ВЕРТИКАЛЬНАЯ ЦЕНТРОБЕЖНО-ВАКУУМНАЯ ЛИТЕЙНАЯ УСТАНОВКА И ЛИТНИК ДЛЯ ЭТОЙ УСТАНОВКИ (ВАРИАНТЫ)

Настоящая полезная модель относится к литейному производству и касается конструктивного исполнения вертикальной центробежно-вакуумной литейной установки. Установка полностью основана на технологии литья по выплавляемым моделям, с некоторыми техническими дополнениями и предназначена для улучшения и возможного прогнозирования и расширения диапазона литья многослойных, композитных материалов. В частности рассматривается установка, обеспечивающая высокую производительность, экономичность, прогнозирование процесса литья и работу в программном управлении.
Все возрастающие требования к литью ускорили в последнее время развитие технологии прецизионного литья. Вначале основное внимание было уделено производству отливок из сплавов, которые невозможно или затруднительно получать путем обработки резанием. Затем этот метод распространился на отливки сложной конфигурации, которые обычно получают механической обработкой. Благодаря преимуществам вакуумирования применение вакуумной плавки стало обычным для технологии прецизионного литья. Сначала этот способ применялся в производстве драгоценных металлов. Для получения тончайших деталей применяют центробежное литье. Применение вакуума позволяет избежать окисления легирующих добавок, а, следовательно, получить отличную литую поверхность, что в свою очередь значительно облегчает процесс полировки ювелирных изделий.
В WO 2011110137, B22D 13/00, B22D 19/06, B22D 19/16, опубл. 15.11.2011, описан способ производства биметаллических и многослойных отливок под действием силы тяжести или центробежного литья, при котором по крайней мере два разных материала, постепенно вводятся в литейную форму. Перед литьем второго материала (металла) производится подача пламени в литейную форму, в которой полностью выжигается весь кислород, а на поверхности слоя из ранее поданного материала интенсивно снижается концентрация возможных оксидов.
В GB 362035, B22D 13/06, опубл. 03.12.2931, описана конструкция центробежной литьевой машины, в которой на вращающейся пластине, расположена опорная плита, на которой размещен ряд закрытых литейных форм, каждая из которых состоит из двух частей и которые расположены вокруг оси вращения. Сверху аппарат закрывается крышкой с воздушно-вентиляционными отверстиями и центральным отверстием, через которое в центральный литник и далее в литниковые каналы подается металл. Металл поступает через входное отверстие главного литника и заполняет центральную часть канала, в силу своей инертности, металл вращается относительно медленнее, чем стенки литьевых форм. Скорости вращения в месте расположения отверстий ведущих к литниковым каналам и центральной части литника различны. В отверстия литниковых каналов поступает металл из различных участков центрального литника, в результате чего происходит перемешивание частиц металла, и металл под давлением поступает в литниковые формы через радиальные литниковые каналы. При открытии каналов непосредственно в формы за счет центробежного эффекта, металл, находящийся под давлением, поступает в формы с большой скоростью и полностью заполняет их с обеспечением однородности плотности металла.
В SU 1770055, B22D 13/10, опубл. 23.10.1992, описано устройство для центробежного литья, содержащее корпус в котором установлена перфорированная опока, подшипниковую опору, привод вращения, корпус сообщен с системой вакуумирования, а опока выполнена с фланцем, который размещен между подшипниковыми опорами, смонтированными на корпусе. Принято в качестве прототипа для объекта - установка.
Данная установка сложна в исполнении и требует принятия специальных мер для позиционирования опоки и литника. Для позиционирования необходимо демонтировать верхнюю часть корпуса и закрепить отбортовку опоки на опорном диске. Это создает неудобства, так как для каждой новой партии заготовок необходимо проверять соосность положения опорки и литниковой системы относительно оси вращения опорного диска.
В RU 2058849, В22С 9/08, B22D 13/04, опубл. 27.04.1996, описано техническое решение, сущность которого заключается в применении глухих несообщающихся объемов, образуемых нижней расширенной частью стояка, расширенная часть стояка выполнена в виде изолированных друг от друга объемов, поверхности которых выполнены в виде лекальной кривой. Исключается необходимость закручивания металла, сливаемого в центральный стояк, снижая гидравлические потери в потоке расплава, а сопрягаемые с лопатками сужающиеся литниковые ходы обеспечивают заполненное течение в них металла.
В SU 1675038, Н01В 17/58, опубл. 23.01.2003, описано устройство для центробежного литья с вертикальной осью вращения, в котором литниковые каналы выполнены в форме логарифмической спирали, причем площадь сечения литникового канала уменьшается от оси вращения, а площадь сечения металлоприемника равна сумме входных сечений литниковых каналов. За счет данной конструкции удается уменьшить гидродинамические потери, исключить возможное возникновение вихрей.
В SU 481365, B22D 13/06, опубл. 25.08.1975, раскрыто устройство для центробежной заливки, главный литьевой канал которой выполнен в виде спирально-винтовой линии, причем направление канала совмещено с направлением вращения диска-ротора, а литниковые входы в полости формы расположены на стенке главного литникового канала, наиболее удаленной от оси вращения диска-ротора. Принято в качестве прототипа для объекта - литник.
Недостатком данного литника является то, что он ускоряет поток расплавленного металла, но не обеспечивает преобразования турбулентного потока металла в ламинарный.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности функционирования за счет гарантированного позиционирования опоки относительно оси вращения корпуса и обеспечении качества отливок за счет преобразования при заполнении форм турбулентного потока металла в ламинарный.
Указанный технический результат достигается тем, что вертикальная центробежно-вакуумная литейная установка, содержащая оснащенный приводом вращения установленный в подшипниковой опоре опорный диск, на котором закреплен корпус, в полости которого размещена цилиндрической формы опока с перфорированными отверстиями в боковой стенке, при этом полость корпуса сообщена с системой вакуумирования, а корпус оснащен крышкой с клапаном выпуска и с горловиной заливки расплава, корпус и крышка с внутренней стороны оснащены многослойным термоизоляционным покрытием, а литник расположен вдоль вертикальной оси опоки, снабжена системой охлаждения с направляющими воздуховодов ресивера и нагнетателем принудительного охлаждения, в полости корпуса непосредственно вдоль многослойного термоизоляционного покрытия по внутреннему периметру размещена обечайка с вертикально установленными направляющими для опоки, которые одновременно служат лопастями принудительного охлаждения, полость между обечайкой и опокой сообщена с системой охлаждения, а в полости опоки вдоль ее вертикальной оси установлен литник, выполненный спирально-винтовым и конусным, сужающимся в направлении or горловины заливки до выходного отверстия.
Указанный технический результат достигается тем, что литник вертикальной центробежно-вакуумной литейной установки, отличающийся тем, что он выполнен в виде одного спирально-винтового конусного капала, сужающегося в направлении от горловины заливки до выходного отверстии.
Указанный технический результат достигается тем, что в литник вертикальной центробежно-вакуумной литейной установки, отличающийся тем, что он выполнен в виде двух спирально-винтовых конусных каналов, сужающихся в направлении от горловины заливки до выходного отверстия, при этом направление спирали одного капала соответствует направлению спирали другого канала.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - поперечный разрез литейной центробежно-вакуумной установки с крышкой и опокой;
фиг.2 - вид сверху на литейную центробежно-вакуумную установку по фиг.1, при снятой крышке;
фиг.3 - поперечный разрез литейной центробежно-вакуумной установки с крышкой и без опоки;
фиг.4 - вид сверху на литейную центробежно-вакуумную установку по фиг.3, при снятой крышке и изъятой опоки;
фиг.5 - поперечный разрез литейной центробежно-вакуумной установки с крышкой, опокой и литником;
фиг.6 - первый вариант исполнения спирально-конического литника;
фиг.7 - второй вариант исполнения спирально-конического литника;
фиг.8 - третий вариант исполнения спирально-конического литника;
фиг.9 - четвертый вариант исполнения спирально-конического литника;
фиг.10 - пятый вариант исполнения спирально-конического литника. Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция экономичной и компактной центробежно-ваккумной литейной установки высокой производительности. Такая установка состоит из: диска-платформы, обечайки-ротора, опок, крышки, защитного кожуха и органов управления, вынесенных из рабочей зоны установки. В конструкцию установки так же входят: двигатель, вакуумнасос, компрессор, литьевая воронка, датчики скорости вращения, термодатчики, стопор диска, аварийная кнопка сброса питания, электромагнитные воздушные клапана, защитный кожух и программатор с монитором.
Установка применяется для художественное литья различных металлов и сплавов от алюминия до титановых сплавов, в стоматологии, машиностроении, авиации и т.д.
Существенным фактором надежной и стабильной работы литейной установки является возможность программного управления всем процессом литья с выводом на визуальный монитор процессинга: временным посекундным отображением каждой фазы литейного процесса, соотносительно технологическим требованиям литейного процесса конкретного металла. В этом случае исключает т.н. «человеческий фактор» - позволяет сделать процесс литья технологически прогнозируемым.
Вертикальная центробежно-вакуумная литейная установка (фиг.1-4) содержит оснащенный приводом вращения установленный в подшипниковой опоре опорный диск 1 (выполнен в виде массивного ведомого шкива ременной передачи, ременная передача с электродвигателем и системой управления двигателем не показана). Опорный диск в опорном основании смонтирован на втулке 2 на подшипниковых опорах 3 с возможностью вращения. Вал 4 опорного диска, укрепленный в указанных подшипниковых опорах 3, выполнен с соосным отверстием, образующим канал 5, сообщенный с одной стороны с системой вакуумирования для разряжения полости внутреннего объема корпуса установки (система вакуумирования не показана, возможно исполнение как в прототипе SU 1770055). С другой стороны этот канал сообщен с полостью для размещения формы 6 и литника 7.
Сам корпус 8, на внутренней поверхности стенок которого закреплено многослойное термоизоляционное покрытии 9, закреплен на опорном диске 1 и имеет возможность вращения со скоростью вращения опорного диска. Конструкция многослойного термоизоляционного покрытия 9 не рассматривается.
В полости корпуса на расстоянии от многослойного термоизоляционного покрытия 9 и соосно оси вращения опорного диска 1 установлена цилиндрической формы опока 10 с перфорированными отверстиями 11 в боковой стенке (опока выполнена в виде тонкостенного цилиндра из жаропрочного материала). А в полости, образованной многослойным термоизоляционным покрытием 9 и наружной стенкой цилиндрической формы опоки 10, непосредственно вдоль многослойного термоизоляционного покрытия 9 по внутреннему периметру размещена обечайка 12 с вертикально установленными направляющими 13 для опоки, которые одновременно служат лопастями принудительного охлаждения. Эта полость между обечайкой и опокой сообщена с системой охлаждения с направляющими воздуховодов ресивера и нагнетателем принудительного охлаждения (эта система охлаждения конструктивно не показана). Таким образом, при вращении корпуса и при подаче охлаждающего газового агента в полость обечайки, вертикально расположенные направляющие, на которые опирается опока (для ее позиционирования четко соосно оси вращения корпуса), захватывают порции охлаждающего агента и вовлекают этот агент во вращение (обеспечение процесса интенсификации охлаждения).
На донной части корпуса выполнены пазы 14 для четкого позиционирования опоки и исключения ее самостоятельного перемещения по окружности относительно обечайки и корпуса. Корпус сверху закрывается крышкой 15 (имеются ручные механические затворы 16) с клапаном выпуска 17 и с горловиной заливки 18 расплава. Крышка с внутренней стороны также оснащена многослойным термоизоляционным покрытием 9.
Литник 7 в данной установке располагается вертикальной оси опоки и соосно оси вращения корпуса и опорного диска (фиг.5). В данной вертикальной центробежно-вакуумной литейной установке используется литник, в котором главный литьевой канал выполнен в виде спирально-винтовой линии (фиг.6, 9 и 10). При этом этот главный литьевой канал может быть выполнен одноканальным и конусным, ссужающимся в направлении от горловины заливки до выходного отверстия (такой литник может использоваться для штучных или мелких партий изделий). В этом литнике лавный литьевой канал по длине может быть выполнен равным длине по крайней мере одной спирали. Для большого количества литьевых изделий может использоваться литник (фиг.7 и 8), в котором главный литьевой канал выполняется в виде двух каналов, а каждый канал выполняется конусным, ссужающимся в направлении от горловины заливки до выходного отверстия, при этом направление спирали одного канала противоположно направлению спирали другого канала (фиг.7 и 8). В таком сложном литнике каждый канал по длине выполняется равным длине по крайней мере одной спирали.
Устройство работает следующим образом.
В полость 6 опоки 10 производят формовку изделий в несколько ярусов. Корпус сверху закрывается крышкой 15 и фиксируется с помощью ручных механических затворов 16. В процессе работы устройства опорный диск 1 закрепленный на полом валу 4 с каналом 5 и установленный во втулке 2 на блоке радиально-упорных подшипниковых опорах приводится во вращение приводом шкива от электромотора (не показан на чертежах), с возможностью регулировки скорости. Расплав металла, подготовленный к литью, аккуратно, умеренной струей, избегая перелива, вводится в конус заливной горловины расплава 18 в центре крышки 15 вращающейся опоки 10 сквозь бескислородную зону. С самого начала процесса литья установка находится в фазе активного вакуумирования всего внутреннего объема обечайки 12 до окончания заливки металла и еще некоторое время, необходимого для полного вытеснения воздуха из изделий. Вакуумирование осуществляется через канал 5 проходящий через вал 4, сообщенный с одной стороны с системой вакуумирования для разряжения полости внутреннего объема корпуса установки. Проходя через контур литника 7 расплав разделяется по спирально-винтовым каналам конически сужающимся на выходе и разносящим расплав по радиусу, тем самым создавая избыточное давление, увеличивая скорость прохождения металла и одновременно преобразовывая турбулентный поток металла в ламинарный, затем поступая в питатели отливаемых изделий. С момента окончания заливки металла, увеличивается скорость вращения установки, и усиливается центробежное давление на метал в форме, увеличивается плотность изделия и графическая четкость рельефа его поверхности. Через определенное время запускается фаза усиленного охлаждения, тем самым ускоряется кристаллизация расплава, путем вдувания атмосферного воздуха через канал 5, а при необходимости охлажденного реагента, при неизменяемой скорости вращения. При включении режима продувания (охлаждения) клапан 17 работает на стравливание избытка подаваемого холодного воздуха и вентиляции внутреннего рабочего контура. Интенсификация охлаждения осуществляется при вращении корпуса и при подаче охлаждающего газового агента в полость обечайки 12, вертикально расположенные направляющие 13, на которые опирается опока 10, захватывают порции охлаждающего агента и вовлекают этот агент во вращение. После выключения электромотора и остановки установки, по прошествии необходимого времени, достаточно охлажденная опока 10 вынимается из остановленной литейной установки и должным образом, в водной ванне или паровоздушной струей очищается от формовочной массы.
Спирально-конический литник используется для преобразования турбулентного потока металла в ламинарный. Обеспечивает ускорение потока расплавленного металла (линейное ускорение ∗ скорость вращения, а также за счет сужения литникового канала). При этом повышается давление литья, увеличивается четкость поверхности отливки и плотность отливки. Повышение экономичности литья обеспечивается за счет сокращения веса литниковой системы. Такие литники позволяют изготовление полиметаллических отливок (строго рассчитанного веса каждого слоя металла).
Отличительными особенностями установки являются:
- платформа выполнена в виде массивного опорного диска 1, ведомого шкивом привода для снижения базового центра тяжести и стабилизации вертикальной остойчивости. Установка закреплена на рабочем столе 19, имеет встроенную систему охлаждения, направляющие воздуховодов ресивера и нагнетатель принудительного охлаждения.
- опоки цилиндрические, с зональной перфорацией.
- с целью исключения резкой потери температурного режима опок и термической стабилизации рабочей зоны, стенки обечаек и крышки опок имеют многослойный термоизоляционный профиль.
- крышки опок унифицированы по вертикальному сочленению с горловинами опок, имеют выпускные клапана, для ускоренного охлаждения (кристаллизации) внешнего слоя изделий.
- по внутреннему периметру ротора-обечайки, вертикально установлены направляющие для опок, которые одновременно служат лопастями принудительного охлаждения.
- использование оригинальной литниковой системы со спирально-коническим литником.
Новая установка универсальна для литья изделий в термическом диапазоне расплавов от 400°С до 1800°С, с использованием различного типа формомасс.
Процесс литья в такой установке включает:
- формовку в опоку изделий в несколько ярусов (фиг.5).
2
Для приготовления формовочной смеси используют формовочную массу, представляющую собой кристобалитогипсовую смесь. В настоящее время, например, в ювелирном производстве в основном применяются импортные формовочные массы К-90, «Суперкаст» и «Сатинкаст». Готовят формовочную смесь, добавляя в формовочную массу дистиллированную воду и тщательно перемешивая ее. Расчетное количество формовочной массы и дистиллированной воды составляет 0,32-0,42 л воды на 1 кг смеси. Затем заполненную опоку вакуумируют и уплотняют на вибровакуумной установке до остаточного давления 0,98-104… 1,96-104 Па (0,1-0,2 кгс/см), после чего формовочная смесь затвердевает.
- использование изменяемой геометрии профиля основного литейного стояка (литника) оригинальной конфигурации, который преобразует турбулентный поток металла в ламинарный (в соответствии с законами гидродинамики), ускоряет прохождение расплава, повышает давление при заполнении модельных форм, создает высокую плотность, уменьшает пористость и усиливает четкость рельефа.
- Применение гибких режимов литья с изменяемой скоростью вращения, «пульсирующей» работы ресивера и принудительного охлаждения, делает возможным прогнозировать скорость и глубину начальных и последующих, по необходимости, фаз кристаллизации, т.е. управлять качеством литья.
- Между первым и последующими слоями заливаемого металла возможно использовать «вдуванием» разделяющего/соединяющего мелкодисперсного материала, обеспечивающего необходимые физико-технические свойства соединения двух и более металлов (дисперсные модифицирующие лигатуры, раскисление…)
- Принудительное охлаждение обеспечивает, при необходимости, направленную кристаллизацию металла отливки, а также, изменение скорости потока охлаждения, в свою очередь улучшаются физико-механические свойства отливки.
- Оригинальность конструкционной конфигурации литниковой системы дает основание исключить массу центрального литника из фактического, общего, расплава металла.
- Плавится и льется строго просчитанное количество металла, особенно при многослойном литье.
- Делает возможным литье изделий, заготовок, болванок композитных (из нескольких составов металлов), под ковку, штамповку, прокатку.
В таблице 1 приведены сравнительные технические, временные и экономические составляющие двух различных литейных технологий. За исходные данные был выбран единый типоразмер лопатки газотурбиной установки 60×30×90 мм, весом 400 гр с керамическим стержнем (Draer). Изготовлялось 30 единиц изделия, с выпорами, прибылями и всей литниковой системой питания в целом. Температура расплава - 1700°С, опока, прокаленная под литье - 900°С.
Таблица 1
Традиционная (гравитационная)
Предлагаемые (центробеж.-вакуумное)
1
Формовка в одну окоронку (обойму) Все 30 ед. - этилсиликатная (корковая) - 48 ч -1 KW\час
формовка в 1 опоку (250×250 мм.) многоярусная. Формомасса класс PLATINUNUM - 30 мин - 0 KW
2
сушка, прогрев до 150°С, выпаривание - 4 час - 2 KW\час - (8 KW)
сушка выпариванием и сохранением воска до 95% - 2 ч - 1 KW\час - (2 KW)
3
Прокаливание ступенчатое, выдержка, стабилизационная - 16 ч - 4 KW\час -(64 KW)
Прокаливание, режим стабилизации - 12 ч - 2 KW\час (24 KW)
4
Литье, охлаждение - 4 ч - (4 KW)
Литье, охлаждение - 30 мин - (2 KW)
5
Масса металла под литье, Изделия - 12 кг. + литники - 24 кг
Масса металла: - изделия - 12 кг литники и проч. - 1,2 кг
Всего - 36 кг 124KW
Всего - 14 кг 28 KW
Всего времени - 72 часа
Всего времени - 15 часов
В совокупности получаем экономический эффект, заключающийся в экономии:
- Металл - 62% - 21 Кг.
- Эл. энергия - четырехтикратное - 96 KW
- Рабочее время - пяти кратное - 57 часов
- Модельный воск - 95%
Настоящая полезная модель промышленно применима, апробирована и показала высокую экономичность и производительность при изготовлении изделий получать тонкостенные отливки, в том числе тонкостенные и многослойные (со слоями разного металла или разных сплавов) с отклонением от заданного размера не более 0,5% и чистотой поверхности 5-6 кл.