» » Основные направления проектирования литниковых систем
23.04.2015

Методика проектирования литниковых систем разработана на основе теоретических предпосылок, изложенных в предыдущих разделах. Элементы литниковых систем и их назначение приведены в табл. 22.
Основные направления проектирования литниковых систем

Литниковая система, кроме своего главного назначения — подводить жидкий металл в полость формы, должна обеспечивать устранение или значительное уменьшение специфических недостатков процесса — воздушные включения и местные дефекты поверхности.
Анализ литниковых систем, применяемых на ряде заводов, показывает следующее:
1. Литниковая система используется главным образом для обеспечения хорошего заполнения формы. При этом создаются большие линейные скорости впуска и движения металла, которые, с одной стороны, приводят к быстрому износу форм от эрозии, а с другой стороны, — к завихрениям, которые и являются одной из главных причин образования пористости.
2. При расположении питателей в плоскости разъема форм (преобладающий случай при применении боковых питателей) создаются условия для образования лобовых ударов.
3. При выборе сечений элементов литниковой системы не учитываются условия для правильного преобразования и использования давления на различных этапах литейного цикла. Имеют место значительные потери кинетической энергии. He соблюдаются условия для регулирования теплового баланса формы.
4. При литниковой системе зачастую плохо вентилируются формы; металл, поступающий под давлением, препятствует вытеснению воздуха в вентиляционные каналы, тогда как, будучи правильно направленным, он должен как поршень вытеснять воздух.
В подавляющем большинстве случаев металл, дойдя до плоскости разъема формы, сначала заглушает вентиляционные каналы, прорезанные в плоскости разъема, а затем обратным ходом поступает в глубинные участки формы, закупоривая в них воздух.
В настоящее время еще не разработаны методы расчета литниковых систем для литья под давлением, что объясняется сложностью процесса и многообразием факторов, действующих в совокупности в течение незначительного отрезка времени (долей секунды). Однако в результате проведенных исследований в достаточной мере определились направления проектирования литниковых систем.
Чтобы с помощью литниковых систем управлять факторами, влияющими на ход процесса, и физическими явлениями, происходящими при заполнении формы, необходимо придерживаться следующих правил с учетом ранее изложенных соображений:
1) регулировать соотношение сечений элементов литниковой системы таким образом, чтобы избегнуть бесполезных потерь конечного гидродинамического давления;
2) увеличивать толщину впускных литников;
3) устранять лобовые удары;
4) впускать металл с одной стороны;
5) создавать условия, при которых направление движения металла будет совпадать с движением воздуха;
6) создавать «направленность» струи металла;
7) применять резервуары для перегонки в них металла через трудно заполняемые участки отливки;
8) регулировать температуру формы в различных ее участках.
Сохранение конечного гидродинамического давления. Для сохранения достаточной величины конечного гидродинамического давления, способствующего получению отливки с четкими контурами и повышенной плотностью, необходимо по возможности устранить все бесполезные потери кинетической энергии, которые наблюдаются в процессе заполнения формы и вызываются торможением струи металла.
Потери кинетической энергии начинаются до момента впуска металла в рабочую полость формы.
В ряде случаев делается резкий переход от ходового литника к питателю. Особенно часто это наблюдается в крупных отливках, изготовляемых с применением центральных литников, где преобладают широкие, но низкие питатели большой длины.
iB таких питателях в результате трения при торможении наблюдаются значительные потери кинетической энергии, что вызывает преждевременное превращение ее в теплоту, усиливающую перегрев того участка формы, где и ранее был усиленный нагрев от ходового литника большого объема.
Для правильного хода процесса необходимо, чтобы преобразование кинетической энергии движущегося металла в теплоту происходило в рабочей полости в момент остановки металла при гидравлическом ударе, а не в питателях. Для этого необходимо соответственно регулировать как сечение питателей, так и впускных литников, имея в виду, что большие потери кинетической энергии происходят также при впуске в рабочую полость формы в тех случаях, когда впускной литник имеет малую высоту.
Увеличение толщины впускных литников. При существующих режимах литья под давлением давление в основном используется для принудительного заполнения тонких и глубоких полостей формы. Уплотнение металла может при этом осуществляться только при изготовлении тонкостенных и равностенных деталей, отвердевающих очень быстро и одновременно на всех участках. Подобные отливки могут быть уплотнены в момент окончания заполнения с помощью конечного гидродинамического давления, действующего в течение незначительного отрезка времени.
При изготовлении подобных отливок важна не только объемная скорость заполнения, зависящая в основном от скорости опускания прессующего пуансона, но главным образом линейная скорость. При постоянной объемной скорости заполнения высокая линейная скорость должна достигаться путем уменьшения сечения впускного литника.
Это положение надо принять с некоторыми поправками. При малом сечении впускного литника в форме образуется очень большое гидродинамическое сопротивление, которое при поступлении рабочей жидкости непосредственно от аккумулятора с газовой подушкой, сжимающейся от повышения противодавления, замедляет ход прессующего пуансона, а следовательно, уменьшает объемную скорость заполнения.
Так как на практике тонкие впускные литники применяются не только для тонкостенных, но и для толстостенных отливок, то металл во впускном литнике (хотя бы и утолщенном в ряде случаев, но всегда более тонком, чем отливка) затвердевает быстрее отливки. При этом он отключает ее от источников давления и питания.
Использовать большое избыточное давление и остаток металла в камере сжатия для уплотнения отливок можно при значительной толщине впускного литника, нередко не уступающей толщине стенок отливки, а в отдельных случаях даже превосходящих эту толщину.
Увеличивать толщину впускных литников следует до тех максимальных пределов, при которых не будут ухудшены условия формообразования.
При изготовлении отливок с толстыми впускными литниками уменьшается линейная скорость впуска, благодаря чему металл более спокойно входит в форму и значительно уменьшаются или полностью устраняются завихрения.
При таком поступлении металла осуществляется впуск, при котором струя металла, пройдя через впускной литник, расширяется до тех пор, пока не коснется стенок формы.
В утолщенных впускных литниках меньше торможений, а следовательно, и потерь кинетической энергии.
Устранение лобовых ударов. Устранение лобовых ударов с помощью литниковой системы осуществляется следующим образом.
При отливке деталей с неподвижными стержнями 1, где лобовые удары наиболее часто имеют место, с помощью вставок 2 и специальных рассекателей 3 (фиг. 98) можно повернуть струю металла, направив ее параллельно стенкам формы и стержню. Поворот струи может быть также осуществлен с помощью ступенчатого разъема.
Основные направления проектирования литниковых систем

При низких деталях с неглубокими полостями устранить лобовые удары можно, располагая питатели в подвижной части (фиг. 99).
Основные направления проектирования литниковых систем

Замена неподвижных стержней подвижными в ряде случаев дает возможность устранять лобовые удары, благодаря тому что в этом случае при повороте стержня на 90° струя металла поступает не перпендикулярно к нему, а параллельно. Во всех случаях, где установка неподвижных стержней может привести к образованию лобовых ударов, эти стержни заменять подвижными. Преимущество последних также в том, что создаются более благоприятные условия вентиляции.
При отливке низких деталей кольцевого типа лобовые удары устраняются применением питателей, установленных по касательной. Для устранения лобовых ударов также широко применяются центральные литники.
Значительные преимущества центральных литников будут описаны ниже, однако для устранения лобовых ударов они могут применяться лишь в тех случаях, когда металл по выходе из канала для
ходового литника сможет быть направлен параллельно стенкам формы или неподвижному стержню (фиг. 100).
Основные направления проектирования литниковых систем

Лобовые удары наиболее вредны при больших скоростях впуска, поэтому всякое уменьшение скорости путем применения впускных литников большого сечения (за счет увеличения их толщины) будет способствовать уменьшению вредного влияния лобовых ударов.
Впуск металла с одной стороны. Впуск металла B форму нужно производить с одной (узкой) стороны, чтобы струя металла, войдя в форму, могла занять всю ширину полости формы и последовательно вытеснять из нее воздух.
Завихрения от встречи двух струй жидкого металла, особенно когда струи встречаются на больших участках, более значительны по площади распространения, так как беспорядочно движущиеся струи жидкого металла глубоко пронизывают одна другую. Завихрения, происходящие по этой причине, приводят главным образом к образованию дефектов поверхности.
Условия, при которых направление движения металла совпадает с движением воздуха. Несмотря на то, что вытеснение воздуха является главной задачей, оно не может осуществиться при применяемых в настоящее время литниковых системах.
Разветвленная система вентиляционных каналов является в ряде случаев бесполезной, поскольку металл, заполняющий форму, преграждает путь воздуху в эти каналы.
Литниковые системы должны проектироваться с учетом удаления воздуха из трудновентилируемых участков. Для этого необходимо следующее:
1. Направления металла в рабочую полость формы и воздуха в вентиляционные каналы должны совпадать; при этом не должно быть встречных движений металла и воздуха,
2. В ряде случаев с учетом конфигурации отливки металл должен быть прежде всего направлен в глубинные, трудновентилируемые участки рабочей полости.
При обычно применяемых на практике боковых питателях имеют место встречные потоки металла и воздуха, так как металл, доходящий до плоскости разъема, поворачивает обратно в полость формы, поджимая воздух к вершине полости. Этот недостаток особенно проявляется при литье деталей с глубокими полостями.
При изготовлении подобных деталей боковые литники следует заменять литниками, в которых нет встречных движений металла а воздуха, а именно: центральными, боковыми вертикальными, с кольцевым коллектором и «направленными».
Создание «направленности» струи металла достигается такой литниковой системой, при которой первые порции металла направляются для заполнения глубинных трудновентилируемых участков, удаленных от питателя, минуя участки, прилегающие непосредственно к питателю.
Для получения направленности применяют первый вид впуска при большой скорости металла и при условии, что его струя не раздваивается и не образует встречных потоков.
При отливке коробчатой детали с литником малого сечения, направленным параллельно стенкам формы, металл попадает на вершину, заполняя ее раньше, чем будут заполнены боковые полости (фиг. 101), благодаря чему отливка получается без воздушных включений.
Основные направления проектирования литниковых систем

Устройство перегонных резервуаров. Перегонносливные резервуары различной емкости, расположенные около рабочей полости, главным образом в плоскости разъема, предназначены:
1. Для улучшения условий заполнения участков отливки с пониженной толщиной стенок, расположенных на значительном расстоянии от впускного литника. Для этой цели необходимы резервуары малой емкости.
2. Для устранения неспаев, происходящих при отслаивании металла от первоначального слоя, что нередко наблюдается на участках, удаленных от литника, при отливке крупных деталей коробчатого и корпусного типа. Резервуар с жидким металлом должен быть достаточно большим, чтобы подогреть тот участок, где отложившийся первоначальный слой чрезмерно охлаждается.
3. Для подогрева участков рабочей полости формы, удаленных от впускного литника в целях устранения дефектов поверхности, образующихся при течении металла по холодным стенкам формы. Подобные резервуары также должны иметь значительную емкость.
Перегонные резервуары, предназначенные для удаления воздуха из полости формы разъема, рассматриваются далее.
Регулирование температуры формы на различных участках. Для правильного хода процесса необходимо регулировать температуру формы на различных ее участках, что достигается правильным подбором сечения элементов литниковой системы, а также соответственным их расположением в форме относительно рабочей полости.
Чтобы избежать перегрева формы на участке, где расположены ходовой литник и питатели, необходим такой подбор сечений этих элементов, при котором будет обеспечен плавный переход от одного элемента литниковой системы к другому.
Перегрев может образоваться при завышенном сечении литниковых каналов, когда в них скапливается много металла.
Для устранения этих недостатков необходимо правильно соразмерить сечение этих элементов.
Независимо от сечения литниковых каналов питатели должны сопрягаться с входным литником при достаточном радиусе закругления, что, однако, не должно вызвать скопления металла на этом участке. Это достигается местным уменьшением сечения входного литника с помощью высокого рассекателя и использования этой массы металла для устройства больших галтелей при сопряжении с питателями.
В длинном низком питателе создается значительное торможение и бесполезный нагрев участка формы. Правильная форма питателя изображена на фиг. 102.
Основные направления проектирования литниковых систем

Около впускного литника питатель должен несколько уменьшать свое поперечное сечение при постепенном переходе от высокого и узкого сечения (типа скошенного ребра) к плоскому.
Для устранения дефектов поверхности в отливках, которые образуются при течении металла по стенкам холодной или значительно перегретой формы, температура на всех участках рабочей полости (параллельно плоскости разъема) должна быть по возможности одинаковой. Однако этого трудно достигнуть, так как части полости, удаленные от литников, меньше нагреваются во время заполнения, чем те, по которым проходит вся струя металла.
Выравнивание температуры особенно затруднительно при отливке деталей с большими габаритами.
Металлоемкая литниковая система, сосредоточенная в небольшом участке формы, вызывает значительный местный перегрев его, тем более что первые порции металла, поступившие в форму, имеют более высокую температуру.
Проходя по литниковым каналам и по рабочей полости теплоемкой формы, металл значительно охлаждается, в соответствии с чем меняется и температура поверхности формы.
Полости, в которых выполняются тонкостенные участки отливки, нагреваются меньше, а полости для толстостенных участков больше. Однако размещать толстостенные участки в стороне, противоположной впускному литнику, не всегда возможно, так как это ухудшает процесс затвердевания отливки и уплотнение ее утолщенных участков. Кроме того, при впуске металла сначала в участки большого объема при соответствующем сечении литников легче избежать завихрений.
При переходе же металла из малых полостей в большие, когда он отрывается от стенок, могут образоваться завихрения.
Чтобы регулировать нагрев поверхности формы, не нарушая условий затвердевания, надо таким образом располагать питатели, чтобы рассеиваемое их поверхностью тепло было наименьшим вблизи участков, которые перегреваются, и наибольшим, где температура участков формы ниже оптимальной.
Одним из эффективных методов регулирования нагрева поверхности формы является применение разветвленных питателей, подводящих металл к участку отливки, расположенному в стороне, противоположной от ходового литника (фиг. 103). Такие питатели подогревают участки формы, расположенные вдоль рабочей полости.
Основные направления проектирования литниковых систем

Применение подобных питателей, хотя и вызывает излишний расход жидкого металла, но все же обеспечивает получение деталей без поверхностных пороков.
Современные исследования показали, что в случае применения больших давлений металл может пройти через длинную полость и остаться достаточно подвижным. Таким образом, длина питателей может быть сильно увеличена, что дает возможность расположить их так, чтобы они отдавали свое тепло форме в тех местах, которые другим способом невозможно довести до нужной температуры.
Если конфигурация отливки бывает такой, что нельзя производить впуск металла со стороны, противоположной ходовому литнику, то литники располагаются так, чтобы терялось наименьшее количество тепла при поступлении металла в рабочую полость, а в стороне, противоположной от литника, помешаются дополнительные источники тепла в виде резервуаров, способствующих, помимо выравнивания температуры формы, также перегонке в них первых порций вспененного металла, окислов и воздуха (фиг. 104).
Основные направления проектирования литниковых систем

Сокращение пути металла от камеры прессования до наиболее удаленных точек рабочей полости способствует устранению значительного перепада температур в различных участках рабочей полости формы.
В этом отношении большие преимущества имеют центральные литники, направляющие металл непосредственно из входного литника одновременно во все участки отливки.
Наибольшее количество тепла передается форме от металла толстого входного литника, обычно доходящего до плоскости разъема формы. Особенно значительна толщина (диаметр) литника у машины с холодной горизонтальной камерой прессования (от 38 до 62 мм), что сильно перегревает форму на этом участке.
Одним из эффективных способов уменьшения массы металла ходового литника при его подходе к рабочей полости формы является применение специальных рассекателей.
С помощью этих рассекателей имеется возможность рассредоточить скопление металла при переходе его из входного литника в питатели.