Навигация по таблицам
- Коэффициенты расхода для различных сплавов
- Соотношения сечений литниковых систем
- Коэффициенты для расчета времени заливки
- Рекомендуемые размеры элементов
Таблица 1. Коэффициенты расхода для различных сплавов
| Материал отливки | Коэффициент расхода μ | Плотность жидкого металла, кг/м³ | Особенности |
|---|---|---|---|
| Серый чугун | 0,35 – 0,45 | 7000 – 7200 | Сужающиеся системы, эффективное улавливание шлака |
| Сталь (тонкостенное литье) | 0,30 – 0,50 | 7800 – 7850 | Толщина стенок до 40 мм |
| Сталь (толстостенное литье) | 0,65 – 0,80 | 7800 – 7850 | Толщина стенок более 40 мм |
| Алюминиевые сплавы | 0,40 – 0,60 | 2400 – 2700 | Расширяющиеся системы, защита от окисления |
| Медные сплавы | 0,30 – 0,55 | 8200 – 8900 | Умеренно расширяющиеся системы |
| Магниевые сплавы | 0,35 – 0,50 | 1700 – 1800 | Защита от воспламенения |
Таблица 2. Соотношения сечений элементов литниковой системы
| Материал | Питатели (Fпит) | Шлакоуловитель (Fшл) | Стояк (Fст) | Тип системы |
|---|---|---|---|---|
| Чугун | 1,0 | 1,2 | 1,4 | Сужающаяся |
| Сталь углеродистая | 1,0 | 1,3 | 1,5 | Слабо расширяющаяся |
| Медные сплавы | 1,0 | 2,0 – 4,0 | 1,0 | Расширяющаяся |
| Алюминиевые сплавы | 1,0 | 2,0 – 4,0 | 1,0 | Сильно расширяющаяся |
| Магниевые сплавы | 1,0 | 2,0 – 4,0 | 1,0 | Сильно расширяющаяся |
Таблица 3. Коэффициенты для расчета времени заливки
| Материал | Формула расчета времени | Коэффициент S | Примечания |
|---|---|---|---|
| Серый чугун | τ = S × √G | 1,7 – 2,2 | G – масса отливки, кг |
| Углеродистая сталь | τ = S × δ × ∛G | 0,91 – 1,7 | δ – толщина стенки, мм; G – масса, кг |
| Легированная сталь | τ = S × δ × ∛G | 0,91 – 1,7 | Зависит от легирующих элементов |
| Алюминиевые сплавы | τ = S × δ × ∛G | 1,7 – 3,0 | Медленное спокойное заполнение |
| Медные сплавы | τ = S × √G | 2,0 – 2,1 | Упрощенная формула |
Таблица 4. Рекомендуемые размеры элементов литниковых систем
| Масса отливки, кг | Площадь питателей, см² | Диаметр стояка, мм | Шлакоуловитель (ШхВ), мм |
|---|---|---|---|
| до 5 | 0,5 – 2,0 | 10 – 15 | 10×15 – 20×25 |
| 5 – 25 | 2,0 – 8,0 | 15 – 35 | 20×25 – 40×50 |
| 25 – 100 | 8,0 – 30 | 35 – 65 | 40×50 – 70×90 |
| 100 – 500 | 30 – 100 | 65 – 120 | 70×90 – 130×170 |
| 500 – 2000 | 100 – 350 | 120 – 200 | 130×170 – 220×290 |
Оглавление статьи
- Основы проектирования литниковых систем
- Расчет площади питателей по формуле Озана-Диттерта
- Определение времени заливки для различных сплавов
- Расчет сечений элементов литниковой системы
- Особенности литниковых систем для разных металлов
- Практические примеры расчетов
- Типичные ошибки и способы их устранения
Основы проектирования литниковых систем
Литниковая система представляет собой совокупность каналов и полостей в литейной форме, предназначенных для подачи расплавленного металла из ковша в полость формы. Правильно спроектированная литниковая система обеспечивает получение качественных отливок без литейных дефектов.
Основными элементами литниковой системы являются литниковая чаша для приема металла из ковша, стояк для транспортировки металла вниз, шлакоуловитель для задержания неметаллических включений и питатели для непосредственного подвода металла в полость формы. Каждый элемент играет важную роль в формировании качественной отливки.
Выбор типа литниковой системы определяется свойствами заливаемого сплава и конфигурацией отливки. Для чугунных отливок применяют сужающиеся системы, где площадь поперечного сечения уменьшается от стояка к питателям. Для стальных и цветных сплавов используют расширяющиеся или слабо расширяющиеся системы.
Расчет площади питателей по формуле Озана-Диттерта
Расчет литниковой системы начинается с определения суммарной площади поперечного сечения всех питателей. Для этого используется гидравлическая формула Озана-Диттерта, основанная на законе истечения жидкости через отверстие:
ΣFпит = m / (μ × τ × ρ × √(2g × Hр))
где:
ΣFпит – суммарная площадь всех питателей, м²
m – масса металла в форме (отливка + прибыли + литниковая система), кг
μ – коэффициент расхода (см. Таблицу 1)
τ – продолжительность заливки, с
ρ – плотность жидкого металла, кг/м³
g – ускорение свободного падения (9,81 м/с²)
Hр – расчетный напор, м
Коэффициент расхода μ учитывает гидравлические потери при течении металла в литниковой системе и зависит от типа сплава, конструкции системы и шероховатости поверхности каналов. Для чугунных отливок обычно принимают μ = 0,35-0,45, для стальных тонкостенных отливок μ = 0,30-0,50, для толстостенных стальных отливок μ = 0,65-0,80.
Расчетный напор Hр определяется положением отливки в форме и способом подвода металла. При подводе металла по разъему формы (наиболее распространенный случай) расчетный напор определяется по формуле:
Hр = Hоп + (P – h)/2
где:
Hоп – высота верхней опоки, м
P – расстояние от разъема до верхней точки отливки, м
h – общая высота отливки по расположению в форме, м
Определение времени заливки для различных сплавов
Продолжительность заливки формы является критическим параметром, влияющим на качество отливки. Слишком быстрая заливка приводит к турбулентности, размыву формы и захвату воздуха. Недостаточная скорость заливки вызывает преждевременное затвердевание металла, недоливы и спаи.
Время заливки для чугунных отливок
Для серого чугуна время заливки определяется по упрощенной формуле:
τ = S × √G
где:
τ – время заливки, с
S – коэффициент (1,7-2,2), зависит от толщины стенки и конфигурации
G – масса отливки, кг
Пример: для отливки 100 кг при S = 1,8:
τ = 1,8 × √100 = 1,8 × 10 = 18 секунд
Время заливки для стальных отливок
Для стальных отливок учитывается не только масса, но и толщина стенок отливки:
τ = S × δ × ∛G
где:
τ – время заливки, с
S – коэффициент (0,91-1,7), зависит от температуры и способа подвода
δ – преобладающая толщина стенки отливки, мм
G – масса отливки, кг
Пример: для стальной отливки 100 кг, δ = 20 мм, S = 1,5:
τ = 1,5 × 20 × ∛100 = 1,5 × 20 × 4,64 = 139 секунд (около 2,3 минуты)
Расчет сечений элементов литниковой системы
После определения суммарной площади питателей рассчитывают площади остальных элементов литниковой системы, используя установленные соотношения сечений. Эти соотношения зависят от типа сплава и обеспечивают определенный характер течения металла в системе.
Для чугунных отливок
Применяют сужающиеся литниковые системы с соотношением:
Fпит : Fшл : Fст = 1,0 : 1,2 : 1,4
Это означает, что если площадь питателей равна, например, 20 см²:
Fшл = 20 × 1,2 = 24 см²
Fст = 20 × 1,4 = 28 см²
Для стальных отливок
Используют слабо расширяющиеся системы:
Fпит : Fшл : Fст = 1,0 : 1,3 : 1,5
Или в некоторых источниках:
Fст : Fшл : Fпит = 1,1 : 1,3 : 1,5
Для цветных сплавов
Применяют сильно расширяющиеся системы для спокойного заполнения и предотвращения окисления:
Алюминиевые и магниевые сплавы:
Fст : Fшл : Fпит = 1,0 : (2,0-4,0) : (2,0-6,0)
Медные сплавы:
Fст : Fшл : Fпит = 1,0 : (2,0-4,0) : (2,0-4,0)
Особенности литниковых систем для разных металлов
Чугунные отливки
Для чугунных отливок характерны сужающиеся литниковые системы, которые обеспечивают эффективное улавливание шлака в шлакоуловителе. Чугун обладает хорошей жидкотекучестью, поэтому допускается относительно быстрая заливка. Ключевая особенность – высокая опасность попадания шлака в отливку при заливке через носок ковша.
– Применять литниковые чаши с перегородками или фильтровальные сетки
– Использовать трапецеидальное сечение шлакоуловителя
– Обеспечивать быструю непрерывную заливку
– Коэффициент расхода μ = 0,35-0,45
Стальные отливки
Сталь имеет худшую жидкотекучесть по сравнению с чугуном и склонна к быстрому окислению. Поэтому для стальных отливок применяют расширяющиеся или слабо расширяющиеся системы, обеспечивающие спокойное заполнение формы без турбулентности. Особое внимание уделяется питанию массивных узлов для предотвращения усадочных раковин.
– Использовать стопорные ковши для исключения попадания шлака
– Применять сифонный подвод металла
– Обеспечивать непрерывную заливку без перерывов
– Коэффициент расхода: μ = 0,30-0,50 (тонкостенные), 0,65-0,80 (толстостенные)
Цветные сплавы
Алюминиевые и магниевые сплавы требуют особого внимания к защите от окисления. Применяют сильно расширяющиеся системы с максимально медленным и спокойным заполнением формы. Для магниевых сплавов обязательна защита от воспламенения флюсами или инертной атмосферой.
Практические примеры расчетов
Пример 1: Расчет литниковой системы для чугунной отливки
Масса отливки: G = 100 кг
Материал: серый чугун
Плотность чугуна: ρ = 7200 кг/м³
Коэффициент расхода: μ = 0,40
Высота верхней опоки: Hоп = 0,15 м
Высота отливки над питателями: P = 0,20 м
Общая высота отливки: h = 0,30 м
Расчет:
1. Время заливки (S = 1,8):
τ = 1,8 × √100 = 1,8 × 10 = 18 секунд
2. Расчетный напор:
Hр = 0,15 + (0,20 – 0,30)/2 = 0,15 – 0,05 = 0,10 м
3. Масса металла в форме (с учетом литниковой системы, примерно +40%):
m = 100 × 1,4 = 140 кг
4. Площадь питателей:
ΣFпит = 140 / (0,40 × 18 × 7200 × √(2×9,81×0,10))
ΣFпит = 140 / (0,40 × 18 × 7200 × 1,40)
ΣFпит = 140 / 72576 = 0,00193 м² = 19,3 см²
5. Сечения других элементов (соотношение 1 : 1,2 : 1,4):
Fшл = 19,3 × 1,2 = 23,2 см²
Fст = 19,3 × 1,4 = 27,0 см²
6. Диаметр стояка:
d = √(4 × Fст / π) = √(4 × 27,0 / 3,14) = √34,4 = 5,9 см ≈ 60 мм
Пример 2: Расчет литниковой системы для стальной отливки
Масса отливки: G = 50 кг
Материал: углеродистая сталь
Преобладающая толщина стенки: δ = 20 мм
Плотность стали: ρ = 7850 кг/м³
Коэффициент расхода: μ = 0,35
Расчетный напор: Hр = 0,20 м
Расчет:
1. Время заливки (S = 1,5):
τ = 1,5 × 20 × ∛50 = 1,5 × 20 × 3,68 = 110 секунд
2. Масса металла в форме (с прибылями и литниками):
m = 50 × 1,5 = 75 кг
3. Площадь питателей:
ΣFпит = 75 / (0,35 × 110 × 7850 × √(2×9,81×0,20))
ΣFпит = 75 / (0,35 × 110 × 7850 × 1,98)
ΣFпит = 75 / 596981 = 0,000126 м² = 1,26 см²
4. Сечения других элементов (соотношение 1,0 : 1,3 : 1,5):
Fшл = 1,26 × 1,3 = 1,64 см²
Fст = 1,26 × 1,5 = 1,89 см²
Примечание: из-за малых размеров рекомендуется увеличить сечения в 2-3 раза для обеспечения надежной заливки.
Типичные ошибки и способы их устранения
Ошибка 1: Неправильное применение формул времени заливки
Ошибка 2: Неверный выбор коэффициента расхода
Для тонкостенных и толстостенных стальных отливок коэффициенты расхода существенно различаются. Использование μ = 0,35 для толстостенной отливки (где правильно μ = 0,70) приведет к занижению сечений в 2 раза и недоливам.
Ошибка 3: Игнорирование массы литниковой системы
В формулу Озана-Диттерта подставляется не только масса отливки, но и масса металла в литниковой системе и прибылях. Для чугуна это обычно +40-60% к массе отливки, для стали +50-70%.
Признаки неправильного расчета литниковой системы
Недоливы и спаи:
– Заниженное сечение питателей
– Слишком медленная заливка
– Низкая температура металла
Размыв формы:
– Завышенное сечение питателей
– Слишком быстрая заливка
– Неправильное направление потока
Шлаковые включения:
– Неэффективная работа шлакоуловителя
– Турбулентное течение металла
– Отсутствие фильтровальных элементов
Усадочные раковины:
– Недостаточное питание отливки
– Неправильное расположение прибылей
– Нарушение направленного затвердевания
Часто задаваемые вопросы
Для чугунных отливок используется формула τ = S × √G, где S = 1,7-2,2 (коэффициент зависит от толщины стенки и конфигурации), G – масса отливки в кг. Например, для отливки 100 кг при S = 1,8 время заливки составит τ = 1,8 × 10 = 18 секунд. Не следует применять формулу для стали с толщиной стенки.
Для стальных отливок используется формула τ = S × δ × ∛G, где дополнительно учитывается толщина стенки δ в мм. Коэффициент S = 0,91-1,7 зависит от температуры заливки и способа подвода металла. Это связано с худшей жидкотекучестью стали по сравнению с чугуном.
Коэффициент расхода μ зависит от материала и толщины стенок: чугун 0,35-0,45; сталь тонкостенная 0,30-0,50, толстостенная 0,65-0,80; алюминиевые сплавы 0,40-0,60; медные сплавы 0,30-0,55. При отсутствии точных данных используйте средние значения с последующей корректировкой по опытным заливкам.
Соотношения зависят от материала. Для чугуна (сужающаяся система): Fпит : Fшл : Fст = 1,0 : 1,2 : 1,4. Для стали (слабо расширяющаяся): 1,0 : 1,3 : 1,5. Для алюминиевых и магниевых сплавов (сильно расширяющаяся): Fст : Fшл : Fпит = 1,0 : (2,0-4,0) : (2,0-6,0).
Сужающаяся система (для чугуна) – площадь сечений уменьшается от стояка к питателям, что обеспечивает эффективное улавливание шлака в шлакоуловителе. Расширяющаяся система (для стали и цветных сплавов) – площадь увеличивается от стояка к питателям, обеспечивая спокойное заполнение формы и защиту от окисления.
При подводе металла по разъему формы (наиболее распространенный случай) расчетный напор определяется по формуле Hр = Hоп + (P – h)/2, где Hоп – высота верхней опоки, P – расстояние от разъема до верхней точки отливки, h – общая высота отливки. Обычно Hр составляет 0,10-0,25 м.
В формулу подставляется не только масса отливки, но и масса металла в литниковой системе и прибылях. Для чугуна суммарная масса обычно составляет +40-60% к массе отливки, для стали +50-70%. Например, для чугунной отливки 100 кг расчетная масса m = 140-160 кг.
Недоливы возникают из-за недостаточного сечения питателей или слишком медленной заливки. Решение: увеличьте площадь питателей на 15-30%, повысьте температуру заливки на 20-50°С, ускорьте заливку (уменьшите коэффициент S), проверьте правильность расчета времени заливки по соответствующей формуле для данного материала.
Отказ от ответственности
Данная статья предназначена для образовательных целей и содержит обобщенную информацию о расчете литниковых систем. Представленные методики основаны на классических подходах литейного производства, но не могут заменить профессиональной инженерной оценки конкретных условий производства и требований к отливкам.
Автор не несет ответственности за результаты практического применения приведенных данных. Перед внедрением технологии необходимо проводить опытные заливки, анализ дефектов и корректировку расчетов с учетом особенностей конкретного производства. Рекомендуется консультация с квалифицированными технологами-литейщиками.
Основные источники и нормативные документы:
- ГОСТ Р 53464-2009 "Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку" (с изменениями №1, №2)
- Методические указания "Расчет литниковой системы" / Юго-Западный государственный университет, 2017
- Методика "Проектирование и расчет литниковых систем для разовых форм" / БНТУ, 2021
- Учебное пособие "Производство отливок из черных металлов" / СПбПУ, 2023
- Справочник технолога-литейщика под ред. Куманина И.Б. / Машиностроение, последнее издание
- Формулы Озана-Диттерта и методы гидравлического расчета литниковых систем
Важно: представленные коэффициенты и соотношения являются ориентировочными. Каждое литейное производство должно вести собственную базу данных с корректировками на основе опыта изготовления конкретных отливок.
