ЛИТЕЙНЫЙ МАГНИТНЫЙ СТЕРЖЕНЬ
CASTING MAGNETIC ROD

Изобретение относится преимущественно к литейному производству, в частности к конструкциям литейных стержней из намагничивающихся сыпучих формовочных материалов, упрочняемых воздействием магнитного поля.
3
Известен литейный магнитный стержень, содержащий источник магнитного поля в виде намагниченного магнитотвердого сердечника со знаковыми частями, упрочненный слой намагничивающегося формовочного материала вокруг сердечника и съемный ферромагнитный кожух-экран с продольными разрезами вокруг слоя (авторское свидетельство SU 900962, М.кл. B22D 15/00, 1982 г.).
Основными недостатками описанного стержня являются повышенная трудоемкость удаления стержня из отливки из-за наличия кожуха и магнитотвердого сердечника; ограниченные технологические возможности и область применения, так как стержень может быть использован в основном для формирования цилиндрических полостей отливок; пониженные газопроницаемость и податливость из-за наличия кожуха, что увеличивает брак по газовым раковинам и трещинам.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является литейный магнитный стержень, содержащий упрочненный слой намагничивающегося формовочного материала, электрическую катушку внутри этого слоя, магнитомягкий сердечник внутри катушки, магнитомягкие полюсные наконечники, расположенные внутри слоя формовочного материала у торцов катушки, и по меньшей мере одну знаковую часть (знак), являющуюся продолжением сердечника. Катушка и сердечник образуют электромагнитную систему, а в совокупности с наконечниками - намагничивающее устройство (НУ). Образующие поверхности крайних полюсных наконечников выполнены со скосами (конусными), обращенными к катушке в сторону упрочненного слоя намагничивающегося формовочного материала, и покрыты слоем формовочного материала, их диаметр меньше внешнего диаметра слоя, а сами наконечники размещены в полости отливки у ее торцов. Наличие такого слоя позволяет извлечь НУ из полости отливки (а.с. СССР №1766585, B22D 15/00, 1990 г.).
Основными недостатками литейного магнитного стержня, выбранного в качестве прототипа, являются: повышенные трудоемкость и затраты на изготовление стержня, особенно некруглого (например, многогранного с различными гранями) поперечного сечения, вследствие появления специфических разрушений в виде флоккул намагниченных частиц на поверхности слоя возле конической поверхности (скоса) крайнего наконечника при несоблюдении необходимых угла его наклона, толщин наконечника и слоя, которые подбираются опытным путем из-за отсутствия научно-обоснованных метода расчета и рекомендаций; повышенные трудоемкость, габариты и расход материала из-за наличия специально выполненных знаков; повышенные стоимость и трудоемкость изготовления отливки, получаемой с использованием описанного стержня; повышенная трудоемкость извлечения НУ из отливки, обусловленная возможным заклиниванием наконечника в полости отливки при малой толщине слоя вокруг него из-за обжима при усадке отливки; ограниченная область применения, так как он позволяет изготовлять только один вид отливок из-за неуниверсальности электромагнитной системы и отсутствия возможности быстрой замены полюсных наконечников; пониженная податливость слоя формовочного материала вокруг крайнего полюсного наконечника из-за его меньшей толщины и большей прочности по сравнению с другими его участками, что затрудняет усадку отливки и может увеличить брак по трещинам.
Задачей, решаемой изобретением, является расширение области применения, снижение стоимости и трудоемкости изготовления литейного магнитного стержня и отливки, получаемой с использованием этого стержня, повышение податливости.
Для решения этой задачи в литейном магнитном стержне, содержащем упрочненный слой намагничивающегося формовочного материала, электрическую катушку, сердечник, полюсные наконечники и знаковую часть, согласно изобретению полюсные наконечники установлены в знаковую часть и выполнены быстрозаменяемыми с таким же по конфигурации сечением, что и упрочненный слой намагничивающегося формовочного материала на границе их соприкосновения.
Минимальная толщина h полюсного наконечника выбрана в соответствии с соотношением:
где d - диаметр круглого сердечника.
По меньшей мере один из полюсных наконечников имеет поперечные размеры меньше, чем соответствующие размеры отливки.
Кроме того, литейный магнитный стержень дополнительно снабжен быстросъемным элементом крепления полюсного наконечника к сердечнику.
При изготовлении отливок с многогранными внутренними полостями на углах полюсной поверхности многогранных полюсных наконечников, соприкасающейся с формовочным материалом, выполнены дополнительно концентраторы магнитной индукции с уменьшающимся в направлении от этой поверхности поперечным сечением.
Концентраторы магнитной индукции могут быть выполнены пирамидальными.
Концентраторы магнитной индукции могут быть выполнены в виде заостренных уголков.
В полюсных наконечниках со стороны торцов могут быть выполнены глухие отверстия для переноса электрической катушки в сборе с сердечником и полюсными наконечниками и стержня.
На фиг.1 изображен литейный магнитный стержень прямоугольного сечения в литейной форме с горизонтальным разъемом, продольный разрез; на фиг.2 - стержень прямоугольного сечения с концентраторами магнитной индукции разных размеров; на фиг.3 - полюсный наконечник с разными концентраторами магнитной индукции: пирамидальными на штифтах (вверху) и в виде уголка на винте (внизу), вид спереди; на фиг.4 - полюсный наконечник с разными концентраторами магнитной индукции: пирамидальными на штифтах (вверху) и в виде уголка на винте (внизу), в разрезе.
Литейный магнитный стержень содержит упрочненный слой 1 намагничивающегося формовочного материала круглого и любого некруглого поперечного сечения, в частности овального, прямоугольного, трех-, пяти-, шести, семигранного, электрическую катушку 2 и сердечник 3, образующие электромагнитную систему, полюсные наконечники 4 и 5 с таким же по конфигурации поперечным сечением, как у слоя 1, на границе их контакта. При этом полюсные наконечники 4 и 5 выполнены быстрозаменяемыми, а по меньшей мере один из них, например наконечник 5, может иметь поперечные размеры меньше, чем соответствующие размеры отливки, для извлечения НУ, образованного совокупностью электромагнитной системы и полюсными наконечники 4 и 5, из полости отливки. Быстрая замена наконечников позволяет изготовлять с помощью одной и той же электромагнитной системы и другие стержни меньших поперечных размеров, т.е. делает систему универсальной для некоторой группы стержней.
Для повышения надежности извлечения один из полюсных наконечников 4 и 5, например наконечник 5, может быть прикреплен к торцу сердечника 3 быстросъемным элементом 6. Названный элемент 6 крепления полюсного наконечника к сердечнику может быть выполнен в виде разрезного штифта или винта с короткой резьбой и большим шагом, что позволяет произвести и его быструю замену. Такое крепление обеспечивает плотное прилегание полюсных наконечников 4 и 5 к сердечнику 3 во время изготовления стержня. Для фиксации необходимого положения некруглых полюсных наконечников возможно применение штифтов (на чертеже не показаны).
Для закрепления полюсных наконечников 4 и 5 или только одного из них может быть использован быстросъемный элемент 6, снабженный кольцом или крючком, стационарным или шарнирным, для переноса в горизонтальном и вертикальном положении НУ и стержня с помощью захватного приспособления при размещении НУ в формообразующей оснастке, извлечении стержня из нее и установке в форму или извлечении НУ из отливки. Вместо кольца или крючка или совместно с кольцом или крючком стержень может быть снабжен глухими отверстиями 7 для переноса электрической катушки в сборе с сердечником и полюсными наконечниками, по крайней мере одним, и стержня, выполненными с внешней стороны наконечников 4 и 5, а именно со стороны их торцов.
Для подвода электричества через наконечник 4 катушка соединена, например, с изолированным проводником со штепсельным разъемом (на чертеже не показаны).
Полюсные наконечники одновременно выполняют функцию знаковой части (знака) полностью или в совокупности с некоторым участком слоя 1. Вынесение наконечников за пределы отливки для размещения в знаковой части позволяет создать более равномерный по толщине и податливости слой 1, исключить заклинивание НУ в полости отливки и в совокупности с уменьшенными поперечными размерами наконечника 5 и (или) возможностью быстрого его съема беспрепятственно извлечь НУ из полости отливки.
Выполнение образующей поверхности полюсных наконечников 4 и 5 без скосов в сторону слоя 1 позволяет использовать эту поверхность наконечников в качестве надежной опоры в знаковой части горизонтального стержня и формы. При вертикальном расположении стержня в форме на боковых поверхностях наконечника могут быть выполнены обычные формовочные уклоны, а внешняя поверхность служит опорой.
Минимальная толщина h полюсного наконечника определяется в соответствии с соотношением (1), что позволяет избавиться от его последующей доработки.
При изготовлении отливок с многогранными внутренними полостями, то есть при соответствующем использовании многогранных (многоугольных в поперечном сечении) полюсных наконечников 4 и 5, на углах полюсной поверхности полюсных наконечников 4 и 5, соприкасающейся со слоем 1, размещены концентраторы 8 магнитной индукции с уменьшающимся в направлении от этой поверхности поперечным сечением, предотвращающие появление разрушений слоя 1 в виде флоккул в местах, прилегающих к углам наконечника.
Концентраторы 8 магнитной индукции выполнены пирамидальными или в виде заостренных уголков. Вершины концентраторов 8 обращены к отливке, а их длина определяется экспериментально в пределах 10-30 мм для мелких и средних стержней. Концентраторы 8 наиболее целесообразно размещать в знаковой части стержня, но возможно расположение и в полости отливки, полное или частичное. Заостренные уголки имеют меньший расход материала, чем пирамиды, однако их труднее разместить на штифтах. Концентраторы 8 могут быть выполнены как одно целое с наконечником, отдельно с последующим креплением к наконечнику или плотно размещены на штифтах без крепления.
Стержень предназначен для установки в литейную форму 9 с рабочей полостью 10. Он может устанавливаться вертикально или горизонтально с размещением полюсного наконечника, например наконечника 5, в ответном гнезде знаковой части формы, в том числе совместно с частью слоя 1. При вертикальной установке стержня в литейную форму 9, прочность которой больше давления на нее массы стержня, опорной поверхностью стержня является внешняя круглая плоская поверхность полюсного наконечника, например наконечника 5, а при горизонтальной - образующая поверхность наконечника 5. В этом случае концентраторы 8, если применяются, то соприкасаются с отливкой. Для формы 9 с меньшей прочностью в ответных гнездах знаковых частей формы размещаются наконечники 4 и 5 совместно с частью слоя 1, что обеспечивает дополнительно опору стержня на форму и часть слоя 1.
Стержень работает следующим образом.
После формирования наружной рабочей поверхности слоя 1 с помощью формообразующей оснастки и подачи на катушку 2 безопасного электрического постоянного напряжения до 110 В появляющееся поле с необходимой индукцией практически мгновенно намагничивает сердечник 3, полюсные наконечники 4 и 5, слой 1 намагничивающегося формовочного материала, частицы которого, сцепляясь между собой, образуют прочную систему. При этом полюсный наконечник 5 надежно примагничивается к сердечнику 3 и слою 1, что позволяет при необходимости удалить его механическое крепление, представляющее собой быстросъемный элемент 6 крепления полюсного наконечника к сердечнику, уже в оснастке или после извлечения из нее. Возможно его удаление и после изготовления отливки.
Магнитный поток, создаваемый катушкой 1, усиливается сердечником 3, полюсными наконечниками 4 и 5 и материалом слоя 1 тем в большей степени, чем выше их магнитная проницаемость. На своем пути поток должен совершать повороты на 90° при переходах сердечник - наконечник и наконечник - слой (или наконечник - воздух межполюсного пространства при отсутствии слоя). В случае круглых сердечника, катушки и наконечника поток в любом поперечном сечении межполюсного пространства равномерен, а вектор индукции имеет одинаковое направление в любой точке воображаемой окружности на полюсной поверхности наконечника. Это создает условия получения наружной рабочей поверхности круглого и овального слоя 1 без флоккул после удаления стержня из оснастки.
Однако, чем больше поперечное сечение слоя 1 и наконечника отличается от круглого, становясь многогранным, тем выше вероятность появления флоккул в углах на стыке граней возле наконечника из-за разного направления и значения индукции в углах и на плоской поверхности граней слоя 1. В углах вектор индукции не поворачивается на необходимые 90°. Поэтому в таких углах наконечника на его поверхности, обращенной к слою 1, установлены концентраторы 8 магнитной индукции из материала с высокой магнитной проницаемостью.
При необходимости на рабочую поверхность стержня наносится известным образом быстросохнущее противопригарное покрытие, и он устанавливается в литейную форму 9, в рабочую полость 10 которой заливается расплав.
После объемного или поверхностного затвердевания отливки отключается питание катушки 2. Поле, намагничивание всех элементов стержня и притяжение быстросъемного наконечника 5 исчезают, слой 1 материала разупрочняется и вновь становится сыпучим и более податливым, чем упрочненный. Возможно постепенное уменьшение напряжения, индукции и прочности для необходимого управления податливостью и усадкой отливки. Поэтому брак по горячим трещинам уменьшается, если концентраторы 8 находятся вне полости отливки в знаковой части стержня.
После удаления отливки из формы формовочный материал высыпается из полости отливки, а НУ извлекается из нее захватом за кольцо или крючок быстросъемного элемента 6 крепления полюсного наконечника к сердечнику соответствующим приспособлением даже вместе с полюсным наконечником 5, так как он проходит через всю полость отливки. В случае непредвиденного заклинивания полюсный наконечник 5 может быть отделен от сердечника 3.
По сравнению с прототипом предложенное решение имеет следующие основные преимущества:
- устраняет появление специфических разрушений в виде флоккул намагниченных частиц на поверхности слоя возле крайнего наконечника, позволяет определить минимальную толщину h полюсного наконечника и избавиться от необходимости его последующей доработки. Это уменьшает трудоемкость и затраты на изготовление стержня, особенно некруглого поперечного сечения;
- уменьшает трудоемкость изготовления, габариты и расход материала устранением специально выполненных знаков;
- снижает трудоемкость удаления формовочного материала и НУ из полости отливки;
- расширяет область применения стержня и электромагнитной системы, повышая их универсальность, и позволяет с помощью одной универсальной электромагнитной системы изготовлять группу литейных стержней и отливок разных конфигурации и размеров поперечного сечения и длины (в определенном диапазоне) в соответствующей каждому виду стержня оснастке, что обеспечивает также снижение затрат времени и средств на подготовку производства и изготовление этой группы стержней разных видов;
- повышает равномерность податливости рабочего слоя стержня путем размещения полюсных наконечников в знаковой части стержня за пределами слоя формовочного материала и отливки.