Устройство для определения трещино-устойчивости безопочных форм

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1225674 A (51) 4 В 22 С I/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3671557/22-02 (22) 13.12.83 (46) 23.04.86. Бюл. № 15 (71) Московский автомеханический институт (72) А. П. Трухов, А. С. Горилей, М. Ю. Ершов, Л. П. Туманова и В. М. Чикунов (53) 621.744.06 (088.8) (56) 1. Технология автомобилестроения, 1982 №7,с.! — 4.

2. Петриченко А. М. и др. Термостойкость литейных форм.— М.: Машиностроение, 1982, с. 26.

3. Литейное производство, 1976, № 7, с. 31. (54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИНОУСТОЙЧИВОСТИ БЕЗОПОЧНЫХ ФОРМ, содержащее установленную на поддоне пробу из уплотненной смеси с полостью для заливки металла, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем определения склонности к образованию трещин безопочных форм, проба выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к поддону, на ее боковой поверхности выполнена канавка, ориентированная по образующей конуса, а полость для заливки металла имеет вид сквозного цилиндрического отверстия, при этом поддон выполнен из теплоизолирующего материала с теплопроводностью 0,1 — 0,2 Вт/(м.К).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при литье чугуна высота пробы составляет (2,5 — 5) d, диаметр меньшего основания (4 — 12)d, где d — диаметр полости для заливки металла.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при литье алюминиевых сплавов высота пробы составляет (2,5 — 5) d диат ю метр меньшего основания (2 — 4)d.

4. Устройство по и. 1, отличающееся фИ тем, что проба выполнена в виде прямоугольной призмы и снабжена двумя пластинами, прижатыми к противоположным боковым граням пробы при помощи упругих элемен- Я тов регулируемой жесткости.

1225674

15 го

25 зо

4О

1

Изобретение относится к литейному производству, в частности к безопочной формовке и может быть использовано для определения склонности уплотненной формовочной смеси к образованию трещин после заливки расплава в полость формы.

Известны случаи появления трещин в безопочных формах в процессе заливки, затвердевания и.охлаждения металла, вызывающие различные дефекты в результате ухода металла в трещину или нарушения очертаний и размерной точности, резкое снижение производительности формовочной линии, связанное с разрушением незалитых форм (1).

Известны устройства (пробы) для определения склонности формовочных смесей к образованию ужимин, содержащие литейную форму с полостью для заливки образца и каналами для подвода металла. Склонность к образованию ужимин оценивается визуально по степени поражения ужиминами отливки - образца. Пробы позволяют оценивать склонность формовочной смеси к растрескиванию и образованию ужимин только на внутренней поверхности формы (2).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения трещиноустойчивости, содержащее установленную на поддоне пробу из уплотненной смеси с полостью для заливки металла (3).

Однако известное устройство непригодно для исследования факторов, влияющих на образование трещин в безопочных формах, так как в устройстве в качестве пробы используется стержень; условия работы стержня и безопочной формы существенно различаются как характером нагружения, так и температурным режимом; стержень окружен расплавленным металлом, наружные его слои нагреваются сильнее центральных, поэтому в наружных слоях стержня формируются сжимающие термические напряжения, а во внутренних — растягивающие. При этом трещины образуются в углах стержней в результате возникновения термических моментов в местах сопряжений.

В безопочной форме полость, заливаемая металлом, находится внутри, поэтому внутренние слои формы нагреты сильнее наружных, а термические напряжения во внутренних слоях будут сжимающими, в наружных — растягивающими. Кроме того, в безопочных формах, в отличие от стержней, протекают процессы переноса влаги, и наличие перемещающейся в объеме формы зоны конденсации существенно влияет на распределение напряжений. Наконец известная проба не позволяет моделировать условия внешнего нагружения безопочной формы при транспортировке ее на формовочной линии: усилий, возникающих при перемещении стопки форм, сил трения по склизу, сил сцепления между соседними полуформами.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем определения склонности к образованию трещин безопочных форм.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения трещиноустойчивости безопочных форм, содержащем установленную на поддоне пробу из уплотненной смеси с полостью для заливки металла, проба выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к поддону, на ее боковой поверхности выполнена канавка, ориентированная по образующей конуса, а полость для заливки металла имеет вид сквозного цилиндрического отверстия, при этом поддон выполнен из теплоизолирующего материала с теплопроводностью 0,1 — 0,2 вТ/(м К).

При литье чугуна высота пробы составляет (2,5 — 5)d, диаметр меньшего основания (4 — 12) d; где d — диаметр полости для заливки металла, Кроме того, при литье алюминиевых сплавов высота пробы составляет (2,5 — 5)d, диаметр меньшего основания (2 — 4)d.

При этом проба выполнена в виде прямоугольной призмы и снабжена двумя пластинами, прижатыми к противоположным боковым граням пробы при помощи упругих элементов регулируемой жесткости.

На фиг. изображено устройство для определения трещиноустойчивости безопочных форм, продольный разрез; на фиг. 2— вид А на фиг. 1; на фиг. 3 — варианты выполнения канавки на поверхности пробы; на фиг. 4 — устройство для исследования трещиноустойчивости безопочных форм с учетом внешних нагрузок, испытываемых формой, вид сверху; на фиг. 5 — форма, пораженная трещинами, вид сверху.

Устройство состоит из пробы 1 в виде усеченного конуса (фиг. 1) с цилиндрической полостью 2 диаметром d для заливки металла и поддона 3. На наружной поверхности пробы по образующей конуса выполнена канавка 4 для ослабления ее сечения, обеспечивак>щая появление трещины в заданном месте. В сечении канавка может иметь вид: треугольника (фиг. За), половины круга (фиг. Зб), равнобедренной трапеции (фиг. Зв), Устройство для проведения испытаний с учетом внешних нагрузок состоит из пробы

5 в виде прямоугольной призмы (фиг. 4) с цилиндрической полостью 2 для заливки металла, поддона 3, двух пластин 6, соединенных между собой упругими элементами 7, снабженными регулировочными винтами 8 с гайками 9. При исследовании влияния сжимающего усилия или сил трения на образование трещин канавка выполняется в мес. тах 10 и ll соответственно.

1225674

Испытания проводят следующим образом.

llроба 1 заданной плотности (фиг. 1) из испытываемой смеси с полостью 2 для заливки металла устанавливается на поддон

3. Полость заполняется расплавленным металлом. Появление трещин фиксируется визуально либо скоростной киносъемкой, либо использованием датчиков, измеряющих сопротивление токопроводящего покрытия, нанесенного в месте образования трещины.

При проведении испытаний с учетом внешних нагрузок на изготовленную и установленную на поддон 3 пробу 5 (фиг. 4) с полостью 2 для заливки металла устанавливают две пластины 6. Необходимое усилие прижима пластин достигается предварительной регулировкой упругих элементов 7, производимой с помощью регулировочных винтов 8 и гаек 9. В остальном проведение испытаний не отличается от описанного.

В качестве критерия трещиноустойчивости принято отношение времени от начала заливки до момента возникновения трещины к технологически заданному времени.

Под технологически заданным временем понимается, например, время затвердевания отливки.

Если названное соотношение меньше единицы, то появляется брак, если соотношение больше или равно единице,то брак не появляется. При этом численное значение отношения характеризует трещи ноустойчивость формы.

Главной причиной образования трещин в безопочных формах являются термические

1Ю

15 гю

25 зю напряжения, обусловленные наличием значительного температурного градиента по толщине формы. При этом на внутренней поверхности формы формируются сжимающие напряжения, а на наружной — растягивающие. Поскольку для формовочной смеси отношение прочности на разрыв к прочности на сжатие изменяется в пределах от 1:8 до 1:15, трещины в результате термических напряжений появляются на наружной поверх- 4Ю ности формы.

В настоящее время не существует методики расчета термических напряжений в безопочных формах из-за сложности учета зоны конденсации, объемных изменений в сухой корке формы при прогреве и в сплаве 45 при кристаллизации (предусадочное расширение), металлостатического напора.

Конфигурация пробы, выполненной в виде усеченного конуса с цилиндрической полостью вдоль оси, обеспечивает формирование в ней осесимметричного напряженнодеформируемого состояния, повышающего стабильность результатов, так как в этом случае компоненты напряженно-деформируемого состояния являются функцией только радиальной и осевой координат.

Уровень напряжений со стороны меньшего основания пробы выше, в результате чего трещина зарождается .в месте сопряжения

Оборотная смесь

Кварцевый песок

ОбЗКО2

Глина

Сульфитно-спиртовая барда

Молотый уголь

Вода до влажности

4

1,5

1,5

4 — 4,5

Прочность на сжатие в сыром состоянии составляла 0,57X10 " Па, прочность на разрыв в сыром состоянии 0,0347+ 10 Па. Формы уплотнялись вручную до твердости боковой поверхности с меньшим основанием, а наличие концентратора - канавки вдоль ohразующей конуса приводит к возникновению трещины только вдоль нее. Перечисленные признаки в совокупности повышают стабильность процесса образования трещины и точность определения времени ее зарождения.

Выполнение пробы в виде прямоугольной призмы, взаимодействующей противоположными гранями с пластинами, связанными упругими элементами, позволяет исследовать процесс трещинообразования в условиях затруднения. Такая ситуация реализуется в стопочной безопочной форме когда образованию трещины в залитой форме препятствуют соприкасающиеся с ней соседние незалитые формы или части автоматической линии.

При исследовании затруднения трещинообразования силами трения, канавка выполняется на поверхности, взаимодействующей с плитой (позиция 11, фиг. 4), а затруднения сжимающими силами — — на свободной боковой поверхности формы (позиция 10 фиг. 4).

Выполнение пробы в виде прямоугольной призмы усложняет картину термических напряжений в ней, однако плоские наружные поверхности позволяют получить равномерное распределение сил трения и сжимающих, что повышает точность результатов в условиях затрудненного трещинообразования. Связь пластин регулируемыми упругими элементами позволяет изменять в исследованиях силы трения и сжимающие.

Чтобы исключить влияние на образование трещин донышка пробы и отливки, цил и ндрическая полость выполнен а сквозной, а сама форма установлена на поддон из материала с коэффициентом теплопроводности

О,1 — 0,2 Вт/(м К), что обеспечивает кристаллизацию отливки от стенок формы. При этом не происходит отхода затвердевшей корки отливки от формообразующей поверхности и не нарушаются условия теплоотвода, что повышает стабильность результатов.

Соотношение размеров пробы играет существенную роль в процессе образования трещин. В связи с этим соотношение размеров определялось экспериментально. Применяласьсь смесь сл едующего сост а в а, „:

1225674 трещин во время заливки или через очень короткий промежуток времени после ее начала, что существенно усложняет проведение исследований и снижает точность результатов (опыты 10 и 16, таблица). В ряде случаев металл вытекал из полости через трещину, что делало невозможной работу с пробой.

Для алюминиевых сплавов применение проб с диаметром верхнего основания более 4d нецелесообразно, так как при этом существенно увеличивается время образования трещины, что затрудняет проведение экспериментов. Для чугунов, в силу более высокой температуры заливки, названное соотношение принимается большим. Однако не следует увеличивать диаметр верхнего основания более 12d, так как проба при этом получается громоздкой, требуется большое количество формовочной смеси и специальное оборудование для изготовления и транспортировки пробы. Следует также иметь в виду, что большие соотношения применимы к пробам с малым диаметром полости, а меньшие — с большим.

Диаметр большего основания в пробах больше диаметра верхнего (меньшего) основания на величину 1 — 2 диаметров полости для заливки металла, что обеспечивает равномерную ее плотность, свободное извлечение пробы из оснастки при изготовлении, улучшает условия наблюдения кинетики роста трещины по высоте пробы.

Применение пробы позволяет устранить брак отливок и форм в процессе заливки и затвердевания металла, предотвратить аварийные остановки при полном разрушении формы на склизе формовочной линии, повысить выход годного и фактическую производительность линии, приближая ее к паспортной, что дает положительный экономический эффект.

Отношение Отношение

Отношение высоты к

Диаметр полости для

Опыт диаметра меньшего основания к полости диаметра большего диаметру полости заливки расплава основания к полости

2 4

А7

31

А7

30

А7

Не образовывается

2,5

А7

2,5

180

75 -3 ед., фиксируемой с помощью твердомера на верхнем основании пробы. Формы заливались алюминием А7 при 750+10 С и чугуном марки СЧ 20 при 1350+-20 С. В опытах изменяли диаметр полостиидиаметры верхнего и нижнего оснований формы.

Результаты (средние по трем заливкам) влияния соотношения размеров формы на время образования трещин приведены в таблице.

Диаметр полости для заливки металла 10 выбирается исходя из среднего приведенного размера толщины стенки отливки. Так для отливок, получаемых на линиях безопочной формойки, толщины плоской стенки составляют 5--30 мм, приведенный размер, определяемый по известной формуле S== — при

1 этом равен 2,5 — 15 мм. Для цилиндра

С(= — — отсюда диаметр полости для заливки металла выбирается равным 10 — -60 мм.

Высота формы в опытах изменялась в 20 пределах 2,5 — 5,0 диаметров полости. Названное соотношение высоты формы и диаметра полости принималось из условия получения пробы равной плотности, что повышает стабильность результатов. При соотношениях меньше 2,5 не представляется воз- 5 можным наблюдать за динамикой развития трещин, при соотношении больше 5 наблюдается отход затвердевшей корки отливки от поверхности полости.

В опытах установлены различные для алюминиевых сплавов и чугунов пределы соотношения размеров пробы. Однако предлагаемые пределы выбирались исходя из общих соображений, обусловленных единым механизмом трещинообразования.

Уменьшение диаметра верхнего основа- З ния меньше 2d для алюминиевых сплавов и 4d для чугунов приводит к образованию

Заливаемый Время образосплав вания трещины

1225674

502

А7

2,5

896

А7

2,5

А7

2,5

СЧ20

30

СЧ20

СЧ20

30

СЧ20

128

30

СЧ20

177

12

240

СЧ20

15

СЧ20

60

Во время заливки

2,5

СЧ20

17

2,5

СЧ20

18

2,5

СЧ20

60

2,5

1 2 3 4 5

Продолжение таблицы

1 1

Не образовывается

Во время заливки!

225674

Составитель В. Сазонов

Техред И. Верес Корректор В. Бутяга

Тираж 757 Подписное

Редактор H. Бобкова

Заказ 1921/9

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и оз крытий!! 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал Г!ПП «Патент», r. Ужгород,, ул. Г!роектная, 4