ЛИТНИКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ФАСОННОГО ЛИТЬЯ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
GATING SYSTEM FOR ROTARY SHAPED CASTING WITH VERTICAL AXIS OF REVOLUTION

Область техники
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения тонкостенных отливок больших диаметров, например, из титановых и жаропрочных сплавов, с разно удаленными от оси кольцевыми поверхностями, соединенными между собой радиальными элементами, заливаемых центробежным способом в вакууме с вертикальной осью вращения.
Предшествующий уровень техники
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является: литниковая система, содержащая центральный стояк с расширяющейся нижней частью, рассекатель с лопатками, выполненными с переменной кривизной, и литниковые ходы, соединенные с формами питателями (см. Моисеев B.C. и др. Патент РФ №2058849, 27.04.1996). Указанная конфигурация литниковой системы за счет применения глухих, не сообщающихся объемов, образуемых лопатками, существенно снижает проскальзывание расплава в металлоприемнике, повышая пропускную способность литниковой системы. Однако положительный эффект от данного способа не распространяется на передачу расплава на внутренние кольцевые поверхности отливок, заполнение которых подчиняется только законам действия центробежных сил. При этом не учитывается зависимость от направления вращения и расстояния от оси вращения до места ввода металла в тело отливки. В этом случае не удается в полной мере реализовать получение качественных (плотных) тонкостенных отливок.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача разработать новую литниковую систему (с применением графических и расчетных способов подачи металла в различные зоны отливок) для обеспечения достаточного питания тонкостенных элементов и сохранения неразрывности потока для получения качественного материала отливки во всех сечениях.
Поставленная задача достигнута тем, что предложена литниковая система для получения тонкостенных отливок больших диаметров из титановых и жаропрочных сплавов методом центробежного фасонного литья в вакууме с вертикальной осью вращения формы и верхним подводом расплава, содержащая центральный стояк с расширяющейся нижней частью, центральный металлоприемник, горизонтальные литниковые ходы, вертикальный литниковый ход, горизонтальный кольцевой коллектор, литниковые питатели отливки, отличающаяся тем, что в нижней части литниковой системы центральный металлоприемник выполнен в форме квадрата, в углах которого располагаются горизонтальные литниковые ходы, соединяющиеся с вертикальным литниковым ходом, при этом литниковая система содержит по крайней мере не менее 4 литниковых питателей отливки, расположенных в горизонтальной плоскости под углом от 90 до 0 градусов относительно вектора скорости центробежного вращения формы.
Технический результат, достигаемый от изобретения, заключается в повышении качества отливок за счет повышения качества пропускной способности металлоприемника. Данная литниковая система обеспечивает течение потока расплава в напорном режиме, без завихрения, заворотов и имеет высокую пропускную способность.
Технический результат достигается следующим образом.
Литниковая система для получения тонкостенных отливок больших диаметров из титановых и жаропрочных сплавов методом центробежного фасонного литья в вакууме с вертикальной осью вращения формы и верхним подводом расплава содержит центральный стояк с расширяющейся нижней частью, горизонтальные литниковые ходы, вертикальный литниковый ход, литниковые питатели отливки. Литниковая система дополнительно содержит центральный металлоприемник, горизонтальный кольцевой коллектор, при этом центральный металлоприемник выполнен в форме квадрата и расположен в нижней части литниковой системы, в углах которого располагаются горизонтальные литниковые ходы, соединяющиеся с вертикальным литниковым ходом, при этом литниковая система содержит по крайней мере не менее 4 литниковых питателей отливки, расположенных в горизонтальной плоскости под углом от 90 до 0 градусов относительно вектора скорости центробежного вращения формы.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана схема литниковой системы, на фиг. 2 показан график, построенный по таблице 1, на фиг. 3 показано угловое расположение горизонтальных литниковых ходов, которое обеспечивает максимальную скорость потока, на фиг. 4 указаны направления вращения формы по часовой стрелке, на фиг. 5 показана передача расплава в горизонтальный кольцевой коллектор, на фиг. 6 показано действие сил на материальную точку «М», расположенную на окружности радиуса r, м, вращающуюся со скоростью n оборотов в минуту под действием силы F.
Fц - центробежная сила, направленная по радиусу вращения от оси (центра).
F - центростремительная сила, уравновешивающая и удерживающая нашу точку.
Отрезок ММ1 характеризует равнодействующую этих сил.
K
F - Кориолисова сила, или Кориолисово ускорение, пытающееся сбросить нашу точку вправо. Этому препятствует предложенная литейная форма. На фиг. 7 показана схема расположения углов наклона питателей для отливок в диапазоне радиусов 0-1,2 метра, при скорости вращения центробежного стола 100-400 оборотов в минуту, угол наклона питателя будет от 90° до положения касательной к наружной поверхности отливки, на фиг. 8 показана отливка, которая имеет две кольцевые поверхности r1=1 м и r2=1,2 м. Произведение по формуле будет соответственно равно 9 и 12,96, при переносе на график угол наклона 60° и 90°.
На фиг. 1 изображена литниковая система, где позициями обозначено следующее.
1. Металлоприемник.
2. Горизонтальный литниковый ход (4 шт.).
3. Вертикальный литниковый ход (4 шт.).
4. Отливка, состоящая из двух конических поверхностей, соединенных между собой лопатками.
5. Литниковый ход к внутреннему конусу под углом 45° (4 шт.) (сечение В-В).
6. Кольцевой коллектор.
7. Литниковый ход к наружному конусу род углом 30° (4 шт.) (сечение С-С).
8. Литниковый ход к нижнему фланцу наружного конуса под углом 30° от кольцевого коллектора (8 шт.) (сечение D-D).
Сущность изобретения
Сущность изобретения заключается в том, что предложенное изобретение обеспечивает равномерное заполнение литейной формы за счет постоянного напора расплава, исключая разбрызгивание и разрыв металла при его движении. Это позволяет получать качественные (плотные) отливки больших диаметров с низкими литейными свойствами.
Обоснование предложенной литниковой системы приводится ниже.
Движение металла в полость формы начинается после заполнения вертикального литникового хода или кольцевого коллектора, так как действие центробежных сил препятствует этому. Силу, действующую на металл, можно определить по формуле (выведенной по закону Ньютона F=m·а).
где Р - давление в паскалях, или сила,
n - число оборотов центробежного стола в минуту,
5
2
10 - 1 кг/м, выраженный в паскалях,
2
К=2,24, в данном случае приведенный коэффициент, полученный в результате пересчета следующих величин: удельный вес сплава (в данном случае титанового сплава - 4,5 тонны на метр в кубе), величины 2π (6,28), и перевода угловой скорости из «радиан» в секунду в обороты в минуту, ускорение силы тяжести 9,8 м/с.
Рассмотрим действие сил на материальную точку, расположенную на окружности радиуса r, м, вращающуюся со скорость n оборотов в минут (Фиг. 5).
Согласно теории центробежного вращения принятая нами система вращается совместно с земным шаром, вращающимся вокруг своей оси, и наша точка будет стараться уйти влево (на нее действует Кориолисово ускорение), это усилие тем больше, чем больше радиус и число оборотов. «В северном полушарии это относится к телам, вращающимся по часовой стрелке, а в южном полушарии - против часовой стрелки».
Если рассматривать формулу (1), то это зависит от произведения , поставив в это выражение численные величины, в пределах имеющихся возможностей оборудования получаем таблицу №1.
Выбрав углы наклона 90°, 60° и 30°, строим график.
Рекомендуемый график зависимости угла наклона питателя к вектору угловой скорости. При малых значениях n и r угол стремится к 90° и металл подается против центробежных сил по радиусу. Если отливка состоит из нескольких кольцевых поверхностей, то передача металла от одной поверхности к другой производится согласно выше полученным рекомендациям (Фиг. 8). Стрелками показано правило пользования графиком.
Расчетная формула , произведение определяет габариты отливки и скорость вращения центробежного стола. На фиг. 2 показан график, построенный по таблице 1, где А-В-С рабочая часть графика для рекомендаций по выбору угла наклона «δ» (предлагаем).
1. При  угол δ может равняться 90°, т.е. идти по радиусу против действия центробежных сил, развиваемое давление Р не в состоянии разорвать поток металла.
2. При  величина угла δ стремится → 0, т.е. металл рекомендуем подавать по касательной к поверхности отливки (Фиг. 7).
Квадратная форма металлоприемника в нижней части литниковой системы (Фигура 3. Угловое расположение горизонтальных литниковых ходов обеспечивает максимальную скорость потока) и угловым выходом расплава в горизонтальные литниковые ходы (Фигура 4. Направление вращения формы по часовой стрелке) служат для передачи расплава в вертикальный литниковый ход, с последующим перераспределением металла в горизонтальном кольцевом коллекторе, при этом обеспечивается плавность хода расплава (его течение) без разрыва потока, исключающая его пульсацию и проскальзывание, а угловое расположение горизонтальных литниковых ходов обеспечивает максимальную скорость потока. Кроме того, угловой выход расплава в горизонтальные литниковые ходы обеспечивает принудительный захват металла и смещение оси относительно оси вращения формы при подаче расплава в вертикальный литниковый ход, увеличивая напор течения расплава. При этом по крайней мере не менее 4 питателей должны быть равноудалены и выполнены под углом (δ) от 90 до 0 градусов (Фигура 7. Зависимость угла направления питателей (δ) от расстояния до оси вращения) относительно вектора скорости центробежного вращения в зависимости от габаритов получаемой отливки (таблица 2), для предотвращения разбрызгивания металла.