Кокиль с полым металлическим стержнем для получения отливок с полостями при литье металла со шлаком
Использование: изобретение относится к области спецметаллургии, конкретно к электрошлаковому кокильному литью. Сущность изобретения: отверстие в поддоне и/или стенке имеет в сечении ступенчатую форму, причем ширина ступени составляет 1,0-3,0 мм, а ступень с большим диаметром, равным исходному диаметру стержня, обращена к рабочей полости кокиля, при этом зазоры между сегментами являются сквозными и составляют О.Т-1,5 мм. Кокиль снабжен пружиной с направляющей, установленной по оси стержня со стороны его знаковой части. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.
союз сОВетских
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (Я)5 В 22 D 23/10
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) . ... т.:
1:, ц ) 1 Д 1 < g есаа .ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4832630/02 (22) 05,03.90 (46) 30,04.93. Бюл. N 16 (71) Институт электросварки им. Е.О, Патона (72) Б.И. Медовар, А,Г. Богаченко, Ю.В, Орловский, В.В. Лупан, Н.А, Астафьев и К.В, Чихачев (56) Литейное производство, 1983, йг 2.
Патон Б.Е. и др. Электрошлаковое ко кильное литье. Киев, 1982, с.32. (54) КОКИЛЬ С ПОЛЫМ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ
СТЕРЖНЕМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С
ПОЛОСТЯМИ ПРИ ЛИТЬЕ МЕТАЛЛА СО
ШЛАКОМ
Изобретение относится к области спецметаллургии, а точнее к электрошлаковому кокильному литью (ЭКЛ), и может быть реализовано при получении фасонных отливок высбкого качества с полостями.
Цель изобретения — снижение трудоемкости операций при подготовке к работе ,кокиля и повышение срока его службы.
На фиг,1 показан кокиль в разрезе.
Кокиль содержит корпуса 1 с отверстием в поддоне и/или стенке, имеющем в сечении ступенчатую форму,, и полый металлический стержен ь. вкл юча ющий три или более сегмента 2. такое же количество распирающих эти сегменты элементов 3 и пружину 4, воздействующую через штоки 6 и планшайбу 5 на сегменты 2 по направлению извлечения их из кокиля.
В исходном положении стержень своей знаковой частью устанавливается в отверстии и/или стенку кокиля и опирается о буртик отверстия, образованный ступенькой
5U 1811975 А1 (57) Использование: изобретение относится к .области спецметаллургии, конкретно к электрошлаковому кокильному литью. Сущность изобретения: отверстие в поддоне й/или стенке имеет в сечении ступенчатую форму, причем ширина ступени составляет
1,0-.3,0 мм, а ступень с большим диаметром, равным исходному диаметру стержня, обращена к рабочей полости кокиля, при. этом зазоры между сегментами являются сквозными и составляют 0,1 — 1,5 мм. Кокиль снабжен пружиной с направляющей, установленной по оси стержня со стороны pro знаковой части, 2 з.п.ф-лы, 3 ил. 8 меньшего дйаметра. При этом элементы 3 воздействуют непосредственно на сегменты стержня на уровне отверстия в поддоне и/или стенке кокиля и удерживают эти сегменты в крайнем технологически заданном а положении. Гарантированный зазор: между Q© сегментами стержня обеспечивается направляющими щелями 8 планшайбы 5, штоками 6 и вертикальной стенкой ступени отверстия большего диаметра, Пружина 4, действуя вдоль оси стержня по направляю- М щей 9, прижимает стержень к буртику отвер- (Л стия и удерживает этот стержень в форме при повороте последней под заливку.
Диаметр большей ступени отверстия (D) в корпусе кокиля соответствует диаметру формируемой полости,с поправками на толщину шлакового гарнисажа и величину линейной усадки. Диаметр меньшей ступени отверстия д выбирают исходя из двух условий: создать в сочетании с 0 буртик-опору для стержня (т.е. d < D) и обеспечить свобод1811975 ное извлечение стержня с кокиля (т.е. d должен быть больше диаметра стержня полно1 — п S го обжатия последнего или d >
n S или d > Р, где L — длина окружности
Л большей ступени, п и S — количество и ширина пазов между сегментами стержня).
Иначе говоря величина диаметра меньшей
Ступени отверстия должна удовлетворять неравенство: (Р- „) Суммарная величина податливости предлагаемого стержня может быть увеличена за счет увеличения количества сегментов (зазоров), При этом минимальная ширина каждого из сегментов стержня должна быть не менее 15 — 20 мм и зависит от толщины стенки формируемой отливки. B противном случае возможно оплавление этих сегментов. Величина зазора между сегментами стержня 0,1-1,5.мм зависит главным образом от размерной точности исполнения стержня и физико-химических характеристик заливаемых в форму металла и шлака. Нижний предел величины зазора 0,1. 0,3 мм позволяет. компенсировать суммарные погрешности: при изготовлении и сборке стержня и кокиля, от нестаоильности температур стержня при сборке и заливке расплава, от нестабильности упругой деформаЦии, от нестабильности коэффициента линейного расширения материала стержня, погрешности, обусловленной износом Стержня и др., и гарантирует при этом его податливость. Такие зазоры могут быть рекомендованы при заливке в форму металла с перегретым шлаком или шлаком, имеющим высокую жидкотекучесть (например, флюсы на основе плавикового шпата). Верхний предел величины зазора 1,5 мм выбран исходя из условий >кидкотекучести шлака и смачиваемости поверхности стержня шлаком. Такие зазоры могут быть рекомендованы при литье металла с "холодным" шлаком (например, при литье стали Гадфильда) или шлаком, имеющим низкую жидкотекучесть (например, флюсы, на основе глинозема и с содержанием магнезита). При S > 1,5 мм возможно проникновение шлака в зазоры. Кокиль работает следующим образом. При заливке в кокиль расплава шлак первым попадает в форму и, контактируя с рабочей поверхностью формы и стержня, образует на их поверхностях корочку шлакового гарнисажа толщиной 1,0 — 2,5 мм, В дальнейшем шлак вытесняется металлом и по мере перемещения его вверх до заранее заданного уровня покрывает рабочую поверхность стержня и кокиля гарнисажным слоем. Благодаря низкой жидкотекучести шлака и плохой смачиваемости их поверхности стержня, зазоры между сегментами закупориваются шлаковым гарнисажем так, что шлак не проникает внутрь этих зазоров. В процессе кристаллизации металла в "0 кокиле отливка в результате объемного сужения усаживается. Под действием сил, вызванных усадкой металла и превосходящих суммарное усилие элементов 3, сегменты подаются к оси стержня, т.е, стержень "складывается", обеспечивая тем самым беспрепятственную усадку металла отливки. В определенный момент, когда стержень "сложился" еще не полностью, его на20 ружный диаметр D в результате обжатия стержня уменьшится до такого значения Р1, когда Р1 станет меньше диаметра меньшей ступени отверстия в поддоне и/или стенке кокиля, срабатывает пружина 4, усилия ко25 торой превышают силы. трения сегментов стержня о шлаковый гарнисаж и поддон и/или стенку кокиля, и стержень извлекается из отливки. Пружина 4 уходит в нишу кронштейна 7. Поскольку высота стерж30 ня со штоками 6 на 5 — 10 мм больше, чем расстояние между полкой кронштейна 7 и нижним срезом кокиля 1, стержень после извлечения остается в собранном состоянии, Своевременное и быстрое извле35 чение стержня исключает вероятность образования трещин в отливках или проливов металла из кокиля и понижают возможность коробления и разгара сегментов стержня, Самоизвлечение стержня сущест40 венно улучшает условия труда обслуживающего персонала. После охлаждения стержня и кокиля до технологически заданной температуры, стержень снова подают в рабочую полость кокиля до момента выхода его знаковой части за буртик отверстия а поддоне и/или стенке кокиля, В этот момент срабатывают " элементы 3 и разжимают сегменты стержня в исходное положение, а пружина 4.поджимает стержень его знаковой частью к буртику меньшей ступени отверстия. Кокиль с полым металлическим стержнем опять готов к работе. n S Неравенство (Р— — ) < d < Р теореЛ тически может принимать самые различные численные значения. Пример 1. Отливка методом ЭКЛ заготовки детали хомут внутренним диаметром 160 мм, масса заготовки 17,5 кг. мате1811975 риал медь М1, Флюс — АН-28Н по ТУ ИЭС 680-88 с температурой плавления 900 С, С учетом величины линейной усадки меди 3,5 и толщины шлакового гарнисажа для данного флюса - 0,5 мм устанавливаем исходный диаметр стержня D, равным 165 мм, Величина зазора между сегментами для данного шлака должна быть не более 0,3— 0,4 мм, Количество сегментов стержня может быть выбрано от 3 до 20 шт (согласно максимально допустимой ширине сегмента 15 — 20 мм). Следовательно, в зависимости от выбранного нами количества сегментов, численное значение диаметра d меньшей ступени кокиля может быть 164,5-162,5 мм < б< 165 мм, Пример 2, Отливка методом ЭКЛ заготовки детали корпус подшипника внутренним диаметром 420 мм, масса заготовки 180 кг, материал сталь ШХ вЂ” 15, флюс АН вЂ” 295 по ТУ t4 — 1 — 1948-77 с температурой плавления 1380 С. Исходный диаметр стержня рассчитывается исходя из величины линейной усадки материала (для ШХ вЂ” 15 — 2,0/), толщины шлакового гарнисажа (для АН— 295 — 2,0 — 2,2 мм) и припуска на механическую обработку отливки (1-1,5 мм). В нашем случае исходный диаметр стержня равен 428 мм. Величина зазора между сегментами - стержня при данном шлаке 1,5 — 1,8 мм. Количество сегментов может быть выбрано от 3 до 50 шт, Таким образом, диаметр d меньшей ступени находится в интервале 404,1426,7 мм < d < 428 мм. Пример 3, Отливка методом ЭКЛ заготовки корпусной детали фланец с внутренним отверстием диаметром 405 мм и квадратным фланцем размером в плане 440 х 440 мм, масса заготовки 24,3 кг, материал сталь 110Г13Т, флюс АНФ вЂ” 32 по ТУ 14 — 1— 1184-75 с температурой плавления 1300 С. Расчетный исходный диаметр стержня (при величине линейной усадки 2,5 / и толщине гарнисажа — 1.2-1,5 мм) равен 415 мм. Величина зазора между сегментами стержня при данном шлаке 1,2 мм. Количество сегментов может быть от 3 до 65 шт. Следовательно, значение диаметра меньшей ступени кокиля будет в интервале: 390,2 — 413,5 мм < d < 4 t5 мм. На практике минимальное значение веп.S личины (податливость стержня) слеК дует ограничивать 2-2,5 мм, что обеспечивает надежную фиксацию стержня в кокиле в исходном состоянии. при подаче кокиля под заливку и во время заливки в него расплава. Величина верхнего предела n S отношения — ограничена величиной лиjl нейной усадки материала заготовки и должна обеспечивать полную беспрепятст5 венную усадку отливки, Однако следует учитывать, что процесс полной усадки отливки— длительный процесс, т.к, продолжается до ее полного остывания, Но, с одной стороны, длительное (пусть даже относительно не10 большое) сопротивление усадке кристаллизующейся отливки может содействовать возникновению в последней дополнительных внутренних напряжений, С другой стороны, длительное время 15 контакта стержня с жидким расплавом и затем с кристаллизующимся металлом, сопровождается преждевременным выходом из строя стержня вследствие коробления и разгара его сегментов. 20 Поэтому необходимо стремиться к максимально допустимому сокращению времени пребывания стержня в отливке, а следовательно — к ограничению величины буртика междудиаметрами большей и мень25 шей ступеней в донышке (стенке) кокиля (отношения — ). и S 7Е С точки зрения упрощения конструкции такого кокиля целесообразно стремиться к 30 минимальному количеству сегментов стержня и максимально допустимому значению ширины зазоров S между сегментами, Примеры расчета оснастки приведены ниже. 35 Расчет оснастки Э КЛ осуществляется по примеру 1. Заготовка представляет собой кольцо высотой 120мм, внутреннимдиаметром 160 мм и толщиной стенки 20 мм, Исходный 40 диаметр стержня D = 165 мм, Величина линейной усадки составит = 5,8 мм, 165 35 Количество сегментов стержня 20, ширина сегментов 25,8 мм. При ширине зазора меж45 ду сегментами равным 0,4 мм податливость стержня составит 2,55 мм, Выберем d = 162,6 мм. Расчет оснастки ЭКЛ производится по примеру 2. 50 Заготовка ЭКЛ представляет собой ступенчатое кольцо высотой 100 мм, внутренним диаметром 420 мм и толщиной стенки в среднем 130 мм. Исходный диаметр стержня D = 428 мм, Величина линейной усадки 55 428 2.0 составит = 8,56 мм . Количество сегментов стержня 14, ширина сегментов по образующей 110,0 мм. При ширине зазора между сегментами, равной 1,5 мм, податли1811975 30 50 вость стержня составит 6,70 мм. Выберем d = 422 мм. Расчет оснастки ЭКЛ осуществляется по примеру 3, Заготовка ЭКЛ представляет собой квадратную плиту толщиной 50 мм и длиной стороны 440 мм с центральным отверстием диаметром 405 мм, Исходный диаметр стержня D = 415 мм, Величина линейной усадки 415 2,5 отливки составит — = 10,1 мм. Количество сегментов стержня 18, ширина сегментов по образующей 70 мм. При ширине зазора между сегментами, равной 1,2 мм, податливость стержня составит 6,9 мм. Выберем d = 409 мм. Таким образом, как следует из приведенных выше примеров, на практике величину разности D - d целесообразно выбирать в пределах (2-2,5) — 6,0 мм, или другими словами, ширина ступени отверстия в донышке кокиля должна быть 1,0-3.0 мм, Отличительной особенностью кокиля, представленного на фиг.2, является то, что вместо элементов 3 и пружины 4 кокиль снабжен пневмоцилиндрами 3 и 4, жестко связанными с сердечником 10, Пневмоцилиндры свободными торцами своих штоков шарнирно связаны соответственно с сегментами стержня 2 и планшайбой 5. Пневмоцилиндры 3 могут быть заменены одним пневмоцилиндром 11, фасонным штоком 12 и тягами 13 (см. фиг.3), Направляющую 9 кокиля выполняют полой с заглушкой с одного (верхнего) торца и штуцером — с другого. В верхней части боковых стенок направляющей выполнены сквозные щели шириной 4-6 мм. В нижней части направляющей 9 (снаружи кронштейна 7) в ее стенке устанавливают клапан 8 для стравливания избыточного давления воздуха в магистрали пневмоцилиндров 3, В сердечнике 10 на уровне щелей в стенке направляющей 9, выполняют сквозные отверстия (диаметром 3 — 5 мм) в количестве, равном количеству пневмоцилиндров 3 (сегментов стержня 2). К штуцерам а и б пневмоцилиндров 4 и направляющей 9 подключают пневмопроводы. В статическом положении пневмоци линдры 3 через свои штоки прижимают сегменты стержня 2 к стенке отверстия в кокиле с усилием 200 — 300 Па. достаточным для удержания сегментов в крайнем положении. Пневмоцилиндры 4 через свои штоки, планшайбу 5 и тяги 6 прижимают стержень его знаковой частью к буртику отверстия кокиля с усилием, незначительно превосходящим массу всего стержня и силу трения сегментов стержня о стенку отверстия кокиля и корку гарнисажа при извлечении стержня из кокиля. Во время кристаллизации и усадки металла отливка "обжимает" стержень, сегменты давят на штоки пневмоцилиндров 3 и подают их к оси стержня, повышая при этом давление воздуха в пневмомагистрали пневмоцилиндров 3. Срабатывает клапан 8 и сбрасывает давление в магистрали до исходного. И так происходит до момента, когда стержень "складется" до дости>кения его наружного диаметра 0 значения D>, меньшего диаметра меньшей ступени отверстия в поддоне и/или стенке кокиля. В этот момент усилиями пневмоцилиндров 4 стержень извлекается из кокиля и перекрывается подача воздуха на пневмоцилиндры 3, В остальном работа устройства по фиг,2 ничем не отличается от работы устройства, показанного на фиг.1. Работа кокиля, представленного на фиг,3, аналогична описанному выше. При подготовке (сборке) кокиля сжатый воздух подают в пневмомагистрали цилиндров 3 и 4 (штуцер б), Под действием пневмоцилиндров 4 стержень подается вверх (внутрь кокиля), а пневмоцилиндры 3 (при совмещении отверстий сердечника 10 и щелей направляющей 9) своими штоками раздвинет сегменты 2 в крайнее поло>кение. После этого снимают давление воздуха в магистрали штуцера б и создают его в магистрали штуцера а пневмоцилиндров 4. Стержень знаковой частью будет поджат к буртику отверстия кокиля. Кокиль готов к работе. Для стержней с большим количеством сегментов рекомендуется использовать конструкцию кокиля, представленную на фиг,3, Примеры числовых значений диаметра меньшей ступени d отверстия в кокиле приведены ниже, Рассмотрим, какие усилия воздействуют на элементы кокиля в статическом состоянии, при подаче его под заливку и заливке расплава в кокиль, а также в процессе кристаллизации и усадки отливки, В исходном (статическом) состоянии на стержень воздействует три силы: вес стержня (Р ), распирающие усилия элементов 3 (Рр) и усидчив пружины 4 (Рз). При этом, с целью надежного прижатия сегментов стержня к буртику отверстия в донышке кокиля, усилие каждой из элементов 3 должно в 1,2-1,5 раза превосходить силы трения (Р,г) между трущимися плоскостями сегментов стержня и ступеньки кокиля, т.е. Р > (1,2-1,5)Етр, (1) где Ртр = f (Р + Рз). (2) 1811975 io кг При подаче кокиля на заливку, т.е. его повороте вокруг горизонтальной оси на угол 180", наибольшие усилия элемента 3 должны преодолевать в момент горизонтального расположения сегментов стержня, т.е. при повороте кокиля на 7гол 90 . В таком положении момент, создаваемый усилием каждой из пружин стержня (Pz), должен и ревы ш ать момент, созда ваемый весом каждого из сегментов стержня (Р1), т.е, Р21 а > Рп !/2. или Р > Рп х х (3) 2а Пружина 4 преодолевает наибольшие нагрузки при достижении кокилем крайнего положения под заливку, т.е. при повороте кокиля нэ угол 180 . В этом положении пружина 4 должна удерживать стержень в кокиле, т.е. Рз > Р1. (4) При заливке расплава в кокиль на стержень воздействует, помимо указанных выше сил, давление столба жидкого расплава (Р4), величина которого достигает наибольшего значения в момент окончания заливки. При этом момент, создаваемый усилием каждой из пружин стержня (Р ;) должен превосходить момент создаваемый давлением столба жидкого шлака (Рщ) и металла (Р ). Сопротивление давлению расплава оказывает и отмеченная ранее сила трения (Р,р). Кэк следует из фиг,6 P b+P с (5) э В процессе кристаллизации и усадки отливки в кокиле на стержень воздействуют силы Р1, Рг, Рз, а также сила, создаваемая усадкой металла (Ру). Эффективная работа кокиля обеспечивается при условии, что Pz < (Ру — F>p). (6) Очевидно, что при (расчете) выборе пружины следует ориентироваться на наибольшее значение Pz среди усилий. определяемых по формулам 1,3 и 5. Расчет усилий, возникающих в элементах конструкции кокиля для ЭКИ заготовок детали фланец (см. пример 3). Масса стержня кокиля P1 = 16 кг. а масса одного сегмента Рц = 0.8 кг высота столба жидкого металла и шлака 50 мм каждого, временное сопротивление разрыву стали 110Г13Т (бв) равно 74,6 мм, материал кокиля СТ.З, коэффициент трения f = 0,15. Согласно формуле (4) выберем Рз = 20 Из стандартных пружин данной характеристике может соответствовать пружина N 425 по ГОСТ 13766 — 68. Рассчитаем, какие усилия должен создавать каждый из элементов 3. Согласно формулам (1) и (2) Pz > 6,5 кг, согласно формуле (3) Pz > 0,9 кг. Согласно формуле (5) Pz > 0,6 кг, т,е. в нашем примере наибольшее усилие элемент 3 должен преодолеть при установке стержня в кокиль во время сборки последнего, а именно 6,5 кг. С другой стороны согласно формуле (6) Pz < 740 кг. Расчет показал, что усилие пружины 3 должно быть в интервале: 65< Рг<740 Выбираем пружину с усилием Р = 7,0 кг. Данной характеристике может соответствовать пружина N" 321 по ГОСТ 13766 — 68. Таким образом, предлагаемая конструкция кокиля с полым металлическим стержнем для формирования отливок с полостями при заливке в него металла со шлаком лишена недостатков известных конструкций, Наличие в поддоне и/или стенке кокиля отверстия ступенчатой формы и зазоров между сегментами стержня в сочетании с пружинами (пневмоцилиндрами) 3 и 4 обеспечивают простую и надежную фиксацию стержня в кокиле, а также сэмоизвлечение в требуемый момент из отливки в процессе кристаллизации металла. Перенос точки приложения расширяющего усилия пружин из клиновидных вставок непосредственно нэ сегменты упрощает конструкцию стержня и обеспечивает более высокую его чувствительность к усадке отливки, что для небольших по размерам и массе отливок ЭКИ имеет важное практическое значение. Отказ от водяного охлаждения повышает безопасность при эксплуатации стержня и кокиля в целом. В целом конструкция предлагаемого кокиля позволяет сократить трудоемкость подготовки фо м к заливке, гарантирует высокое качество литья, повышает безопасность при его эксплуатации и улучшает условия труда обслуживающего персонала, Формула изобретения 1.Кокиль с полым металлическим стержнем для получения отливок с полостями при литье металла со шлаком, включающий металлический корпус с отверстием в поддоне и/или стенке и стержень; фиксируемый своей знаковой частью в отверстии поддона и/или стенке, причем стержень состоит из трех или более продольных сегментов, установленных вдоль его образующего с зазорами и поджатых в радиальном направлении посредством распорных элементов, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью снижения трудоемкости операций при подготовке к работе кокиля и повышения срока его службы, отверстие в поддоне и/или стенке имеет 11 12 в сечении ступенчатую форму, причем ширина ступени составляет 1,0-3,0 мм, а ступень с большим диаметром равным исходному диаметру стержня, обращена к рабочей полости кокиля, при этом зазоры между 5 сегментами являются сквозными и составляот 0,1 — 1,5 мм, а кокиль снабжен пружиной с направляющей, установленной по оси стержня со стороны его знаковой части, 4-к 2,Кокиль по п.1, отличающийся тем, что распорные элементы установлены на уровне отверстия поддона и/или стенки кокиля. 3 Кокиль tlo и 1, о т л и ч а ю щ и Й с я тем, что распорные элементы выполнены в виде пневмоцилиндров с толкат лями, 1 1811975 1811975 Составитель B,Ëóïàí Техред М.Моргентал Корректор Г.Кос Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 1547 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
