Преимущества конструкции тангенциально-вентиляторной литниковой системы при изготовлении титановых отливок

УДК 669.295:621.63

ПРЕИМУЩЕСТВА КОНСТРУКЦИИ ТАНГЕНЦИАЛЬНО-ВЕНТИЛЯТОРНОЙ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТИТАНОВЫХ ОТЛИВОК

В. С. Моисеев, докт. техн. наук, Г.Я. Земляной, аспирант

Проанализированы существующие литниково-питающие системы для литья титановых сплавов методом центробежного литья. Изучен процесс течения расплава в каналах литейной формы новой конструкции. Установлено, что в новой конструкции создаются благоприятные условия для заполнения формы. Рекомендованы углы лекальных лопаток для тангенциально-вентиляторной системы.

Ключевые слова: литейная форма, технологические приемы, центробежное литье, конструкция литниковой системы, лекальные лопатки, безнапорный участок течения.

Advantages of the Design of Tangentially-Fan Gating System for Production of Titanium Castings. V.S. Moisyeev, G.Ya. Zemlyanoy.

The existing gating feeding systems for centrifugal casting of titanium alloys have been analysed. Melt flow process in passages of a mould has been investigated. It has been found that application of the new gating system design creates favourable conditions for filling of the mould. Angles of curve blades for the tangentially-fan gating system are recommended.

Key words: mould, technological techniques, centrifugal casting, gating system design, curve blades, openflow melt movement section.

Центробежный способ получения фасонных отливок обладает рядом преимуществ по сравнению со стационарным литьем. С его помощью удается повысить точность отливок и уменьшить толщину их стенок. При этом вследствие дополнительного давления удается повысить механические свойства металла и уменьшить пористость отливок.

Однако известные технологические приемы изготовления фасонных литых титановых заготовок в поле действия центробежных сил [1] имеют определенные ограничения, в первую очередь, связанные с получением сложных тонкостенных отливок, для которых увеличивается вероятность незалива форм и образования неспаев различного рода.

Тем не менее, несмотря на эти ограничения, производство фасонных отливок из титановых сплавов в настоящее время не исчерпало своих потенциальных возможностей. Совершенствование процесса может идти по различным направлениям, в частности, по

пути разработки и внедрения новых конструкций литниковых систем, улучшающих запол-няемость форм, а также оптимизации систем питания посредством физико-математического моделирования на этапе проектирования технологического процесса.

Согласно результатам исследований [1], в процессе заполнения формы в поле действия центробежных сил выделяют следующие этапы движения расплава:

1 - начальное движение расплава по радиальному литниковому ходу (ЛХ);

2 - период безнапорного движения расплава по радиальному ЛХ и начала напорного в рабочей полости формы;

3 - напорное движение на участке стояк -рабочая полость формы;

4 - окончание подачи расплава в стояк, заполнение формы остатками металла из стояка.

На первом этапе в результате подачи расплава из тигля и лотка в центробежный стояк начинается движение металла по ради-

альным литниковым ходам под действием центробежных сил. При этом вследствие действия силы Кориолиса расплав течет по стенке ЛХ, обращенной к направлению вращения. Скорость движения головной части потока непрерывно растет, сечение потока сужается.

На втором этапе идет процесс заполнения формы под действием напора в радиальном ЛХ, а на прилегающей к стояку части ЛХ образуется участок безнапорного течения. Этот участок, как показывают результаты гидромоделирования, для нижних литниковых систем сохраняется почти до полного заполнения рабочей полости формы, но затем исчезает, и заполнение переходит в третью стадию. Для верхней литниковой системы этот участок остается практически до полного заполнения формы.

На третьем этапе (для нижней литниковой системы) заканчивается заполнение рабочей полости формы и начинается заполнение прибыли. Этот этап характеризуется отсутствием безнапорного течения в радиальном ЛХ, т.е. происходит напорное движение расплава от стояка к форме. Здесь избыточное давление в потоке предупреждает «подсос» газов из формы и подавляет выделение пузырьков газа из расплава. На этом этапе, в отличие от второго, исключается прерывистость заполнения и значительно снижаются пульсации головной части потока. Следовательно, организация процесса заполнения форм по третьему этапу является предпочтительной.

Четвертый этап характеризуется прекращением подачи расплава из потока. Течение расплава проходит за счет его избытка в стояке. На этом этапе заканчивается заполнение прибылей, поэтому его характеристики мало влияют на вероятность образования дефектов, связанных с заполнением рабочей полости формы.

Из изложенного выше следует, что для улучшения заполнения формы необходимо создавать такие условия, при которых в период всего ее заполнения в радиальном ЛХ будет отсутствовать участок безнапорного течения расплава. Очевидно, что создание таких условий возможно лишь в резуль-

тате новой конструкции литниковой системы.

Преимуществами разработанной новой тангенциально-вентиляторной литниковой системы являются повышение ее производительности при заполнении формы расплавом, исключение безнапорного течения на всех ее участках и, следовательно, снижение брака литья и расширение номенклатуры за счет освоения производства более тонкостенных и протяженных отливок.

Суть данной конструкции литниковой системы состоит в том, что применение лекальных лопаток исключает необходимость закручивания расплава, сливаемого в центральный стояк, снижает гидравлические потери в потоке и улучшает расходные характеристики на выходе из стояка. Направленный по ходу вращения радиальный литниковый канал создает естественное течение расплава при его закручивании без отжима (отрыва) к какой-либо из внутренних стенок. А его сужение, пропорциональное увеличению скорости потока, обеспечивает непрерывность потока.

Для проверки работоспособности новой конструкции литниковой системы, анализа характера течения в ней расплава, а также для сравнения ее расходных характеристик с характеристиками традиционно применяемых в промышленности литниковых систем провели серию экспериментов в лабораторных условиях по гидромоделированию на разработанной установке (см. рисунок). С этой целью была разработана методика эксперимента, а также сконструированы и изготовлены различные варианты прозрачной (из оргстекла) модельной оснастки.

Для анализа характера течения жидкости по каналам литниковой системы проводили ее фиксирование с помощью видеосъемки. На основе полученных данных установлено, что разработанная конструкция, в отличии от традиционных, способна обеспечить заполненное течение моделирующей жидкости в радиальном литниковом ходе, а следовательно, и аналогичное течение расплава металла в реальной литниковой системе.

Анализ обработанных данных позволил сделать вывод о том, что расходные характе-

Схема установки:

I - тигель; 2 - ось поворота тигля; 3 - литейная чаша; 4 - насадок чаши 3; 5 - кронштейн для видеокамер 6 и 7; 8 - стояк; 9 - литник; 10 - кожух - приемник жидкости;

II - стол; 12 - подшипник; 13 - шкив ведомый; 14 - шкив ведущий на оси двигателя 15; 16 - корпус установки; 17 - освещение

ристики стояков известных конструкций, в зависимости от их конфигурации поперечного сечения, в 1,5-2,0 раза меньше аналогичных характеристик расхода, обеспечиваемого тангенциально-вентиляторным стояком.

С учетом того, что производительность новой конструкции литниковой системы также зависит от величины углов исполнения лопаток, были проведены соответствующие экспериментальные исследования для анализа этого фактора. Согласно [2, 3], основной

геометрической характеристикой, влияющей на расход подобного рода конструкций ( в частности, крыльчатки центробежного насоса), является угол на выходе лопатки |3: чем он больше, тем больше величина расхода 0. В соответствии с этим проводили анализ изменения 0 разработанной конструкции стояка в зависимости от изменения угла р.

Заключение

Таким образом, экспериментально было установлено, что наиболее благоприятными углами исполнения лопаток в зависимости от частоты вращения являются значения, приведенные в таблице.

Анализ полученного видеоматериала также позволяет судить о существенном снижении пульсации головной части потока гидро-моделирующей жидкости при обратном ее течении по рабочей полости формы по сравнению с процессами в традиционных конструкциях литниковых систем для центробежного фасонного литья титановых сплавов.

Данный результат позволяет предположить, что существует возможность создания более благоприятных условий для заполнения формы расплавом, упреждающих образование таких дефектов, как неспаи и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бибиков В.Л., Глазунов С.Г., Неуструев и др.

Титановые сплавы. Производство фасонных отливок из титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1998. - 236 с.

2. Степанков А.И. Центробежные и осевые насосы. - М.: Машгиз, 1960. - 463 с.

3. Елисеев Б.М. Расчет деталей центробежных насосов. Справ. пособие. - М.: Машиностроение, 1975. - 208 с.

Рекомендуемые углы исполнения лопаток стояка тангенциально-вентиляторной

литниковой системы

Угол исполнения лопатки, Частота вращения, об/мин

град. 100 150 200 250 300

а Р Время истечения, с

40 20 50 40,72 32,80 28,96 26,32

50 20 59,84 42,40 33,84 29,84 24,16

40 30 47,84 39,44 34,50 29,85 23,90

50 30 62,53 40,02 29,60 27,50 28,32