Литейная форма

Предлагаемая полезная модель относится к области литейного производства.
В уровне техники известно изобретение, патент № 2395363, опубликованный 27.07.2010, «Литейная форма и способ литья», правообладатель ОАО «НПК «Уралвагонзавод» (RU), в котором описана литейная форма, содержащая: литниковую систему с прибылью и отверстие для выхода газов, сгораемый деревянный элемент, установленный в прибыли, имеющий форму пирамиды, вершина которой вдавлена в боковую верхнюю часть прибыли наклонно к ее оси. Отличительными являются следующие признаки: сгораемый деревянный элемент имеет форму пирамиды с многогранником в основании (треугольником, прямоугольником, шестиугольником и т.д.). Вершина пирамиды вдавлена в боковую верхнюю часть прибыли наклонно к ее оси. Данный патент принят заявителем в качестве прототипа. У прототипа существуют следующие недостатки:
В прототипе в качестве стержня-вставки используется деревянный элемент. При взаимодействии с металлом в прибыли деревянный элемент превращается в уголь, в результате чего затрудняется проникновение атмосферного воздуха из формы в прибыль в месте установки деревянного стержня. Затруднённое проникновение атмосферного воздуха приводит к образованию области с разряженным давлением воздуха внутри прибыли, что затрудняет питание тепловых узлов отливки и приводит к неравномерной усадке металла в питаемых узлах и в прибыли.
В прототипе деревянный элемент, стержень-вставка, имеет форму пирамиды, и её вершина находится внутри формы, а большая часть деревянного элемента с основанием направлена к центру прибыли и имеет обширную площадь основания.
Процесс взаимодействия металла с деревянным стержнем-вставкой начинается у основания пирамиды. Так как площадь основания обширная, поэтому для поверхности с обширной площадью требуется большое количество тепла, получаемого от горячего металла, что не позволяет металлу дольше оставаться в жидком состоянии и равномерно заполнять тепловые узлы, что приводит к неравномерной усадке металла в питаемых узлах и прибыли.
В прототипе деревянный стержень-вставка может иметь любое количество граней, то есть он является пирамидой с многогранником в основании. Наличие граней в количестве больше, чем пять, и наличие, соответственно, более пяти углов на боковой поверхности стержня-вставки, взаимодействующей с металлом, обеспечивают при взаимодействии стержня-вставки с металлом более интенсивный отвод тепла (тепловой энергии) от жидкого металла, чем при наличии трех граней. В результате чего, при использовании стержней-вставок в виде пирамид в основании с n-угольником, где n>5, металл в прибыли будет находиться меньше времени в жидком состоянии, что снизит эффективность её работы и приведет к неравномерной усадке металла в тепловых узлах и прибыли.
Если граней будет шесть и более, то основание стержня-вставки будет стремиться к форме окружности, соответственно отвод тепла от жидкого металла будет более равномерным, чем при наличии у стержня-вставки четырех граней. Поэтому в зоне установки стержня-вставки будет происходить равномерная кристаллизация металла, после чего одномоментно прекратится проникновение атмосферного воздуха из формы в прибыль, в результате чего затруднится питание тепловых узлов, что приведет к неравномерной усадке металла в тепловых узлах и прибыли.
В прототипе вершина пирамиды вдавлена в боковую верхнюю часть прибыли наклонно к ее оси. Если стержень-вставка находится под наклоном к оси прибыли, то уменьшается площадь металла в горизонтальном сечении, проходящем через центр части стержня-вставки, взаимодействующего с металлом в прибыли, по сравнению с площадью металла в горизонтальном сечении, проходящем через центр части стержня-вставки, взаимодействующего с металлом в прибыли, при установке стержня-вставки в вертикальном положении. Это, в свою очередь, приведет к тому, что ухудшится питание тепловых узлов и, соответственно, снизится эффективность работы прибыли, что приведет к неравномерной усадке металла в тепловых узлах и прибыли.
Предлагаемой полезной моделью решается проблема улучшения качества литья, уменьшение трудоемкости. При использовании предлагаемой полезной модели в процессе изготовления отливок дефект «усадочная раковина» будет образовываться внутри отделяемой прибыли, но при этом не будет выходить на поверхность отливки. Соответственно дефект «усадочная раковина» не сможет являться концентратором напряжений на поверхности отливки и не потребует дополнительной механической обработки.
При этом достигается следующий технический результат: равномерная усадка металла в тепловых узлах и в прибыли за счёт увеличения времени образования корки металла, соприкасающегося с поверхностью стержня-вставки.
На фиг. 1 изображена прибыль в сборе со стержнем-вставкой (разрез), на фиг. 2 - то же, но после заливки металла с образовавшейся корочкой.
На фиг. 3 представлено изображение температурного поля прибыли со стержнем-вставкой, форма которого представляет собой четырехгранную пирамиду в определенный момент времени t от начала заливки, а именно t=100 с и сечение четырехгранного стержня-вставки с результирующими векторами теплопередачи при рассечении литейной формы с залитым металлом и установленным четырехгранным стержнем-вставкой. На фиг. 4 представлено изображение температурного поля прибыли со стержнем-вставкой, форма которого представляет собой шестигранную пирамиду в определенный момент времени t от начала заливки, а именно t=100 с и сечение шестигранного стержня-вставки с результирующими векторами теплопередачи при рассечении литейной формы с залитым металлом и установленным шестигранным стержнем-вставкой. На фиг. 5 представлено изображение температурного поля прибыли со стержнем-вставкой, форма которого представляет собой семигранную пирамиду в определенный момент времени t от начала заливки, а именно t=100 с и сечение семигранного стержня-вставки с результирующими векторами теплопередачи при рассечении литейной формы с залитым металлом и установленным семигранным стержнем-вставкой. На фиг. 6 изображена шкала температурных полей (в цвете), возникающих в горизонтальных сечениях, проходящих через центр тех частей стержней-вставок (различного сечения), которые взаимодействуют с металлом в прибыли.
На фиг. 7 изображена прибыль в сборе со стержнем-вставкой, располагающимся под углом наклона α к вертикальной оси прибыли,  поз. 7, (разрез) после заливки металла с образовавшейся корочкой.
На фиг. 8 изображена прибыль в сборе после заливки металла, с образовавшейся корочкой и с установленным стержнем-вставкой, который смещен относительно вертикальной оси прибыли.
Литейная форма состоит из формовочной смеси, поз. 1, с полостью, поз. 2, для жидкого металла, поз. 8, и отверстием для выхода газов, поз. 3, стержня-вставки, поз. 4, изготовленного из экзотермической смеси, имеющего форму усеченной четырехгранной пирамиды, с четырехгранным нижним основанием, поз. 5, установленным в литейную форму, а верхнее основание (меньшее основание), поз. 6, которого находится внутри прибыли, в полости, поз. 2. Устройство осуществляется следующим образом. Заливаемый металл, поз. 8, поступает, (указано стрелкой А) в полость, поз. 2, прибыли и заполняет ее. При этом жидкий металл, поз. 8, заливает стержень-вставку, поз. 4, находящийся в верхней части прибыли, со всех сторон, кроме части с нижним основанием, поз. 5, находящимся в формовочной смеси, поз. 1, газы выходят через отверстие, поз. 3. В полости, поз. 2, на поверхности жидкого металла, поз. 8, образуется корочка, поз. 9. Размеры стержня-вставки, поз. 4, (в том числе высота части, находящейся в прибыли) подбираются в соответствии с размером прибыли и тепловых узлов согласно заданной технологии.
Отличительными от прототипа являются следующие признаки: материалом стержня-вставки является экзотермическая смесь, стержень-вставка представляет собой усеченную четырехгранную пирамиду, нижнее основание стержня-вставки находится в формовочной смеси, а его верхнее основание (меньшее основание) - в полости прибыли, стержень-вставка установлен вертикально, вертикальная ось, поз. 13, которого располагается параллельно вертикальной оси прибыли.
Технический результат в заявляемой полезной модели достигается тем, что наличие 4-х граней и соответственно наличие 4-х углов на боковой поверхности стержня-вставки, взаимодействующей с металлом в прибыли, обеспечивают при сгорании стержня-вставки более интенсивный прогрев жидкого металла, в результате чего металл будет находиться дольше в жидком состоянии, по сравнению с металлом, контактирующим с боковой поверхностью n - гранного стержня-вставки, где n>5. Более интенсивный прогрев происходит, так как вектор теплового потока, поз. 10, направлен перпендикулярно поверхностям граней, поэтому в термических зонах, поз. 11, образованных в местах пересечения граней, результирующая векторов теплопередачи, поз. 12, усиливается за счет объединения тепловых полей вектор теплового потока. Если граней n>5, то есть, шесть и более, то верхнее основание и нижнее основание стержня-вставки будут стремиться к форме окружности, а результирующая векторов теплопередачи, поз. 12, определяемая как сумма векторов теплового потока, поз. 10, будет ослабляться. Тогда тепловой поток, проходящий через термические зоны стержня-вставки, образованные в местах пересечения граней на боковой поверхности, будет менее интенсивным и не обеспечит тот интенсивный прогрев жидкого металла при сгорании стержня-вставки, который обеспечивает тепловой поток, проходящий через термические зоны, образованные в местах пересечения граней на боковой поверхности четырехгранного стержня-вставки. Интенсивный прогрев приводит к тому, что происходит равномерная усадка металла в тепловых узлах, а усадочные раковины образуются в теле прибыли. На фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 показано, что в одинаковый момент времени t=100 в сечениях прибылей отливок с установленными экзотермическими стержнями-вставками различного сечения имеются зоны, в которых достигается более высокая температура по сравнению с другими зонами (на температурных полях они показаны жёлтым цветом).
Технический результат также достигается за счёт того, что стержень-вставка является усечённой пирамидой и сужается к центру прибыли. Верхнее основание усеченной пирамиды стержня-вставки (меньшее основание) должно быть направлено к центру прибыли, так как для поверхности меньшей площади требуется, соответственно, меньшее количество тепла для начала возникновения химической реакции в стержне-вставке, сопровождаемой выделением дополнительного количества тепла, позволяющего, тем самым, увеличить время образования корки между стержнем-вставкой и металлом и получить дополнительную энергию для того, чтобы металлу дольше оставаться в жидком состоянии и равномерно заполнять тепловые узлы с образованием усадочных раковин в теле прибыли.
Технический результат достигается за счёт того, что материалом стержня-вставки является экзотермическая смесь. При взаимодействии с металлом в прибыли материал стержня-вставки – экзотермическая смесь обеспечивает фильтрацию атмосферного воздуха из формы в прибыль в месте установки стержня. Материал стержня-вставки имеет определённую  пористость, величина которой зависит от состава смеси, благодаря этой пористости происходит фильтрация атмосферного воздуха. Наличие атмосферного воздуха приводит к отсутствию внутри прибыли области с разряженным давлением воздуха, что облегчает питание тепловых узлов отливки и приводит равномерной усадке металла в тепловых узлах с образованием усадочных раковин в теле прибыли. Указанный технический результат достигается за счёт того, что стержень-вставка располагается вертикально, вертикальная ось которого располагается параллельно вертикальной оси прибыли. Благодаря этому, площадь металла в горизонтальном сечении (см. фиг. 1), проходящем через центр части стержня-вставки, взаимодействующего с металлом в прибыли, является максимальной для обеспечения оптимального питания тепловых узлов и, соответственно, обеспечивается наилучшая эффективность работы прибыли, что приводит к равномерной усадке металла в тепловых узлах и прибыли. Если стержень-вставка находится под наклоном к оси прибыли, фиг. 7, то уменьшается площадь металла в горизонтальном сечении, проходящем через центр части стержня-вставки, взаимодействующего с металлом в прибыли.
В частном варианте стержень-вставка может быть смещен относительно оси прибыли, фиг. 8.
Литейная форма используется на предприятии Акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» имени Ф.Э. Дзержинского» для изготовления отливок «Рама боковая», «Балка надрессорная», «Корпус поглощающего аппарата» и др. Предлагаемая полезная модель успешно осуществлена в литейных цехах предприятия Акционерного общества «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» имени  Ф.Э. Дзержинского». Лабораторные испытания  показали высокое качество литья. Этот факт свидетельствует о выполнении условия патентоспособности изобретений - «промышленная применимость».
Источники информации:
1. Патент на изобретение № 2395363, опубликованный 27.07.2010, «Литейная форма и способ литья», правообладатель ОАО «НПК «Уралвагонзавод» (RU).