Способ литья с помощью локального вакуумирования форм, стержней и устройство для его осуществления
Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для вакуумирования форм и стержней из любых формовочных и стержневых смесей. В опоку встраивают металлические трубы, закрытые спиральными сетками. При заполнении формы расплавом осуществляют локальное вакуумирование форм и стержней через спиральные сетки. Сетки также препятствуют разрушению и попаданию формовочной смеси в систему отсоса газов. Другой конец трубы подсоединяют к вакуумной системе. В отдельных участках формы, стержня или опоки создают различное разрежение. При большой разнице величин разрежения трубы подсоединяют к нескольким вакуумным системам. При малой разнице величин разрежения в систему вакуумирования устанавливают жиклеры с разными калибровочными отверстиями. Локальное вакуумирование способствует быстрому и полному заполнению рабочей полости форм сложных и тонкостенных отливок. Обеспечивается получение качественных отливок, снижение брака, экономия металла. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к литейному производству. Оно может быть использовано для получения отливок. Данный способ литья является универсальным, так как его можно использовать с любыми формовочными и стержневыми смесями, которые имеют хоть какую-нибудь газопроницаемость, и может быть применен к самым разным отливкам с той или иной степенью эффективности.
Известен способ RU 2179087 C1, 10.02.2002, US 561.1389 А, 18.03.1997, GB 2030233 A, 02.04.1980, наиболее близкий к заявленному. У аналогов нет возможности вакуумировать непосредственно ту область формы, которая действительно в этом нуждается. Нет возможности создания разного разрежения в разных частях форм (опок) и стержней. Не осуществляется плавное поднятие и/или спад разрежения в форме по мере ее заполнения и/или завершения заливки. По сравнению с аналогами данный способ менее трудоемок и более эффективен с точки зрения качества и себестоимости готовой отливки. Аналоги осуществляют вакуумирование форм с дополнительной ее герметизацией, что в конечном итоге приводит к удорожанию литья.
Суть метода состоит в следующем. В процессе заливки форм в различных местах возникают избыточные и/или остаточные газы, также имеет место уменьшение газопроницаемости форм и стержней, вследствие чего имеет место брак по недоливам, неслитинам, повышается вероятность проникновения газов в металл и образование раковин. Эти задачи решаются тем, что использование локального вакуумирования предотвращает появление избыточных и остаточных газов в формах и стержнях, именно там, где это необходимо, а также способствует более быстрому и полному заполнению рабочей полости форм сложных и тонкостенных отливок при низком давлении металла в стояке. Для этого в опоку встраивается металлическая труба 2 или несколько труб, имеющих расширение в той области формы, где необходимо создать разрежение, которые закрыты спиральной сеткой 5 (фиг.5, 6), чтобы форма не разрушалась и не попадала в систему отсоса газов (фиг.7). Другой же наружный конец этой трубы оснащен быстроразъемным переходником 14 и подключается к вакуумной системе на время заливки. Подключение и отключение может осуществляться как вручную, так и автоматически на автоматизированных линиях. К вакуумной системе можно подключить от одного до нескольких таких труб, которые могут быть присоединены друг к другу до выходного разъема или же могут подключаться к другой вакуумной системе, если возникнет необходимость создания большой разницы между разрежениями в отдельных областях. Если же разница не очень большая, то регулировку газоотвода можно осуществить установкой в трубы специальных жиклеров (фиг.4) с разными калибровочными отверстиями и таким образом можно получить в отдельных частях одной формы или стержня разное разрежение (фиг.2). При установке опок для заливки на гладкую ровную поверхность автоматически нижняя часть формы частично герметизируется, также при переходе на локальное вакуумирование отверстия в стенках опок, ранее предназначенных для удаления газов из формы, можно закрыть (герметизировать) для более эффективного вакуумирования.
Существенным признаком способа литья локальным вакуумированием является то, что разрежение в форме (опоке) создают локально, при этом дополнительная герметизация не обязательна в отличие от аналогов, что позволяет вакуумировать непосредственно те области форм и стержней, где действительно в этом есть необходимость. Также существенным признаком является возможность создания разного разрежения в разных областях форм (опок) и стержней и тем самым появляется возможность быстро заполнять тонкостенные участки деталей без недоливов. В отличие от литья вакуумным всасыванием и вакуумно-пленочной формовкой возможно плавное поднятие и/или спад разрежения в форме по мере ее заполнения и/или завершения заливки. Существенно упрощается и ускоряется процесс вакуумирования форм, так как нет необходимости в их герметизации. Спиральные сетки надежно защищают систему вакуумирования и благодаря самоочищению стабильно сохраняется пропускная способность на одном и том же уровне. По сравнению с аналогами данный способ менее трудоемок и более эффективен с точки зрения качества и себестоимости готовой отливки, а также увеличения количества полученных деталей за единицу времени.
Опока с графитовой формой (фиг.1) 1 Опока. 2 Трубка газоотвода. 3 Рабочая полость формы. 4 Стержень. 6 Графитовая полуформа. 7 Графитовый вкладыш. 8 Песчаный литниковый стержень.
Опока с песчаной формой (фиг.2). 1. Опока 2. Трубка газоотвода. 3. Рабочая полость формы. 4. Стержень. 5. Сетка. 9. Жиклер. 10. Песчаная стержневая вставка. 11. Песчаная полуформа.
Опока с оболочковой формой (фиг.3). 1 Опока. 2 Трубка газоотвода. 3 Рабочая полость формы. 5 Сетка. 12 Оболочковая форма. 13 Сыпучий огнеупорный наполнитель.
Способ осуществляют следующим образом. На участке, где нужно создать разрежение, встраивается в форму сетка 5 с выходящей наружу трубкой, конец которой оснащен быстроразъемным соединением 14. Далее с помощью регулировки датчика разрежения 19 устанавливается степень разрежения в пределах от -0,05 до -1 (кг/см2), включают насос 20, и после того как разрежение в ресивере 16 достигло необходимой отметки, что проверяется с помощью манометра 17, установленного на ресивере, подключают шланг 15, идущий от ресивера и оснащенный на конце универсальным быстроразъемным переходником 14 к быстроразъемному соединению. Далее начинают заливку, и только после того как рабочая полость формы будет полностью заполнена, можно отсоединить универсальный быстроразъемный переходник. Таким образом, удалив избыточные и/или остаточные газы, обеспечивается полное заполнение рабочей полости формы 3 детали, что тем самым позволяет уменьшить брак и получить более качественные отливки, также за счет полного заполнения рабочей полости формы 3 при низком давлении металла в стояке, уменьшается высота и диаметр стояка, соответственно уменьшая расход формовочных материалов и металла. При локальном вакуумировании не производится дополнительно герметизация форм, что намного упрощает и ускоряет процесс их вакуумирования и заливки. При необходимости вакуумирования стержней спиральные сетки устанавливаются в форму (опоку) в непосредственной близости со знаками и через них осуществляется вакуумирование стержней. При локальном вакуумировании полость формы разбивается на поля повышенных и пониженных разрежений, которые пропорционально изменяются от расстояния между сеткой и открытыми частями формы, соприкасающимися с атмосферой. Частично закрывая (герметизируя) участки, соприкасающиеся с атмосферой, можно повлиять на изменение полей распределения вакуума в форме и стержнях, что в свою очередь влияет на процессы формирования отливки. Эффективное локальное вакуумирование полостей форм и стержней возможно в связи с изменением скоростей движения газов в пористых средах. С локальным вакуумированием формы, при соотношении площадей отверстий в сетке и соприкосновения с атмосферой 1:250 и вакуума в системе вакуумирования -0,85 кг/см2, удалось увеличить спиральную пробу на жидкотекучесть из А19 в два раза.
Известна установка для вакуумирования литейных форм SU 910314 A, В 22 С 9/02, 09.03.1982, используемая в литье вакуумно-пленочной формовкой. Существенные признаки аналога, совпадающие с заявляемым, это предназначение системы для вакуумирования литейных форм, очистка газов от песка и пыли, наличие ресивера, вакуумного насоса, манометра и др. Причины, препятствующие получению требуемого технического результата, связаны с отсутствием у аналогов функции конденсации паров и их блокировки от дальнейшего испарения и попадания в вакуумный насос. Задержки времени включения насоса, что обеспечивает: плавное снижение разрежения в ресивере, предохранение формы от гидроудара, минимизация попадания нежелательных элементов в вакуумный насос, т.к. до включения насоса значительная часть пыли оседает, а влага конденсируется, значительная экономия электроэнергии и увеличение ресурса работы вакуумного насоса. Применение быстроразъемных переходников для переключения системы вакуумирования от одной формы (опоки) к другой. Использование спиральных сеток для защиты системы вакуумирования от попадания в нее нежелательных элементов. Использование жиклеров для коррекции разрежения в различных областях формы. Возможность использования любых вакуумных насосов в связи с хорошей предварительной очисткой поступающих в насос газов.
Схема устройства (фиг.7). 1 Опока. 5 Сетка. 14. Универсальный быстроразъемный переходник. 15 Шланг. 16 Ресивер. 17 Манометр. 18 Фильтр. 19 Датчик разрежения. 20. Воздушный насос. 21 Блок управления. 22 Масло.
Система вакуумирования предназначена для вакуумирования форм и стержней с целью удаления из них остаточных и образовавшихся во время заливки газов. Также она способствует ускорению заливки, уменьшению диаметра и высоты стояков, удалению выпоров, газоотводящих каналов, продуктов деструкции связующего и т.д. (способствует заполнению формы металлом). Система вакуумирования оборудована спиральной сеткой, жиклером, быстроразъемными переходниками, ресивером с функциями фильтрации, блоком управления и вакуумным насосом. Спиральная сетка устанавливается в формы (опоки) и удерживает форму от разрушения, обеспечивает защиту системы вакуумирования от попадания в нее нежелательных элементов, через нее осуществляется отсос газов, форма исполнения спирали позволяет не мешать уплотнению форм и принимать очертания деталей, занимая минимально возможное пространство в форме (опоке), самоочищение сетки обеспечивает стабильные показатели пропускной способности на протяжении всего срока своей службы. Жиклер обеспечивает дозировку пропускаемых через себя газов и служит для создания разного разрежения в разных областях формы при использовании одной системы вакуумирования. Быстроразъемные переходники необходимы для быстрого переключения системы вакуумирования от одной формы к другой. Ресивер с функциями фильтрации обеспечивает чистоту поступающих в насос газов, конденсация влаги обеспечивает надежную работу вакуумного насоса и предохраняет от преждевременного износа, а блокировка конденсата и пыли предотвращает их дальнейшее передвижение по системе вакуумирования. Центробежное осаждение частиц увеличивает качество фильтрации и срок службы сухих бумажных фильтров. Блок управления разрежением обладает функцией задержки времени включения вакуумного насоса. Функция задержки обеспечивает: плавное снижение разрежения в ресивере, предохранение формы от гидроудара, минимизацию попадания нежелательных элементов в вакуумный насос, т.к. до включения насоса значительная часть пыли оседает, а влага конденсируется, значительную экономию электроэнергии и увеличение ресурса работы вакуумного насоса.
Изобретение направлено на решение задач, связанных с вакуумированием форм, технический результат, который может быть получен при реализации и способствовать заполнению формы металлом, обеспечить быстрое и качественное вакуумирование форм и стержней, увеличить выход годного, убрать некоторые литейные дефекты, изменить технологические параметры, увеличить срок службы оборудования, сэкономить электроэнергию, обеспечить чистоту воздуха в цехе и стабильные показатели в работе.
Ресивер 16 имеет форму цилиндра и изготовлен из стали, что обеспечивает прочность и долговечность конструкции при больших нагрузках. Поступающие в ресивер газы направляются под углом ˜45° по отношению к радиусу цилиндра, чтобы песчинки с пылью под воздействием центробежной силы и силы тяжести осели на стенки и дно ресивера, туда же заливается от одного до трех см машинного масла 22 (любой марки), что не позволяет осевшим частицам пыли снова подняться вверх. Верхняя часть ресивера оснащена герметично закрывающейся крышкой, там же находятся манометр 17, воздушный фильтр 18, трубка 20, соединяющая ресивер с насосом, и датчик разрежения 19, по сигналу которого блок управления 21 выполняет включение и выключение насоса. Также в блоке управления установлено реле времени, которым при необходимости можно регулировать время запуска двигателя, что предохраняет двигатель от частого включения и выключения, может задерживаться включение двигателя, чтобы обеспечить плавный спад разрежения по мере заполнения формы, так как нет необходимости поддержания разрежения в заполненной форме, и тем самым экономится электроэнергия и создается щадящий режим для работы насоса. Система вакуумирования также снабжена спиральными сетками, которые предотвращают попадание в нее нежелательных элементов, и жиклерами для коррекции разрежения в разных областях формы.
Сетка (фиг.5). 2 Трубка газоотвода. 23 Место пайки (сварки). 24 Металлическая проволока в виде спирали. 25 Заглушка. 26 Расширение. Сетка двойная (фиг.6). 2 Трубка газоотвода. 23 Место пайки (сварки). 24 Металлическая проволока в виде спирали. 25 Заглушка. 26 Расширение. Сетка с трапециевидной формой проволоки 41 (продольный разрез) (фиг.8). 33 Направление движений потоков через сетку. Сетка с прямоугольной формой проволоки 42 (продольный разрез) (фиг.9). 33 Направление движений потоков через сетку. Сетка с круглой формой проволоки 43 (фиг.10), где витки спирали не равноудалены от оси вращения (продольный разрез сетки для умывальников и ванн). 33 Направление движений потоков через сетку. 34 Ось вращения. Сетка с квадратной формой проволоки 44 (фиг.11), где толщина спирали изменяется в зависимости от контуров детали, возле которой она будет размещена (продольный разрез). 33. Направление движений потоков через сетку. Схематическое изображение сеток в поперечном разрезе с различной формой исполнения (фиг.12). 35 Круглая. 36 Прямоугольная. 37 Треугольная. 38 Трапециевидная. 39 Плоская. 40 Точка (центр) вращения.
Возможность осуществления. Спиральные сетки (фиг.5, 6, 8, 9, 10, 11) состоят из проволоки, которая образует ряд оборотов вокруг точки 40 (фиг.12) или оси вращения 34 (фиг.10). Проволока в поперечном сечении может иметь форму трапеции 41 (фиг.8), прямоугольника 42 (фиг.9), круга 43 (фиг.10), квадрата 44 (фиг.11), треугольника, овала и быть полой внутри для уменьшения веса сетки. Спираль также может иметь различные формы (очертания), (фиг.12) 35 круглая, 36 прямоугольная, 37 треугольная, 38 трапециевидная 39 плоская. Для литейного производства форма спиральной сетки имеет большое значение в связи с ограниченностью пространства для размещения в форме и ее технологическими особенностями, такими как газопроницаемость, прочность и др. Сетки прикрепляются к металлическому расширению 26, которое обеспечивает переход от сетки к трубке газоотвода 2, так как не всегда совпадают диаметры трубы и сетки. Потому что трубка должна быть как можно меньше, чтобы не мешать формовке и не ослабить структуру формы, а сетка должна обеспечить площадь соприкосновения с формой достаточную для пропускания через себя максимального количества газов, которые необходимо будет удалить из формы. Также переход можно обеспечить с помощью сужения либо расширения спиральной сетки. Прохождение газов осуществляется через зазоры, которые оставлены между витками спирали, в зависимости от зернового состава смеси их уменьшают или увеличивают. Спиральные сетки (фиг.5, 6, 8, 9) имеют маленькие размеры и высокую пропускную способность, за счет чего они могут быть установлены в самые труднодоступные места. Сетки не создают помех уплотнению формы во время формовки за счет своей конструкции, как на (фиг.11), спираль изготовлена таким образом, чтобы соответствовать контурам отливки, также к месту расположения приспособлена и сетка на (фиг.10), предназначенная для раковин умывальников. Спиральные сетки не деформируются при больших нагрузках, но могут прогибаться в любую сторону с последующим возвращением в исходное положение, также не нуждаются в прочистке (самоочищаются от вибраций при выбивке отливки). Сетка на (фиг.6) может дополнительно пропускать в полтора-два раза больше газов и во время сильного прогибания не позволяет формовочной смеси попадать в систему отсоса газов. За счет намотанного сверху второго ряда более тонкой проволоки 24, которая образует большой промежуток между витками второго слоя и создает два межвитковых пространства вместо одного такого же у первого слоя, и учитывая то, что газопроницаемость любой формы ограничена, увеличение свободного межвиткового пространства, соприкасающегося с формой, ведет к увеличению пропускной способности. Материал сетки, из которого изготовлена спираль, делается таким образом, чтобы ее поверхность была рифленой (поверхность покрыта выступами и/или углублениями), соответственно выступы и углубления своими размерами способствуют сохранению заданного межвиткового пространства и предотвращают соприкосновение (закрытие межвиткового пространства) между витками и слоями спирали, тем самым сохраняют свою пропускную способность. Материалами для изготовления спиральных сеток могут быть как металлы, так и полимеры. Для дополнительных слоев полимеры более предпочтительны из-за их небольшой стоимости, легкости, устойчивости к коррозии и т.д. Для декоративных изделий подходят любые материалы, в том числе и стекло.
Жиклер (фиг.4) изготовлен таким образом, чтобы частицы пыли, песка и т.д. не забивали калибровочное отверстие. Со стороны поступления газов или жидкостей жиклер имеет гладкую ровную поверхность, отверстие не имеет по краям фаски, там же отверстие сужается и с наружной поверхностью образует острые углы 31 (меньше чем 90 градусов), за счет этого попадающие туда частицы либо проходят через отверстие, либо остаются снаружи жиклера, а после того как останавливается поток, проходящий через жиклер, частицы, собравшиеся у калибровочного отверстия, осыпаются. И после завершения каждого цикла работы жиклер самоочищается без прочистки (продувки), хотя мягкие и липкие частицы все же могут застрять в жиклере и если не полностью парализовать работу жиклера, то частично изменить его рабочие параметры. Отверстие жиклера имеет вытянутую продолговатую форму (в виде прорези, щели), что в данном случае оптимально и позволяет в отличие от круглого забиваться частично и сохранить работоспособность, хотя и не полную. Форма отверстия может иметь самые разные очертания, в том числе и круглую. Как указывалось выше, форма отверстия способствует сохранению работоспособности в условиях частичного засорения, чем уже и длиннее отверстие, тем сложнее песчинкам засорить ее. За счет заостренного угла 31, образованного калибровочным каналом и поверхностью жиклера, площадь соприкосновения жиклера и попавших туда частиц максимально уменьшается, что и позволяет частицам после завершения рабочего цикла за счет собственного веса оторваться от жиклера, и тем самым предотвращается закупорка калибровочного отверстия. А калибровочный канал не забивается из-за его расширения, так как попавшие туда частицы легко проходят через него, не встречая сопротивления при соприкосновении со стенками калибровочного канала. В основном на пропускную способность жиклера влияет калибровочное отверстие, являясь самым узким местом прохождения потока, но также на пропускную способность существенно влияют длина калибровочного канала и степень его расширения.
Жиклер с прямоугольным калибровочным отверстием (фиг.4) слева, а справа разрез жиклера по линии А-А. 27 Калибровочное отверстие. 28 Калибровочный канал. 29 Отверстие. 30 Резьба 31 Острый угол, образованный между калибровочным каналом и наружной поверхностью жиклера. 32 Корпус жиклера.
Возможность осуществления. Жиклер состоит из корпуса 32, калибровочного отверстия 27, калибровочного канала 28, отверстия 29, резьбы 30. Калибровочный канал жиклера образует острый угол 31 с ее наружной поверхностью. Калибровочное отверстие 27 образуется калибровочным каналом в месте максимального его сужения.
Жиклер предназначен для дозировки газов или жидкостей. Он действует следующим образом, пропуская через себя газы, задерживает песчинки размером больше, чем само отверстие перед входом в калибровочный канал, так как эта часть жиклера является самой узкой, а после завершения цикла вакуумирования, когда поток газов через жиклер останавливается, песчинки за счет собственного веса отрываются от калибровочного отверстия, так как площадь их соприкосновения минимальна и недостаточна для удержания песчинок. Таким образом, происходит самоочищение. Также на самоочищение влияет вибрация и расположение жиклера, калибровочное отверстие которого должно быть направлено вниз или в сторону, но ни в коем случае не вверх. Нужно отметить, что использование жиклера с отверстиями в виде прорези (щели) актуально в тех случаях, когда диаметр круглого калибровочного отверстия, с той же пропускной способностью, меньше или равен размеру частиц, которые могут его засорить. Жиклер рассчитан в основном для работы в системах с цикличной работой и большой вероятностью загрязнения (засорения).
1. Способ литья с помощью отсоса газов из формы, опоки и стержня(ей), осуществляемый с применением системы вакуумирования, отличающийся тем, что разрежение создают локально, при этом в разных участках формы, опоки и стержня(ей) образуется разное разрежение.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в форму, опоку, стержень или огнеупорный наполнитель устанавливают спиральные сетки, через которые осуществляют вакуумирование.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения в разных участках формы, опоки и стержня разного разрежения применяют несколько систем вакуумирования или устанавливают жиклеры.
4. Устройство для литья с помощью отсоса газов из формы, опоки и стержня(ей), содержащее систему вакуумирования, насос, встроенные в форму, опоку, стержень трубы, закрытые сетками и соединенные с системой вакуумирования, отличающееся тем, что отсос газов из форм, опок и стержней производится через одну или более спиральных сеток и снабжено одной или несколькими системами вакуумирования.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что спираль намотана в два ряда или более.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что спиральная сетка выполнена расширяющейся, сужающейся, плоской или комбинированной.
7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что спираль в поперечном разрезе имеет форму круга, прямоугольника, треугольника, трапеции или квадрата.
8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в системе вакуумирования установлены жиклеры с разными калибровочными отверстиями, выполненными в виде прорези, при этом отверстия сделаны сужающимися в сторону поступления в них газов.
9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оснащено ресивером с возможностью центробежного осаждения частиц.
10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено блоком управления с возможностью регулировки разрежения и регулируемой задержкой времени включения насоса.
11. Устройство по п.4, отличающееся тем, что вакуумная система содержит быстроразъемные переходники, шланги, фильтр и манометр.
