Выбор и расчет конструкции литниково-питающей системы для отливки детали 'Шкив тормозной'

Выбор и расчет конструкции литниково-питающей системы для отливки детали 'Шкив тормозной'

Содержание

Реферат

Задание

Введение

. Выбор конструкции литниковой системы

. Выбор положения отливки в форме и плоскости разъема формы

. Расчет размеров прибыли

. Расчет прибылей

. Расчет времени заполнения формы

. Расчет параметров стопорного ковша

. Расчет площадей поперечных сечений элементов литниковых систем

Список используемых источников

Реферат

В курсовом проекте разработана литниковая система для получения отливки "шкив тормозной" массой 1384 кг из чугуна ВЧ50.

Пояснительная записка состоит из 27 страниц, 6 рисунков и используемых источников.

Ключевые слова: литниковая система, прибыль, поперечное сечение элементов литниковой системы.

Задание

Выбрать конструкцию и рассчитать литниковую систему для отливки "Шкив тормозной", массой 1384 кг; число отливок в форме - 1, материал-высокопрочный чугун марки 50 .

Рисунок 1- Шкив- тормозной

Введение

Чугун - сплав железа с углеродом более 2,14%. Чугуны - более дешёвый материал, чем стали. Они обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей.

Литая структура чугунов содержит концентраторы напряжений, в качестве которых могут быть многочисленные дефекты, такие как пористость, ликвационная неоднородность, микротрещины, отчего напрямую зависит конструкционная прочность.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны широко применяются в машиностроении. Детали машин, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем детали, изготовленные обработкой резанием из горячекатаных стальных профилей или из поковок и штамповок. Хорошая жидкотекучесть чугунов позволяют получать из них достаточно качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.

Конструирование и расчет литниковых систем для чугунных отливок является не менее важным этапом литейной технологии.

Основные требования конструкции литниковых систем отливок могут быть сформулированы следующим образом:

1   Подвод металла к полости формы должен осуществляться с высокой скоростью, но плавно в те места, разогрев которых усилит эффект направленного затвердевания отливки;

2       Направление движения потока жидкой стали в полости литейной формы должно быть односторонним, обеспечивающим вынос в прибыль газов и неметаллических включений, например, тангенциальный подвод;

         Литниковые системы не должны тормозить усадку отливок, вызывая тем самым повышение внутренних напряжений;

         Конструкция литниковых систем должна обеспечивать заливку формы через заполненный канал;

         Расход металла и его охлаждение в каналах литниковой системы должны быть минимальным.

Не следует забывать о питании отливки. Питание отливки - это процесс компенсации объемной усадки, проявляющейся в виде усадочных раковин и усадочных пор. Источником питания служит прибыль. Прибыль - это элемент литниковой системы для питания отливок в период затвердевания с целью предупреждения образования усадочных раковин. При заливке в формы металлом в прибыли происходит накопление жидкого металла, идущего на компенсацию объёмной усадки затвердевающей отливки. После формирования отливки прибыль отделяют от неё, как и всю литниковую систему, и утилизируют.

Для эффективной работы прибыли необходимо обеспечивать направленность затвердевания металла в полости формы от торцевых частей или периферийных областей к внутренним, от тонких стенок к толстым, от самой толстой части отливки к прибыли. При наличии протяженных стенок одинаковой толщины направленность затвердевания создают утолщением стенки в направлении к прибыли. Этому же способствует интенсивное охлаждение переферийных областей и замедленное - около прибыльных областей.

Часть отливки, затвердевающую в последнюю очередь, называют тепловым центром. Он требует питания от прибыли. При этом количество прибылей обычно равно числу тепловых центров. Требуют питания и отливки, имеющие толстые протяженные стенки одинакового сечения, хотя они не имеют явных тепловых центров. В зависимости от размеров таких стенок и их расположения в форме для питания используются одну или более прибылей.

При этом каждая прибыль действует автономно и имеют свою зону питания. В отливках с сочленениями стенок разной толщины части отливки с большей толщиной стенок могут выполнять функции прибыли. В этом случае для них общим тепловым центром становится часть отливки с максимальной толщиной стенок.

Для полноценного обеспечения питания отливки, снижения расхода металла, а также для удобства выполнения технологических операций при формовке и финишной обработке отливок прибыли должны отвечать следующим требованиям:

1   Металл в прибыли всегда должен затвердевать позже, чем в тепловом центре зоны питания;

2       Количество жидкого металла в прибыли должно быть достаточно для полной компенсации объемной усадки металла отливки или её питаемой части;

         Уровень металла в прибыли всегда должен быть выше уровня металла в питаемом узле;

         Геометрия прибыли, её расположение в форме и сочленение с отливкой должны быть технологичными, т.е обеспечивать удобство формовки, а также легкость отделения прибыльной части от отливки;

Прибыль должна быть экономичной, т.е. расход металла на питание отливки должен быть минимальным. Так как отливка претерпевает усадку, то расчет литниковой системы целесообразно начать с расчёта прибыли после выбора положения отливки и плоскости разъема.

1. Выбор конструкции литниковой системы

Литниковая система представляет собой совокупность каналов и резервуаров, через которые металл заполняет полость формы, соответствующую отливке. В общем случае литниковая система состоит из литниковой чаши, стояка, распределительного канала (шлакоуловителя), и литников (питателей).

Литниковая чаша или воронка предназначается для принятия струи металла из ковша, гашения ее энергии, первичного отделения крупных частиц шлака и поддержания постоянного уровня металла при заполнении формы. В воронках отделение шлака не происходит. Металл в них охлаждается меньше, чем в чашах.

Стояк предназначается для передачи металла из литниковой чаши или воронки в нижние части формы. Стояки имеют круглое сечение и небольшую конусность. В основании стояка имеется чашечка - зумпф, гасящая удар струи и препятствующая размыванию формы.

Распределительный канал (шлакоуловитель) предназначается для направления жидкого металла к нескольким отливкам, помещаемым в одной форме, или к различным узлам одной крупной отливки. Кроме того, в нем происходит отделение шлаковых частиц. Распределительный канал (шлакоуловитель) размещается горизонтально по разъему, обычно в верхней полуформе. Его сечение чаще всего имеет форму трапеции.

Прибыль - это элемент литниковой системы, который обеспечивает процесс питание отливки, т.е. компенсацию объемной усадки сплава.

Также иногда в литниковую систему включаются такие элементы, как выпора или дроссель.

Дросселя предназначен для снижения скорости заполнения отливки и обеспечения спокойного заполнение полости формы.

Выпор служит для вывода газов из полости формы и частичного питания тепловых узлов. В некоторых случаях используются как прибыли.

В зависимости от соотношения поперечных сечений каналов литниковой системы существуют два вида литниковых систем - сужающиеся (запертые) и расширяющиеся (незапертые).

Также литниковые системы классифицируются по способу подвода металла:

Верхняя (дождевая) литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость литейной формы сверху.

Боковая литниковая система выполняет подачу расплавленного металла в полость литейной формы по плоскости разъема формы.

Сифонная литниковая система выполняет подачу расплавленного металла в полость литейной формы снизу, с донной ее части, что обеспечивает наиболее спокойное ее заполнение.

Ярусная литниковая система обеспечивает подачу расплав-ленного металла в полость формы на нескольких уровнях.

Существуют также другие разновидности литниковых систем, который чаще всего используются в частных случаях.

Для заливки нашей формы, исходя из положения отливки в форме, выбираем верхнюю литниковую систему.

. Выбор положения отливки в форме и плоскости разъема формы

Выбор положения отливки в форме и плоскость разъема формы взаимозависимы и должны иметь, по возможности одну поверхность разъема, свободное извлечение модели, наименьшее количество стержней, нужно стремиться к минимальной высоте формы.

Положение отливки в форме должно обеспечивать хорошее извлечение модели, направленное затвердевание и питание всех нижних элементов отливки, наиболее простое оформление литниковой системы, преимущественно верхний отвод газов, минимальное количество стержней.

При выборе плоскости разъема руководствуются следующими правилами:

Поверхность разъема желательно иметь одну и плоскую, без отъемных частей и большого количества стержней. Выступающие части должны располагаться лучше в нижней полуформе

Поверхность разъема должна обеспечивать получение простого модельного комплекта, состоящего из минимального количества деталей

Поверхность разъема необходимо выбирать так, чтобы иметь минимальное количество стержней, и чтобы высоты модели и формы были минимальными;

Для получения более тонкой отливки все ее части лучше располагать в нижней полуформе. Это исключит перекос, обеспечит надежное крепление стержней

Формы для отливок, имеющих конфигурацию тел вращения с обрабатываемыми наружными и внутренними поверхностями, лучше заливать в вертикальном положении или центробежным способом. Иногда целесообразно формовку выполнять в одном положении, а заливать форму в другом.

На основании выше изложенного, выбираем положение отливки в форме и плоскость разъёма формы, представленные на рисунке 2.

3. Расчет размеров прибыли

Для получения герметичных отливок из высокопрочного чугуна используют питающие литниковые системы. Подпитка массивных и ответственных узлов осуществляется из обычных прибылей и питающих бобышек. Для подпитки узлов малой массы можно использовать простое увеличение сечения питателей и шлакоуловителей.

Прибылями называются технологические приливы к отливкам, которые затвердевают позднее стенок отливки. Прибыли выполняются в виде дополнительных полостей в форме, жидкий металл их которых компенсирует объемную усадку питаемых узлов.

Прибыль рассчитывается исходя из конструкций отливки и наличий тепловых узлов, которые будут затвердевать последними.

Рассчитаем прибыль для питания отливки "Шкив тормозной": массой 1384 кг, материал чугун марки ВЧ-50.

Прибыль необходимо установить на верхней части отливки, где расположен наибольший тепловой узел. Расположение прибылей на отливке показано на рисунке 4. Для компенсации усадки выбираем закрытую полусферическую прибыль. Параметры полусферической прибыли изображены на рисунке 3.

Рисунок 3 -Параметры полусферической прибыли

Диаметр сферы и верхнего сечения прибыли находим по формуле:

,

где D_пр- диаметр прибыли, м;

V_пу - объем питаемого узла,;

δ - преобладающая толщина стенки отливки, м.

Так как прибыль питает всю отливку, то объем питаемого узла будет равен объему отливки:

,

где G_отл - масса отливки, кг;

ρ - плотность чугуна.

.

Преобладающая толщина стенки отливки

.

Тогда диаметр прибыли будет равен

.

Для закрытой полусферической прибыли высота находится в пределах . Примем значение 1,6.

Тогда высота прибыли будет равна

.

Рассчитаем массу прибыли

,

где h_ц-высота цилиндрической части прибыли, см;

V_пр - объем прибыли, .

.

Тогда масса прибыли будет равна

.

Объем прибыли определяется как

.

Проверим правильность расчета прибыли по ТВГ. Для отливок массой 500-5000 кг ТВГ находится в пределах 58 - 66 %.

,

где G_отл - металлоемкость отливки, кг;

G_ф - металлоемкость формы, кг;

,

где G_пр - металлоемкость прибыли, кг;

G_л.с. - металлоемкость литниковой системы, кг;

G_л.с - масса литниковой системы без прибыли, кг. Примем 11% от массы отливки G_отл; G_л.с =0,11 1384 = 152,24 кг;

;

.

Расчетное значение ТВГ больше табличного значения, следовательно, прибыль рассчитана неверно.

Воспользуемся следующим методом расчета прибыли. Рассчитаем прибыль, исходя из принятия требуемого ТВГ.

Примем ТВГ=60%.

; ;

Определим размеры прибыли:

Примем .

4. Расчет прибылей

литниковый шкив тормозной ковш

Отметим, что для хорошего питания данной отливки желательно использовать эллиптические прибыли. Диаметр вписанной в питаемый узел окружности мм. Ширина основания прибыли в этом случае составит

,

 мм.

Высота прибыли определяется по формуле

,

 мм.

Протяженность теплового узла для нашей отливки равна длине средней окружности

 мм;

,

где  - длина питаемого узла, мм;

 мм;

Принимаем относительную длину прибылей, равную 10% протяженности питаемого узла. Тогда длина прибылей

мм

В зависимости от длины питаемого узла число прибылей определяется по формуле

,

 - ширина прибыли, см.

шт.

Из данных расчетов можно сделать вывод, что для качественного питания необходимо установить две прибыли.

Длина основания одной прибыли составляет

 мм.

Рисунок 4- Схема расположения прибылей

. Расчёт времени заполнения формы

Для заливки формы, исходя из положении отливки в форме выбираем верхнюю литниковую систему с подводом металла по плоскости разъема, что показано на рисунке 5. Заливку производим из стопорного ковша; =1384 кг, количество отливок в форме 1.

Рисунок 5 - Отливка " Шкив - тормозной" с литниковой системой.

Рассчитаем время заполнения полости формы по формуле Г. М. Дубицкого - К.А, Соболева:

;

где  - время заполнения, с;

S - коэффициент, зависящий от сплава и условий заливки;

δ - преобладающая толщина стенки отливки, мм;

G_ф- металлоемкость отливки, кг;

n - количество отливок в форме;

Выбираем коэффициент S=2 - горизонтальная литниковая система, материал чугун, ПГФ сухая.

Металлоемкость отливки равна

G_ф=G_отл+G_л.с.+ G_пр=1384+152,24+770,42=2306,66 кг;

Массу литниковой системы примем 11% от массы отливки

G_л.с.=0,11x1384=152,24 кг;

Следовательно, время заполнения будет равно

;

Определим и проверим правильность расчета времени заполнения через критическую скорость:

,

где С - высота отливки с верхней прибылью, заполняемой через

общую литниковую систему, мм;

С=;

Получаем, что расчетная скорость равна

.

Полученное значение продолжительности заливки совпадает с табличными данными, это значит что значение посчитано верно.

. Расчет параметров стопорного ковша

Заливка форм крупных и средних отливок, а в условиях единичного и мелкосерийного производства даже мелких форм, производится из стопорных ковшей, емкость которых колеблется в весьма широких пределах от 1т до 90т и более.

Расход металла в системе ковш - литниковые каналы - полость формы определяется напором металла в ковше и диаметром отверстия стакана.

Определим заданную весовую скорость истечения металла, используя формулу Б. Ованна:

Из справочника для данной скорости истечения металла  = 14,31 кг/с из ковша без торможения струи, диаметр стаканчика примем равным 40 мм. Тогда площадь стаканчика =12,56 .

Определим минимальный уровень металла в ковше, при котором возможна данная скорость истечения:

С меньшим уровнем заливать нельзя.

Определим изменение уровня металла в ковше во время разливки :

средний внутренний диаметр стопорного ковша, зависящий от его емкости, см.

Принимаем ковш емкостью 10 т из условий заливки формы со средним диаметром 127,9 см и максимальным уровнем металла H=132см.

Определим начальный уровень металла в ковше перед заливкой:

Н_н= Н_к + Н= 17,10+25,663=42,763см ;

H=132см> Н_н=42,763см, следовательно емкость ковша выбрана правильно.

Перейдем к следующему этапу проверки правильности выборов ковша. Для этого необходимо определить весовую скорость истечения без торможения при начальном уровне металла в ковше

;

где - начальная весовая скорость истечения без торможения, кг/с;

 - площадь поперечного сечения отверстия стакана, принятая в начале расчета, .

Допустимые соотношения между начальной и заданной весовыми скоростями можно представить в виде неравенства:

;

где - коэффициенты торможения струи и размыва стакана в процессе разливки.

При разливке через магнезитовый стакан =1. Значения коэффициента торможения принимаются из условия разливки сформированной струей без разбрызгивания .

;

Следовательно, параметры ковша и стаканчика выбраны правильно. Заливаем из ковша 10 т с начальным уровнем 42,763 см через стаканчик диаметром 40 см.

7. Расчет площадей поперечных сечений элементов литниковых систем

Площадь поперечного сечения питателей для всех отливок в форме определяют из сопоставления двух формул:

 ; ;

где μ_к - коэффициент расхода ковша, примем 0,89;

μ_л.с - коэффициент расхода литниковой системы, примем 0,47,

Н_н=42,763 см

Н_к=17,10 см

Н^н_л.с. - начальный напор в литниковой системе, рассчитывается по формуле:

Н^н_л.с.=Н_н + h +Н_ст ,

Н_ст - высота стояка вместе с воронкой, Н_ст =60 см;

Н^н_л.с.=42,763 + 20 + 60 = 122,763 см;

Рассчитаем

Н^к_л.с.= Н_к + h + Н_ст - Р,

где Р - высота отливки в форме от уровня подвода металла. Так как подвод металла производим по плоскости разъёма формы. В нашем случае Р= Н_пр

Н^к_л.с.= 17,10 + 20 + 60 - 71,1 = 26см.

Следовательно,

;

Принимаем наибольшую площадь сечения (19,25  ), исходя из благоприятных условий заливки. Так как отливку питают два питателя, то площадь сечения одного питателя:

F_п = 19,25/2 = 9,625 см².

∑ F_п : F_шл : F_ст = 1,2 : 1,0 : 1,0

Определим площади поперечных сечений питателя и стояка:

F_шл = 19,25 /1,2 = 16,04 см².

F_ст = 16,04 см²;

Проверка: ∑F_п:F_шл:F_ст =9,625<16,04<16,04<19,25 ;

Равенство выполняется, следовательно, площади поперечных сечений элементов литниковой системы рассчитаны верно.

В зависимости от площади поперечного сечения элемента литниковой системы находятся его размеры из справочника, которые представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Элементы литниковой системы; а - питатель, б -шлакоуловитель, в - стояк.

Список использованных источников

1 Л. Я.Козлов, В. М.Колокольцев, К. Н. Вдовин "Производство стальных отливок", - М.: "МИСИС", 2003. - 352 с.

К.Н.Вдовин "Технология литейного производства",- Магнитогорск: МГТУ, 2007. - 183 с.