Металлоприемник для центробежного литья с вертикальной осью вращения
Изобретение относится к литейному производству. Металлоприемник содержит приемную полость и вертикальный канал, переходящий в горизонтальный канал по радиусу R. Вертикальный канал выполнен в виде насадка конфузорного или коноидального типа, присоединенного к основанию приемной полости. Угол конусности конфузора составляет не более 30°. Отношение радиуса R канала к диаметру канала d составляет не менее 2,0. Степень сужения насадка h=D/d-1,5-3,0, где D - диаметр приемной полости, d - диаметр канала металлоприемника. Достигается повышение пропускающей способности металлоприемника и скорости течения расплава. 1 ил., 3 табл.
Предлагаемое изобретение относится к литейному производству, а именно к устройствам для литья с применением внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл, и может быть использовано при проектировании оборудования и изготовлении отливок способом литья с центрифугированием расплава.
Известны литниковые системы, имеющие центральный стояк (круглый, овальный, четырех-, шестигранный и др.) с установленным в центре конусным рассекателем (и без него) и литниковые ходы, радиальные или в виде отрезка кольца, с присоединенными к ним с помощью питателей формами отливок [см. Чистяков В.В. Методы подобия и размерностей в литейной гидравлике. - М.: Машиностроение, 1990, с.55; Серебряков С.П., Колобков Ю.А., Зарайская И.С. Патент РФ №2043826: 20.09.1995; Серебряков С.П., Чистяков В.В. Авторское свидетельство СССР №1003996, БИ №10, 15.03.83; Голованов И.Д. Авторское свидетельство СССР №1323217, БИ №26, 15.07.1987; Мирзоян Г.С., Куршев Н.Н., Бадалян М.У. Авторское свидетельство СССР №1675038, БИ №33, 07.09.91; Шишкин Г.В., Шомовский С.С., Лабутина Н.И., Морозова Т.Б. Авторское свидетельство СССР №1650338, БИ №19, 23.05.1991].
Такие литниковые системы не обеспечивают необходимой заполняемости рабочих полостей формы при производстве отливок. Причиной является проскальзывание расплава в металлоприемнике мимо входного отверстия радиального коллектора, которое дополнительно усиливается в результате практически полной потери начального динамического напора при резком повороте потока на 90°. Указанное снижение пропускающей способности литниковой системы, особенно на начальной стадии заполнения формы, способствует значительному снижению качества отливок.
Известна 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., Неуструев А.А., Серебряков С.П., Колобков Ю.А., Церковский Б.Г., Фадеев А.В., Скорняков Ю.Л., Губанцев Н.В. Патент РФ №2058849, 27.04.1996], а также известен металлоприемник, содержащий центральный стояк, конусный рассекатель с ребрами, имеющими профиль лопатки центробежного насоса [см. Голованов И.Д. Авторское свидетельство СССР №203842, БИ №21, 09.10.1967].
Указанные конфигурации литниковых систем за счет применения глухих несообщающихся объемов, образуемых лопатками, существенно снижают проскальзывание расплава в металлоприемнике, повышают пропускающую способность литниковой системы. Однако использование лопаток или рассекателей с ребрами способствует вспениванию расплава - захвату потоком газов, образованию металловоздушной смеси и соответствующему браку отливок.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является металлоприемник, включающий приемную полость, конусный рассекатель, индивидуальные вертикальные каналы, переходящие в горизонтальные с радиусом перехода R и соединяющие приемную полость с выходными отверстиями [см. Шомовский С.С., Тонценко В.И. Авторское свидетельство СССР №969445, БИ №40, 30.10.1982].
Данный металлоприемник способствует увеличению пропускающей способности, однако существенно не снижает эффект проскальзывания расплава мимо вертикальных каналов, удар потока о рассекатель во время заливки приводит к значительной потере начального динамического напора, что способствует снижению пропускающей способности металлоприемника несмотря на уменьшение дальнейших гидравлических потерь за счет плавного поворота потока на 90°, а при недостаточном расходе может привести к безнапорному течению расплава в вертикальном канале металлоприемника и на выходе из него, снижению качества и браку отливок по недоливу.
Техническим эффектом, достигаемым от изобретения, является повышение качества отливок за счет повышения пропускающей способности металлоприемника и устранения проскальзывания, обеспечения напорного заполнения формы и более высокой скорости течения расплава (расхода) по каналам литниковой системы за счет снижения потерь динамического напора в металлоприемнике, устранения вихреобразования и снижения турбулизации потока.
Данный технический эффект достигается за счет того, что в металлоприемнике, включающем приемную полость и вертикальный канал, переходящий в горизонтальный с радиусом перехода R, вертикальный канал выполнен в виде насадка конфузорного или коноидального типа, присоединенного к основанию металлоприемника в его осевой части, причем угол конусности конфузора α не более 30°, отношение радиуса поворота канала к его диаметру R/d не менее 2,0, степень сужения насадка 1,5-3,0.
На фиг.1 представлен металлоприемник для центробежного литья с вертикальной осью вращения, где: 1 - приемная полость, 2 - вертикальный канал с насадком конфузорного типа (а) или коноидального типа (б).
Работает предлагаемый металлоприемник следующим образом. Расплав из заливочного устройства поступает в приемную полость 1 и далее в вертикальный канал 2, заполняя его по всему сечению. Расположение устья вертикального канала на оси вращения формы позволяет устранить эффект проскальзывания и обеспечить стабильное истечение расплава из приемной полости в канал. Конфигурация вертикального канала, включающая насадок коноидального или конфузорного типа, присоединенного к основанию приемной полости в его осевой части, и поворот потока на 90° относительно оси вращения формы, обеспечивает максимальное сохранение начального динамического напора при входе в приемную полость и снижает потери на гидравлические сопротивления в вертикальном канале. Согласно данным [см. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1987, с.207-210, 313-316] коэффициент скорости потока для насадка конфузорного типа составляет 0,96, коноидального типа 0,97-0,995, коэффициент сопротивления насадка 0,01-0,1 в зависимости от степени сужения, его плавности, числа рейнольдса; коэффициент гидравлических потерь канала с углом поворота потока 90° зависит от отношениея R/d радиуса поворота к диаметру канала, коэффициента гидравлического трения.
Данный металлоприемник обеспечивает течение потока расплава по каналам литниковой системы в напорном режиме, без завихрений и заворотов и имеет высокую пропускающую способность (коэффициент расхода 0,7-0,8).
С целью проведения сравнительных испытаний предлагаемого металлоприемника и прототипа были проведены модельные исследования, в которых определены основные гидродинамические параметры процесса: расход, коэффициент расхода. Оптимальные значения основных конструктивных параметров металлоприемника (угол конусности α не более 30°; отношение радиуса поворота канала к его диаметру р=R/d не менее 2,0; степень сужения насадка 1,5-3,0) получены моделированием на прозрачных моделях и подтверждены экспериментально при получении реальных отливок. Результаты испытаний приведены в таблицах 1-3.
Как следует из данных табл.1, оптимальные значения коэффициента расхода (µ=0,7-0,8 были получены при использовании насадка конфузорного типа с углом конусности α не более 30°. Увеличение угла конусности более 30° приводит к существенному снижению коэффициента расхода, что значительно сказывается на пропускающей способности металлоприемника.
Как следует из данных табл.2, увеличение радиуса поворота канала пропорционально повышению коэффициента расхода металлоприемника, наиболее оптимальные значения коэффициента расхода µ=0,65-0,8 получаются при отношении радиуса поворота канала к его диаметру р=R/d не менее 2,0, однако чрезмерное увеличение радиуса поворота приводит к необоснованному увеличению габаритов металлоприемника.
Как следует из данных табл.3, оптимальные значения коэффициента расхода µ=0,7-0,8 были получены при степени сужения h=1,5-3,0. Снижение степени сужения менее 1,5 приводит к некоторому увеличению коэффициента расхода, однако способствует необоснованному увеличению габаритов металлоприемника. Увеличение степени сужения более 3,0 приводит к существенному снижению коэффициента расхода (при одинаковом объеме заливаемой жидкости) и повышению металлоемкости металлоприемника (при сохранении одинакового напора над устьем вертикального канала).
Как показали сравнительные испытания предлагаемого изобретения с прототипом, при одинаковых конструктивных параметрах среднее значение коэффициента расхода у прототипа в 1,4-1,5 раза ниже.
| Табл.1 | |||||
| Исследование влияния угла конусности насадка конфузорного типа на коэффициент расхода при числе оборотов формы 100-800 об/мин, диаметре приемной полости D=30 мм, диаметре канала 10 мм | |||||
| n, об/мин | Коэффициент расхода µ для угла конусности α, град | ||||
| 60 | 45 | 30 | 15 | 13 | |
| 100 | 0,40 | 0,56 | 0, 68 | 0,74 | 0,75 |
| 200 | 0,41 | 0,58 | 0,70 | 0,75 | 0,77 |
| 300 | 0,43 | 0,59 | 0,71 | 0,77 | 0,8 |
| 400 | 0,46 | 0,61 | 0,74 | 0,79 | 0,81 |
| 500 | 0,49 | 0,65 | 0,76 | 0,82 | 0,83 |
| 600 | 0,39 | 0,52 | 0,66 | 0,70 | 0,72 |
| 700 | 0,34 | 0,48 | 0,60 | 0,64 | 0,65 |
| 800 | 0,32 | 0,44 | 0,58 | 0,62 | 0,64 |
| Табл.2 | |||||
| Исследование влияния отношения радиуса поворота канала к его диаметру р=R/d на коэффициент расхода при числе оборотов формы 100-800 об/мин, диаметре приемной полости D=30 мм, диаметре канала 10 мм | |||||
| n, об/мин | Коэффициент расхода µ для радиуса поворота канала R (отношения радиуса поворота канала к его диаметру р=R/d), мм | ||||
| 10 (р=1,0) | 20 (р=2,0) | 30 (р=3,0) | 40 (р=4,0) | 50 (р=5,0) | |
| 100 | 0,48 | 0,59 | 0,63 | 0,65 | 0,68 |
| 200 | 0,50 | 0,61 | 0,65 | 0,67 | 0,7 |
| 300 | 0,52 | 0,64 | 0,67 | 0,69 | 0,71 |
| 400 | 0,55 | 0,66 | 0,71 | 0,72 | 0,74 |
| 500 | 0,58 | 0,60 | 0,72 | 0,75 | 0,76 |
| 600 | 0,47 | 0,53 | 0,60 | 0,62 | 0,66 |
| 700 | 0,42 | 0,48 | 0,56 | 0,57 | 0,60 |
| 800 | 0,39 | 0,42 | 0,49 | 0,54 | 0,58 |
| Табл.3 | |||||
| Исследование влияния степени сужения на коэффициент расхода при числе оборотов формы 100-800 об/мин | |||||
| n, об/мин | Коэффициент расхода µ при диаметре приемной полости D=30 мм для диаметра канала металлоприемника d (степени сужения h=D/d), мм | ||||
| 20 (1,5) | 17 (1,7) | 15 (2,0) | 12 (2,5) | 10 (3,0) | |
| 100 | 0,71 | 0,69 | 0,69 | 0,68 | 0,67 |
| 200 | 0,73 | 0,72 | 0,71 | 0,70 | 0,68 |
| 300 | 0,76 | 0,74 | 0,73 | 0,72 | 0,70 |
| 400 | 0,79 | 0,78 | 0,77 | 0,75 | 0,74 |
| 500 | 0,84 | 0,8 | 0,79 | 0,78 | 0,76 |
| 600 | 0,75 | 0,73 | 0,71 | 0,69 | 0,66 |
| 700 | 0,68 | 0,66 | 0,65 | 0,63 | 0,60 |
| 800 | 0,64 | 0,61 | 0,60 | 0,59 | 0,58 |
| n, об/мин | Коэффициент расхода µ при диаметре канала металлоприемника d=10 мм для диаметра приемной полости (степени сужения h=D/d), мм | ||||
| 20 (2,0)* | 30 (3,0)* | 40 (4,0)* | 50 (5,0)* | 60 (6,0)* | |
| 100 | 0,72/0,50 | 0,68/0,42 | 0,6/0,39 | 0,46/0,31 | 0,32/0,18 |
| 200 | 0,75/0,52 | 0,70/0,44 | 0,61/0,40 | 0,47/0,32 | 0,35/0,19 |
| 300 | 0,77/0,54 | 0,71/0,47 | 0,63/0,42 | 0,49/0,34 | 0,37/0,22 |
| 400 | 0,82/0,57 | 0,74/0,50 | 0,65/0,44 | 0,50/0,36 | 0,4/0,26 |
| 500 | 0,85/0,58 | 0,76/0,51 | 0,67/0,46 | 0,52/0,38 | 0,43/0,27 |
| 600 | 0,73/0,53 | 0,66/0,44 | 0,59/0,41 | 0,45/0,34 | 0,39/0,23 |
| 700 | 0,67/0,50 | 0,60/0,42 | 0,5/0,34 | 0,38/0,30 | 0,32/0,21 |
| 800 | 0,65/0,46 | 0,58/0,40 | 0,48/0,32 | 0,35/0,27 | 0,3/0,19 |
| * в знаменателе приведены значения коэффициента расхода прототипа при одинаковых конструктивных параметрах металлоприемника |
Металлоприемник для центробежного литья с вертикальной осью вращения, включающий приемную полость и вертикальный канал, переходящий в горизонтальный канал по радиусу R, отличающийся тем, что вертикальный канал выполнен в виде насадка конфузорного или коноидального типа, присоединенного к основанию приемной полости, причем угол конусности насадка составляет не более 30°, отношение радиуса R канала к диаметру канала d составляет не менее 2,0, а степень сужения насадка h=D/d - 1,5-3,0, где D - диаметр приемной полости, d - диаметр канала металлоприемника.
