsk State Aviation Technical University n.a. P. A. Solovyov
The executable sizes calculation methodology of shower gate for alu-alloy castings provided the «secondary slag formation» and «shut» absence in casting on a mold cavity filling stage in terms of limited filling is submitted. The practical testing of designed calculation methodology is executed. The application possibility of shower gate for magnesian alloy is estimated.
Key words: aimed solidification, shower gate, «secondary slag formation», «shut», calculation methodology, minimum possible filling speed, critical value of jet blow, pouring temperature.
