УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПОЛЫХ ДЕТАЛЕЙ С ОТВОДАМИ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ТРОЙНИКОВ

Полезная модель относится к оборудованию литейного производства, и предназначена для центробежного электрошлакового литья крупногабаритных деталей трубопроводной арматуры, в частности тройников для соединения участков труб.
Уровень техники
Известна литейная форма для центробежного литья фланцев (см. книгу Янишевская А.Г., Жеребцов С.Н. Электрошлаковое литье: Монография. М.: Изд-во «Машиностроение-1», 2006 г, стр.80, рис.3.6) с вертикальной осью вращения, устанавливаемая на планшайбе центробежной машины и содержащая донышко, верхнее и нижнее кольца, формирующие тело фланца, крышку и прижимную плиту, соединенные между собой посредством шпилек, клиньев и других крепежных элементов. Достоинством формы является возможность получения заготовки с центральным отверстием, близкой по форме и размерам готовому изделию, т.е. практически не требующей дальнейшей механической обработки. Однако фланец является фасонной, но симметричной относительно оси вращения деталью, что не вызывает затруднений, связанных с уравновешиванием литейной формы.
Известно устройство для центробежного литья несбалансированных заготовок (см. авторское свидетельство на изобретение №517390, МПК: В22D 13/04, опубл. 15.06.76 г.), содержащее закрепленную на планшайбе центробежной машины металлическую форму, через которую проходит вертикальная ось вращения, и размещенные вне формы осенесимметричные грузы. Дебаланс, возникающий при заливке металла в форму из-за наличия в последней с одной стороны полости, компенсируется за счет перемещения (удаления) грузов от оси по мере вращения формы. Известное устройство позволяет отливать широкую номенклатуру подобных изделий, однако размещение грузов с внешней стороны формы усложняет устройство, и при этом не безопасно.
Известна форма для центробежного литья (см. патент на изобретение №419013, МПК: В22D 13/10, опубл. 05.03.74 г.), предназначенная для получения отливок в виде несимметричных тел, в которой устранение биения и уравновешивание массы отливки относительно оси вращения формы осуществляют за счет выполнения в футеровочном
слое формы полостей, соединенных с полостью формы литниковыми каналами. Однако при центробежном электрошлаковом литье футеровочный слой отсутствует.
В качестве ближайшего аналога для заявляемого устройства принято устройство для изготовления заготовок тройников методом ЦЭШЛ, (см. справочник В.А.Ефимов, Специальные способы литья./ М.: Машиностроение, 1991 г, стр.413, рис.23). Устройство включает закрепленную на планшайбе центробежной машины литейную форму с вертикальной осью вращения, содержащую сообщенные между собой основную формообразующую полость и полость, формирующую отвод. В верхней части формы расположено заливочное отверстие, выполненное соосно оси вращения формы. Проблему уравновешивания формы решают за счет ее вращения относительно продольной оси (оси симметрии) полости, формирующей отвод. В этом случае основная формообразующая полость расположена перпендикулярно оси вращения и симметрично относительно упомянутой оси, за счет чего соблюдается равновесие.
Недостатком устройства является невозможность получения в такой форме заготовки с проходным отверстием. Чтобы получить проходное отверстие, заготовка подлежит дополнительной обработке, при этом значительное количество металла идет в отходы. Решение проблемы экономного расходования металла особенно значимо в случае производства крупногабаритных заготовок, с диаметром проходного отверстия 200-500 мм и более.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является решение проблемы экономичного использования металла при изготовлении методом ЦЭШЛ заготовок полых деталей с отводами, преимущественно тройников, большого диаметра, за счет формирования основной проходной полости одновременно с литьем заготовки.
Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для изготовления заготовок полых деталей с отводами, преимущественно тройников, содержащем закрепленную на планшайбе центробежной машины форму с вертикальной осью вращения, содержащую сообщенные между собой основную формообразующую полость и полость, формирующую отвод, согласно заявляемой полезной модели, форма смонтирована так, что ее основная формообразующая полость ориентирована вертикально, причем вертикальная ось вращения проходит через нее, при этом на рабочей стенке основной формообразующей полости, на участке напротив полости, формирующей отвод, выполнено углубление, размеры и форма которого рассчитаны из условия размещения центра масс получаемой отливки на оси вращения.
Под «основной формообразующей полостью» принята полость формы, формирующая часть заготовки, содержащую проходное отверстие, т.е. часть, соответствующую трубной заготовке.
Вышеприведенная совокупность существенных признаков позволяет получить новый положительный технический результат, а именно: получить заготовку, близкую к размерам готового изделия, с практически сформированными проходными отверстиями, требующими лишь незначительной доработки, что позволяет значительно сократить расход металла и свести до минимума механическую обработку. Это способствует уменьшению трудоемкости и снижению себестоимости деталей.
Установка формы с вертикальной ориентацией основной полости вдоль оси вращения, проходящей через эту полость, позволяет сразу при литье сформировать проходное отверстие, что особенно важно в случае изготовления крупногабаритной детали с проходным отверстием большого диаметра. Однако наличие боковой полости, формирующей отвод, вызывает при заливке расплава дисбаланс формы, который устраняется в заявляемом устройстве за счет углубления на рабочей стенке основной формообразующей полости, на ее участке напротив полости, формирующей отвод, размеры и форму которого рассчитывают, исходя из условия размещения центра масс получаемой отливки на оси вращения. Масса расплава, заполняющего это углубление, уравновешивает массу расплава, формирующего отвод. Объем углубления равен объему расплава, формирующего отвод.
За счет наличия углубления на рабочей поверхности формы на отливке образуется прибыльная часть (или прибыль). Предпочтительным является выполнение прибыльной части вытянутой по наружной поверхности отливки. Вытягивая прибыльную часть добиваются ее распределения на более широкую площадь поверхности отливки, выполняя углубление соответствующей формы (т.е. в виде вогнутости поверхности рабочей стенки основной формообразующей полости), при этом соблюдают выполнение условия нахождения центра масс отливки на оси вращения. В силу того, что решение предназначено для получения крупногабаритных деталей, то разница между размерами (диаметром и высотой) основной части детали и размерами отвода велика, следовательно, и прибыль, соответствующая отводу, значительно меньше размеров самой детали. При вытягивании прибыли, ее распределении по наружной поверхности отливки, происходит только некоторое утолщение стенки детали при сохранении размера ее проходного отверстия. Это позволяет не производить последующего удаления прилива с заготовки, а подвергать
механической обработке лишь внутреннюю поверхность, образующую проходное отверстие детали, размеры которого строго регламентируются. Незначительное же наружное утолщение стенок будет обеспечивать дополнительный запас прочности детали.
В соответствие с вышесказанным, упомянутое углубление (вогнутость) основной полости выполняют на малую глубину, но на максимально возможную площадь цилиндрической поверхности, при соблюдении условия расположения центра масс отливки на оси вращения (см. пример ниже).
С целью облегчения извлечения отливки целесообразным является исполнение формы в виде состоящей из двух полуформ с горизонтальной плоскостью разъема.
Целесообразным является также использование вставки для формирования отверстия отвода, размещаемой между полуформами.
Краткое описание чертежей Заявляемое устройство для изготовления заготовок полых деталей с отводами поясняется чертежами, где
На фиг.1 - схематично показан общий вид устройства;
На фиг.2 - показана литейная форма в разрезе (начало процесса заливки);
На фиг.3 - тройник вид сбоку в разрезе;
На фиг.4 - тройник вид сверху;
На фиг.5 - получаемая отливка вид сбоку в разрезе;
На фиг.6 - получаемая отливка вид сверху;
На фиг.7 - литейная форма в разрезе (процесс кристаллизации отливки);
На фиг.8 - показана объемная модель получаемой заготовки - два исполнения прибыльной части (а) и (б).
Осуществление полезной модели Для осуществления заявляемого решения может быть использовано серийно выпускаемое оборудование для электрошлакового переплава и центробежного литья и специально изготовленная форма. На фиг.1 представлена схема установки для центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ). Установка включает колонну 1 с электрододержателем 2, для подачи расходуемого (переплавляемого) электрода 3 в плавильную емкость (тигель) 4 и центробежную машину (ЦМ) 5. На валу 6 ЦМ 5 смонтирована планшайба 7, на которой установлена и закреплена литейная форма 8 с вертикальной осью вращения 9, установленная и выполненная согласно заявляемой полезной модели.
Форма 8 (см. фиг.2) предназначена для изготовления заготовки тройника и содержит верхнюю и нижнюю полуформы 10 и 11, образующие после сборки две сообщающиеся между собой формообразующие полости - основную формообразующую полость 12 и полость 13, формирующую отвод. Между полуформами 10 и 11 размещена вставка 14 для формирования отверстия отвода.
Ось вращения 9 проходит через полость 12. В крышке 15 и прижимной плите 16 выполнено заливочное отверстие 17, соосное оси вращения 9. На рабочей стенке 18 основной полости 12 напротив полости 13 выполнено углубление 19.
Расчет и проектирование формы осуществляют на основании исходных параметров магистрали, в которой будет установлена готовая деталь (тройник), используя известные методики, формулы, коэффициенты и т.д.
Устройство работает следующим образом.
Путем переплава под слоем шлака расходуемого электрода 3 в плавильной емкости 4 накапливают порцию жидкого металла. Жидкий металл вместе со шлаком через отверстие 17 заливают во вращающуюся предварительно нагретую литейную форму 8 (см. фиг.2). Попадая в форму, некоторая часть жидкого шлака при соприкосновении с относительно холодной формой кристаллизуется на ее внутренней поверхности, образуя шлаковый гарнисаж 23, предохраняющий отливку 21 от приваривания к форме. Остальная часть шлака 24 вытесняется металлом к оси вращения 9, т.е. на внутреннюю поверхность отливки (см. фиг.7).
Формообразование и кристаллизация отливки происходит под действием центробежных сил, в десятки раз превышающих силу тяжести. Имеющее место мощное гравитационное поле уплотняет металл, способствуя образованию заготовок без пор и рытвин. Вовлекаемый во вращение жидкий металл отжимается центробежными силами на периферию, при этом вдоль вертикальной оси вращения 9 в отливке 21 образуется полость 25 без использования каких-либо приспособлений - стержней, дорнов и других.
По окончании процесса кристаллизации отливку 21 удаляют из литейной формы 8, очищают от шлакового гарнисажа и подвергают дальнейшей обработке.
Достоинством полученной заготовки является близость ее параметров к размерам готовой детали, в том числе наличие проходного отверстия и частично сформированного вставкой 14 отверстия отвода, что позволяет ее использовать практически без дальнейшей механической обработки.
Форма углубления, а значит и вид сформированной прибыльной части может быть различным при соблюдении условия нахождения центра масс получаемой
отливки на оси вращения. На фиг.8 показаны примеры выполнения прибыльной части (прибыли) на поверхности отливки. На фиг.8а прибыль выполнена в виде выступа, а на фиг.8(б) прибыльная часть 22, равномерно распределена по наружной поверхности и образует утолщение, не влияющее на важные параметры детали, (для соединительных деталей трубопроводов это - внутренние диаметры отверстий и посадочные (стыковочные) поверхности). Вследствие чего, такую прибыль не нужно удалять с поверхности заготовки, напротив, она обеспечивает повышенную прочность детали.
Посредством заявляемого устройства было осуществлено изготовление равнопроходных и переходных (т.е. с разными диаметрами магистрали и отвода) тройников с диаметрами Dм: 219, 325, 377, 426 и 530 мм. Возможно изготовление переходных соединительных деталей трубопроводов с двумя и более отводами, несимметрично расположенными друг относительно друга.