Способ изготовления отливок с внутренней резьбой и устройство для его осуществления

 

Способ включает заливку сплава в форму и формообразование резьбы резьбообразующим стержнем; стержень приводят одновременно во вращательное и возвратно-поступательное движение в интервале кристаллизации сплава, причем вращение стержня осуществляют с различными скоростями с момента заливки, определяемыми по формулам, и по достижении кристаллизующимся сплавом определенной прочности. Устройство для реализации способа содержит металлическую форму, выполненную с размещенной в ее стенке термопарой для определения температуры начала синхронного возвратно-поступательного и вращательного перемещений резьбообразующего стержня. Способ и устройство обеспечивают получение отливок с внутренней резьбой высокой прочности. 2 с. п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению отливок из цветных металлов и сплавов заливкой в металлическую форму.

Известен способ получения деталей с резьбой литьем под давлением [1] Таким способом изготавливают внешнюю и внутреннюю резьбу на гайках с фигурными головками и штепсельными разъемами.

Сплав заливают в камеру прессования машины литья под давлением и пресс-поршнем запрессовывают в полость формы, состоящей из вкладышей и резьбообразующих стержней, вмонтированных в пресс-форму машины. В процессе кристаллизации эти резьбообразующие стержни составляют единое целое и вместо с отливкой удаляются из пресс-формы, а затем резьбообразующие стержни выворачивают, и в отливке оформляется внутренняя резьба. Резьбообразующие стержни могут удаляться из отливки лишь после полного затвердевания металла и извлечения отливки из пресс-формы.

Основными недостатками способа получения резьбы литьем под давлением являются: пористость в околорезьбовой зоне, что снижает прочность; вероятность поводки заготовки при малых толщинах в процессе выворачивания стержня, так как необходим большой крутящий момент; необходимость в использовании станков большой мощности для выворачивания резьбообразующего стержня, находящихся в напряженном состоянии за счет давления на жидкий металл; необходимо использовать специальные устройства (кондуктор, вставки, фиксаторы, зажимы) для удаления резьбообразующих стержней; невозможность получения отливок с внутренней резьбой.

В качестве прототипа принят способ изготовления отливок с внутренней резьбой и устройство для его осуществления. Способ включает заливку сплава в форму и формирование резьбы посредством формообразующего стержня.

Устройство для осуществления способа содержит металлическую форму с литниковой системой и резьбообразующий стержень, установленный с возможностью возвратно-поступательного и вращательного перемещения от привода.

Известное решение не обеспечивает получения прочных и точных отливок с внутренней резьбой, что обусловлено устройством, а именно: отсутствие калибрующей резьбовой части у резьбообразующего стержня, неподвижность резьбообразующего стержня в период формирования отливки. Скорость вращения резьбообразующего стержня одна и согласуется лишь со скоростью перемещения механизмов машины литья под давлением.

Цель изобретения совершенствование процесса получения металлических отливок с внутренней резьбой, повышение прочности и точности металлических отливок с внутренней резьбой.

Цель достигается тем, что в способе изготовления отливок с внутренней резьбой, включающем заливку сплава в форму и формообразование резьбы резьбообразующим стержнем, последний приводят одновременно во вращательное и возвратно-поступательное движение в интервале кристаллизации сплава, причем вращение стержня начинают со скоростью ω₁ с момента заливки, определяемой по формуле: ω₁ 30 JDl (об/мин), где 30 коэффициент размерного соответствия; J число центров кристаллизации, образуемых в начальный период формирования структуры на поверхности комбинированного стержня, 1/см² ˙ с; D диаметр цилиндрической части комбинированного резьбообразующего стержня, см; l высота цилиндрической части комбинированного резьбообразующего стержня, контактирующая с жидким сплавом, см; а по достижении кристаллизующимся сплавом прочности σ_n σ_n (0,2-0,25) σ_в где σ_B предел прочности на растяжение, МПа; вращение осуществляют со скоростью ω₂, определяемой по формуле: ω₂= где С₁ коэффициент, зависящий от параметров резьбы; С₂ коэффициент, характеризующийся отношением площади среза к цилиндрической поверхности, зависит от очага деформации; F поверхность резания на один виток, м²; Е модуль объемной упругости, МПа;
μ коэффициент Пуассона;
Λ_р коэффициент пластичности сплава;
q площадь цилиндрической поверхности, см²;
Н интенсивность деформации сплава, с^-1;
60 коэффициент размерного соответствия.

Цель достигается также тем, что в устройстве для осуществления способа, содержащем металлическую форму с литниковой системой и резьбообразующий стержень, установленный с возможностью возвратно-поступательного и вращательного перемещения от привода, металлическая форма выполнена с размещенной в ее стенке термопарой для определения температуры начала синхронного возвратно-поступательного и вращательного перемещений резьбообразующего стержня. Значение коэффициента С₁ зависит от диаметра отверстия, шага, размера впадины резьбы и колеблется в пределах 0,25-0,5, определяется опытным путем, при установлении оптимального давления на комбинированный резьбообразующий стержень в начальный момент зависит от мощности станка, с которым работает резьбообразующий узел. Число центров кристаллизации J в начальный период формирования структуры может быть определен согласно определенной методике. При контакте с жидким сплавом вращающийся комбинированный резьбообразующий стержень отбрасывает за счет центробежных сил образующиеся на нем мельчайшие зародыши, число которых непрерывно растет. Через некоторый промежуток времени угловые скорости вращения отброшенных частиц выравниваются. При этом сплав переходит в состояние покоя. При вращении комбинированного резьбообразующего стержня происходит разрушение дендритных кристаллов, сопровождающееся ростом дополнительных центров кристаллизации и разрушением зоны двухфазного состояния. Это обеспечивает мелкую равномерную структуру во всем объеме сплава независимо от типа сплава (структура слоистопластинчатая, матричная, каркасно-матричная и т. д.). Структура при предлагаемом способе в поверхностном слое сплава, контактирующем с комбинированным резьбообразующим стержнем, будет мелкозернистая, средний размер зерен в зоне контакта со стержнем 15-22 мкм (сплав АЛ4).

Модуль объемной упругости Е характеризует силу отрыва атома от атома (МПа), зависит от размеров зерна, сил сцепления между атомами и температуры.

Н интенсивность деформации зависит от химического состава сплава, температуры сплава, склонности к ликвационной неоднородности, среднего размера и величины зерна в объеме среза, межатомных сил сцепления.

Интенсивность деформации Н (с^-1) определяется опытным путем, для сплава АЛ4 при 450^оС должна составлять не более 50 с^-1, иначе происходит пластическое разрыхление при Н>50c^-1, при меньших значениях трудно обеспечить градиент заданных температур в течение более длительного времени нарезания и зависит от длины нарезания резьбы.

Пластичность сплава Λ_p определяется как Λ_p= 2 при механических испытаниях, где d_o, d_p диаметры гагаринских образцов до и после разрушения.

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства, разрез, на фиг.2 вид А на фиг.1.

Устройство состоит из следующих элементов: 1 четырехгранный стержень, конец которого входит в гнездо комбинированного резьбообразующего стержня 2, а другой конец закреплен в патроне сверлильного станка. Комбинированный резьбообразующий стержень 2 выполнен с внутренней полостью в виде граненого гнезда. На резобообразующей части 3 выполнены заходные и калибрующие витки резьбы с канавкой 4 для удаления металла. Резьбообразующий стержень 2 заканчивается хвостовой частью 5, входящей в плиту 6.

Литниковая система 7 включает в себя стояк с щелевым питателем.

В плите 6 выполнены отверстия 8 для фиксации.

Ступенчатая шайба 9 снабжена фасонными уступами и наворачивается на резьбообразующий стержень 2, своей плоской поверхностью упирается в металлическую форму 10, состоящую из двух полуформ, в одну из которых зачеканена термопара 11, соединенная с регистрирующим прибором 12, сигнал с которого поступает на пульт 13 управления. Резьбообразующий стержень 2 имеет отверстие 14, в которое входит четырехгранный стержень 1, в начальный момент обеспечивающий вращение со скоростью ω₁ без подачи, положение начальное при входе стержня 1 м, конечное положение обеспечивает начальное перемещение резьбообразующего стержня 2 с площадкой направляющей части 15. Зацепление ступенчатой шайбы 9 обеспечивается фиксатором 16, перемещение которого осуществляется с помощью электромагнита 17. Расстояние фиксатора 16 относительно металлической формы 10 регулируется положением штифта 18. На четырехгранном стержне закреплена коническая насадка 19, входящая в контакт с конечным переключателем 20. Цилиндрическая поверхность 21 стержня 2 соответствует размерам, учитывающим усадку сплава с образованием зазора между ее поверхностью и сплавом.

Установка работает следующим образом.

Металлическую форму 10, подогретую и покрытую разделительной смазкой, собирают из двух половин и фиксируют штырями (не показано) на плите 6 по отверстиям 8. Во внутреннюю полость вводится резьбообразующий стержень 2, который хвостовой частью 5 входит в отверстие 8 с зазором, исключающим проникновение в него жидкого сплава.

Верхняя часть комбинированного резьбообразующего стержня 2 с завернутой на нем ступенчатой шайбой 9 упирается на металлическую форму 10, образуя замкнутую полость отливки. Четырехгранный стержень 1, закрепленный одним концом в патроне сверлильного станка, другим входит в гнездо комбинированного резьбообразующего стержня 2, при этом не оказывает на него давления, а лишь передает вращение с определенной скоростью ω₁. Жидкий сплав заливается в полость формы через литниковую систему 7. При достижении температуры в сплаве, соответствующей σ_n= (0,2-0,25) σ_в, термопара 11 подает сигнал на (КСП-4) прибор 12, с него поступает сигнал на пульт 13 управления, который осуществляет вертикальное перемещение четырехгранного стержня 1, а с ним и комбинированного резьбообразующего стержня 2 за счет плотного контакта в его гнезде. При опускании четырехгранного стержня 1 замыкается конечный переключатель 20 насадкой 19, при этом подается сигнал на электромагнит 17, через пружину и шток на фиксатор 16 и перемещает его, относительно оси фиксатор 16 регулируется штифтом 18, и фиксатор 16 входит в зацепление с вращающейся ступенчатой шайбой 9 и останавливает ее.

Одновременно с остановкой ступенчатой шайбы 9 с пульта 13 управления поступает сигнал об изменении скорости вращения комбинированного резьбообразующего стержня 2 до ω₂ идет процесс нарезания резьбы в кристаллизующемся металле, находящемся в сверхпластичном состоянии. Резьбообразующая часть (имеется ввиду калибровочный участок) комбинированного резьбообразующего стержня 2 проходит по высоте отливки, выходит из зацепления с четырехгранным стержнем 1 и затем опускается в поддон, укрепленный на плите (не указано). Четырехгранный стержень 1 поднимается, размыкая шайбой 19 контакты конечного переключателя 20, последний включает электромагнит 17, и фиксатор 16 выходит из зацепления со ступенчатой шайбой 9. Ступенчатая шайба 9 извлекается, металлическая форма 10 раскрывается, отливка с внутренней резьбой удаляется. Затем цикл изготовления отливки повторяется.

П р и м е р. Изготавливали отливку-шестигранник с внутренней резьбой М30 х 2 высотой 60 мм с толщиной стенки 10 мм из сплава АЛ4. Металлическую форму (сплав 3Х2В8Ф) подогревали до 150^оС, покрывали составом, мас. окись цинка 6, мел 3, жидкое стекло 1, вода остальное; собирали и фиксировали штырями D 8 мм на плите 6 по отверстиям 8. Резьбообразующий стержень 2, выполненный из сплава ХНГ (резьбообразующая часть) и сплава ВТ-5 (цилиндрическая часть), покрывали смазкой, в состав которой входит, мас. коллоидный графит 3 и дисульфид молибдена 1, остальное вода (ультразвуковое перемешивание), соединяли со ступенчатой шайбой 9 из латуни (ЛС59-1), опускали в металлическую форму и вводили в зацепление с четырехгранным стержнем 1 для передачи вращения. Цилиндрическая поверхность 21 комбинированного резьбообразующего стержня 2 имела диаметр 26,14 мм. Резьбовая часть имела заборный угол 7^о30', а угол зубьев калибрующей части 10^о. Зубья заборной части имели больше затылование, чем калибрующие части, что обеспечивает резание с одинаковой толщиной и равномерной нагрузкой. Заборная часть с таким углом (ведущие зубья) обеспечивает четкое оформление резьбы.

Вращение четырехгранного стержня 1 осуществлялось станком 1А65 с тиристором и двигателем постоянного тока, что обеспечивает плавное переключение скоростей.

Скорость вращения ω₁ определялась
ω₁ 30 JDl 30 ˙ 90 ˙ 26,14 ˙ 60 ˙ 10^-4
423,4 об/мин
ω₁ 423,4 об/мин
J 90 число центров кристаллизации, образуемых на 1 см² ˙ с при литье в металлические формы. Определялось опытным путем D 26,14 мм диаметр цилиндрической части комбинированного резьбообразующего стержня, взятый с учетом изменения размеров отверстия при охлаждении металла и образования зазора между металлом и стержнем, определяется исходя из величины зазора, который образуется между металлическим резьбообразующим стержнем и кристаллизующимся металлом.

l высота цилиндрической части комбинированного резьбообразующего стержня, контактирующего с кристаллизующимся металлом, равная 60 мм.

Сплав АЛ4 заливался в литниковую систему при 680^оС. Комбинированный резьбообразующий стержень 2 вращался при этом со скоростью ω₁ 430,0 об/мин. При достижении сплавом АЛ4 температуры 450^оС, что соответствует σ_n= 0,2σ_в, т. е. 35 МПа, термопарой 11 эта температура фиксировалась прибором КСП-4 и с него подавался сигнал на осуществление продольной подачи четырехгранным стержнем 1 и изменением скорости вращения ω₁ на ω₂ с помощью тиристора. Скорость вращения ω₂ определялась по формуле
ω₂= где принимали С₁ 0,25, С₂ 3,2;
С₁ коэффициент, равный аналогичному, взятому при нарезании резьб в вязких материалах;
С₂ коэффициент определяли как отношение площади среза к площади цилиндрической части, для нашего случая С₂ = 3,2, F 1130 мм², q 10636 мм², μ= 0,9, Н 10^-2 с^-1, Е 0,4 ˙ 10⁵ МПа, λ 2 3,5,
ω₂= 20,7 об/мин
Значение величин μ, Е взяты для состояния сплава, соответствующего сверхпластичности, т.е. для сплава АЛ4 при 450^оС.

Величины μ, Е определяются из справочных данных, а Н определена опытным путем, с учетом возникновения поверхностных дефектов в сплаве при принятых температурах.

Вращение комбинированного резьбообразующего стержня 2 осуществлялось при его осевом перемещении вдоль изделия и после окончания высоты изделия четырехгранный стержень выводили из зацепления с резьбообразующим стержнем.

В начальный момент осевого перемещения ступенчатая шайба 9 фиксировалась фиксатором 16 путем обесточивания электромагнита 17 за счет пружины на штоке фиксатора. Сигнал на электромагнит поступал от конечного переключателя, смонтированного на направляющей сверлильного станка, путем размыкания электрической цепи насадкой 19, установленной на четырехгранном стержне 1. Четырехгранный стержень 1, пройдя определенное расстояние, поднимался, замыкая электрическую цепь электромагнита 17, при этом фиксатор 16 выходил из зацепления со ступенчатой шайбой 9, последняя извлекалась из металлической формы 10. Металлическая форма 10 раскрывалась, отливка с резьбой М30х2 удалялась.

Качество резьбы соответствовало качеству сплава АЛ4, отлитого в металлическую форму, прочностные свойства резьбы (усилие среза) намного выше прочностных свойств, получаемых литьем под давлением и литых в металлическую форму, за счет более мелкой структуры и высокой плотности металла. Данные по применению предлагаемого решения приведены в таблице.

Данные таблицы свидетельствуют о том, что получение отливок с резьбой по предлагаемому способу обеспечивает сохранение прочностного эффекта литой структуры путем использования вращения резьбообразующего стержня и нарезания резьбы при сверхпластичном состоянии расплава, т.е. состояние, при котором сдвиговые процессы в сплаве охватывают тонкие слои, которые характеризуются меньшим энергетическим барьером, т.е. соседние зерна при нарезании резьбы остаются в исходном состоянии, не меняют своей формы, и на участках резьбы не происходит скопления дислокаций.

Усилия резания в предлагаемом решении в 120 раз меньше, чем усилие, необходимое для извлечения резьбообразующего стержня по прототипу, в котором усилия извлечения настолько велики, что могут привести к деформации верхних витков резьбы и поводки изделия.

Значения скоростей вращения ω₁ и ω₂ ниже определяемых формулой изобретения могут привести к остановке комбинированного резьбообразующего стержня (ω₁), увеличению усилий резания и увеличению времени получения резьбового отверстия (ω₂).

Значение скоростей ω₁ и ω₂ выше определяемых формулой изобретения может увеличить наклеп (ω₁) и отрицательно повлиять на сдвиговые процессы в расплаве (ω₂), а следовательно, снизить качество резьбы, так как деформация слоев сплава, прилегающих к комбинированному резьбообразующему стержню, увеличивает напряженное состояние, которое не успевает выравниваться при скоростях выше ω₂, качество резьбы хуже.

Формула изобретения

1. Способ изготовления отливок с внутренней резьбой, включающий заливку сплава в форму и формообразование резьбы резьбообразующим стержнем, отличающийся тем, что резьбообразующий стержень приводят одновременно во вращательное и возвратно-поступательное движения в интервале кристаллизации сплава, причем с момента заливки вращение стержня начинают с частотой, определяемой по формуле
ω₁= 30JDl мин^-1,
где J число центров кристаллизации, образуемых в период контакта сплава с резьбообразующим стержнем,
D диаметр резьбообразующего стержня,
l высота резьбообразующего стержня, контактирующего в начальный период кристаллизации с жидким сплавом,
30 коэффициент размерного соответствия,
а по достижении кристаллизующимся сплавом прочности
σ_n= (0,2-0,25)σ_в,
где σ_в предел прочности на растяжение, вращение осуществляют со скоростью ω₂, определяемой по формуле

где C₁ коэффициент, зависящий от параметров резьбы;
C₂ коэффициент, характеризующийся отношением площади среза к цилиндрической поверхности;
F поверхность резания на один виток;
E модуль объемной упругости;
μ коэффициент Пуассона;
H интенсивность деформации металла;
L_p коэффициент пластичности сплава;
q площадь цилиндрической поверхности;
60 коэффициент размерного соответствия.

2. Устройство для изготовления отливок с внутренней резьбой, содержащее металлическую форму с литниковой системой и резьбообразующий стержень, установленный с возможностью возвратно-поступательного и вращательного перемещений от привода, отличающееся тем, что металлическая форма выполнена с размещенной в ее стенке термопарой для определения температуры начала синхронного возвратно-поступательного и вращательного перемещений резьбообразующего стержня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3