Изготовление заготовок рабочих колес

Цельнолитое исполнение. Изготовление заготовки радиально-осевого рабочего колеса в виде цельнолитой детали выполняется в крупных фасонолитейных цехах заводов [23]. Формовка и заливка заготовки осуществляется в специальных кессонах, защищенных от действия почвенных вод дренажной системой. Стены кессона бронированы стальными плитами. Основание, на котором собирают форму, образуется двумя рядами стальных плит; верхние — раздвижные, из двух частей, предварительно механически обработаны. Подвижная часть верхней плиты устанавливается на катках 8, опирающихся на нижние плиты 9 (рис. 4.5).


Рис. 4.5. Технология формовки цельнолитого рабочего колеса:
1 — литниковая система; 2 — стержни обода; 3 — межлопастные стержни; 4 — опоки верха формы; 5 — полости прибылей ступицы; 6 — полости глухих прибылей обода; 7 — раздвижные плиты; 8 — катки; 9 — плиты основания; 10 — холодильники.

Сложность конфигурации рабочего колеса не позволяет применить модель, а поэтому форму отливки выполняют в стержнях. Основными являются межлопастные стержни 3, образующие проточную часть рабочего колеса. Правильность конфигурации и размеров их в основном и определяет точность отливки. Наполнительный состав стержней должен обладать достаточной податливостью, чтобы не препятствовать усадке металла при остывании отливки во избежание образования горячих трещин. С целью получения чистых поверхностей лопастей и элементов проточной части ступицы и обода стержни облицовывают хромистым железняком — составом, препятствующим образованию пригаров. Для предотвращения образования трещин в местах сопряжения лопастей со ступицей и ободом устанавливают холодильники 10, имеющие форму и размеры, соответствующие галтельному переходу. С той же целью между холодильниками делают прорези, которые образуют в отливке ребра — жесткие связи. Значительная масса и сложная форма стержней требует армирования их металлическим каркасом, закрепленным на стальной плите, служащей основанием (установку их в стержневом ящике см. на рис. 4.6).

Рис. 4.6. Изготовление межлопастного стержня.

Стержни 2 и 3 (см. рис. 4.5) образуют наружную поверхность обода. Наружная поверхность ступицы получается в опоке 4, перекрывающей форму сверху. В процессе сборки формы и литниковой системы все пространство между ней и стенками кессона заполняют землей, которую при этом послойно плотно утрамбовывают. Типовое расположение стержней в форме, прибылей для питания отливки и литниковой системы показано на схеме формовки (см. рис. 4.5). На этой же схеме показана раздвижная плита которая нужна для установки замыкающих межлопастных стержней (одного или двух в зависимости от кривизны и количества лопастей).

Наиболее сложная операция сборки формы — установка  последнего межлопастного стержня. Вследствие большой кривизны он не может быть поставлен на место ни опусканием сверху, ни радиальным перемещением. В связи с этим перед его установкой отодвигают на необходимое расстояние подвижную плиту с половиной стержней (без одного). Во избежание опрокидывания крайние в полукольце стержни, на которые опираются остальные, закрепляют на специальных подвесках. Затем устанавливают последний стержень и подвигают подвижную плиту в исходное положение. Установка стержней производится по плазу с проверкой положения верха поворотным шаблоном. Одновременно проводится проверка размера каналов между лопастями во избежание больших отклонений толщины лопастей. Установка стержней неизбежно связана с поправкой их размеров, а следовательно, с демонтажом и повторной установкой.

Собранную под заливку форму нагружают грузами для предотвращения всплытия стержней. Масса грузов определяется исходя из ферростатического давления жидкого металла и массы стержней. В случае изготовления рабочих колес из нержавеющих сталей форму перед заливкой заполняют инертным газом (для предотвращения образования пленок окислов). Среднее соотношение массы детали, массы заготовки и расхода жидкого металла при отливке рабочих колес радиально-осевых гидротурбин составляет 1 : 1,3 : 2. Отклонение от средних значений не превышает ±10%.

Литниковая система проектируется с таким расчетом, чтобы обеспечить плавный подъем жидкого металла в форме, не допуская снижения его жидкотекучести. В связи с этим подвод металла в кольцевой коллектор литниковой системы осуществляется с двух сторон.

Из коллектора через питатели металл подводится к нижней части обода. Во избежание заполнения верхней части формы холодным металлом литниковая система состоит из трех ярусов. Переход на заливку второго и третьего яруса осуществляется автоматически. Размеры стояков и питателей должны обеспечивать высокую скорость заливки (для углеродистой стали 15—20, для нержавеющих сталей — 20—25 т/мин).

Продолжительность остывания отливки в форме определяется по специальным диаграммам в зависимости от марки стали, толщины стенок и массы жидкого металла. Для отливок крупных рабочих колес из углеродистой стали цикл остывания ориентировочно можно установить из расчета 10—15, для нержавеющей стали — 1,5—3 т жидкого металла в сутки.

Рис. 4.7. Отливка рабочего колеса массой 110 т в момент подъема из кессона.

Очистка отливки от земли, отрезка прибылей и питателей литниковой системы производится по общей технологии, применяемой для стального литья соответствующих марок. Для очень крупных отливок из углеродистых сталей с целью уменьшения массы частичная очистка от земли и отрезка прибылей арматуры межлопастных стержней и литниковой системы выполняются до извлечения рабочего колеса из формовочного кессона. На рис. 4.7 показана предварительно очищенная от земли и арматуры отливка крупного рабочего колеса. Режим термической обработки зависит от марки стали и размеров отливки (см. гл. 3). Изготовление таких сложных по форме, крупногабаритных отливок практически невыполнимо без значительных дефектов. Основными из них являются:
1)     отклонения по конфигурации, которые в отношении к измеряемой величине достигают ±(0,005 ÷0,01) по форме обода, ±(0,03 ÷ 0,05) по шагу между лопастями, ±(0,1 ÷ 0,15) по толщине лопастей, ±(1° ÷ 1° 30') по углу наклона лопастей;
2)     горячие трещины в месте перехода лопастей к ступице и ободу;
3)     усадочные раковины в месте сопряжения лопастей с ободом;
4)     ужимины и спаи на всей поверхности элементов проточной части (особенно на лопастях, в зоне перехода к ободу);
5)     неплавность поверхностей до 3—5 мм на длине 200 мм.

Устранение этих дефектов связано с большими и трудновыполнимыми ручными работами. Особенно усложняются они в случае применения легированных сталей. Отклонения по конфигурации практически неисправимы.