КОКИЛЬ ДЛЯ ЛИТЬЯ ЛОПАСТЕЙ КОРАБЕЛЬНЫХ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
BLOCK MOLD FOR SHIP PROPELLERS BLADES CASTING FROM TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к литейному производству кокильных отливок, преимущественно к конструкции кокиля для литья массивных отливок из титановых сплавов для крупногабаритных лопастей корабельных гребных винтов.
Известны следующие устройства кокилей, близкие по принципам конструкции предлагаемому сборному кокилю, такие как кокиль для заливки по новой технологии (журнал "Литейное производство", 2003 г., №12, статья "Конструкция и технология литья алюминиевых лопастных колес гидротрансформаторов", автор Джафаров Н.М. МГТУ им. Баумана, стр. 23).
Литейная форма для получения модифицированных отливок по а.с. №1438918 (БИ 1988 г. №43), кокиль для изготовления чугунных отливок с выступами по а.с. №1409407 (БИ 1988 г., №26).
Сборный кокиль, содержащий элементы, формирующие литейную полость, по а.с.№1212693 (БИ за 1986, №7).
Кокиль по патенту Японии № JP 01-237068, опубл. 21.09.1989 г.
Кокиль по патенту РФ №2260496 С2, опубл. 20.09.2005 г.
Наиболее близким по назначению и конструкции к предлагаемому кокилю является выбранная в качестве прототипа металлическая форма (кокиль) для отливки лопасти рабочего колеса гидротурбин (книга "Литье в металлические формы", выпуск 7, A.M. Липницкий, Ленинград; "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1980 г., стр. 59-60).
Известная металлическая форма состоит из подвижной и неподвижной створок (полуформ). Подвижная створка снабжена двумя гидравлическими цилиндрами.
На рабочей поверхности стенки металлической формы, оформляющей отливку в виде лопасти, выполнены небольшие круглые металлические площадки, расположенные в шахматном порядке. Пространство между площадками в процессе подготовки формы к заливке заполнено огнеупорной смесью так, что поверхности металлических площадок и футеровочного состава расположены в одной плоскости. Сифонная литниковая система для подвода расплавленного металла к отливке оформлена в шамотных трубах. Прибыли расположены в тщательно футерованной огнеупорной смесью верхней части формы. Прототип имеет следующие недостатки. При использовании в прототипе металлической формы кокиля для литья крупногабаритных лопастей из титановых сплавов вследствие его больших габаритных размеров, особенно по длине (размеры лопасти 4500×2300 мм), повышается интенсивность нагрева плоской стенки. Стенка кокиля в виде полуформ целиковая, имеющая большую длину, что увеличивает термические напряжения в ней, приводит к ее деформации и не позволяет полностью разгрузить элемент стенки кокиля путем поперечного и продольного расчленения. Это приводит к увеличению коробления кокиля вследствие увеличения деформации и возрастанию опасности образования горячих трещин.
У прототипа пониженная стойкость, т.е. способность сохранять рабочие свойства, определяемая числом заливок, которое выдерживает кокиль до выхода из строя, так как увеличивается обрамление кокиля (часть стенки по контуру рабочей полости, т.е. часть формы, соприкасающейся с отливкой), что приводит к увеличению напряжения в стенке. Составная стенка у прототипа, состоящая из маленьких круглых металлических площадок и большого количества огнеупорной смеси между ними, образующих общую плоскость, сложна при изготовлении и при заливке титановых сплавов вследствие высокой температуры заливки и высокой активности титанового расплава происходит загрязнение поверхности титановой отливки, непосредственно контактирующей с футеровкой стенки, из-за проникновения материалов огнеупорной смеси в расплав. Это приводит к образованию альфированного слоя в титановых отливках и значительному снижению их качества. Конструкция прототипа нерациональная сложная и не может быть применена для плавки и заливки в кокиль отливок из титановых сплавов для лопастей корабельных винтов, так как их проводят в вакуумной печи, где при вакууме работа подвижной полуформы кокиля (створки) с помощью гидравлических цилиндров требует специального вакуумного уплотнения из-за необходимости их размещения внутри вакуумной системы плавильной печи и может привести к браку титановых отливок вследствие возможных протечек гидравлической жидкости и возможному попаданию ее паров и выделений в жидкий расплав титанового сплава.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стойкости кокиля, уменьшения его коробления, повышение качества отливок, простая и рациональная конструкция.
Указанный технический результат достигается, тем, что в заявляемом кокиле, состоящем из кокиля ступицы с частью лопасти и кокиля концевой части лопасти, стояка, стержней прибыли и стояка, литниковой системы, узлов центровочных, крепления и кантования расчленение на полуформы (полукокили) исполнено по вертикальному криволинейному разъему, который выполнен по винтовой линии кромок лопасти, геометрия которой определяется изменяющимся шагом лопасти, а вдоль этой винтовой линии с наружной стороны входящей и выходящей кромок лопасти по всему периметру стенки кокиля расположены равномерно в литых пазах узлы крепления и проходящий по линии изменения шага лопасти поясок смыкания в виде буртика шириной, меньшей толщины стенки кокиля и равной от 2,0 до 2,5 радиусов кромки отливки лопасти, высотой, составляющей от 0,3 до 0,4 от ширины пояска, и длиной, равной длине винтовой линии криволинейного вертикального разъема. За пояском смыкания продолжение части кокиля формирует углубление длиной, равной длине пояска смыкания, глубиной от 0,4 до 0,5 от ширины пояска, шириной от 0,5 до 0,6 от ширины пояска, которое после сборки половин кокиля заполняется формовочной смесью (керамической массой), что гарантирует не только надежную герметизацию и защиту от прорыва жидкого металла, но и позволяет компенсировать терморасширение кокиля и снизить его коробление в процессе заливки. Выполнение вертикального разъема криволинейным по винтовой линии кромок лопасти, геометрия которой определяется изменяющимся шагом лопасти, а вдоль этой винтовой линии с наружной стороны входящей и выходящей кромок лопасти по всему периметру стенки кокиля расположены равномерно в литых пазах узлы крепления, и проходящий по линии изменения шага лопасти поясок смыкания в виде буртика обеспечивает не только отливку лопасти максимально по точности, приближенной к чертежу лопасти, хорошую чистоту поверхности отливок и минимальные припуски на обработку, но и обуславливает наиболее полную разгрузку элемента стенки кокиля. Расчленение выполнено также по горизонтальному обрабатываемому разъему, который разделяет предлагаемый кокиль на примерно две равные части так, что рабочая полость кокиля занимает такое положение, при котором горизонтальная плоскость этого разъема, проходящая через ось лопасти, делит шаговый угол между первым и последним радиальным сечением лопасти пополам. Это необходимо для обеспечения удобной и рациональной сборки, чтобы одна часть кокиля при сборке не смещалась относительно другой от собственной массы и чтобы центровочные отверстия, по которым собирается кокиль, были на одной горизонтальной линии для обеспечения правильной установки установочных болтов (штырей) с целью точной фиксации половин кокиля при его сборке (фиг. 1). Вертикальный криволинейный и горизонтальный разъемы за счет комбинированного расчленения и строго определенного геометрического расположения снижают термические напряжения в кокиле, уменьшают склонность к короблению, повышают стойкость кокиля и обеспечивают высокое качество отливок.
к
к0
Оптимальная толщина стенки кокиля определяется из уравнения теплового баланса, учитывающего теплообмен между отливкой и формой при равенстве температуры контакта, t и средней калориметрической температурой системы t:
зал
где t - температура заливки формы, °C;
1
ρ - скрытая теплота затвердевания металла отливки, ккал;
1
C - теплоемкость металла отливки, ккал/кг×°C;
2нач
t - температура кокиля, °C;
m - критерий массы системы.
2
2
где G - масса кокиля, - С теплоемкость металла кокиля;
1
1
G - масса отливки, кг; C - теплоемкость металла отливки.
где - критерий теплоаккумулирующей способности кокиля b2 и отливки b1.
С - удельная теплоемкость в ккал/кг×°C;
λ - коэффициент теплопроводности в ккал/м×час×°C;
3
γ - удельный вес в кг/м;
ρ - удельная теплота кристаллизации в ккал/кг.
Поясок смыкания, проходящий по линии изменения шага лопасти, обеспечивает надежную герметизацию закрытия формы и ее ремонтоспособность. В случае коробления кокиля, при его эксплуатации и необходимости ремонта сваркой легче ремонтировать узкий поясок в виде буртика, чем толстую стенку кокиля по всей толщине. Кроме того, поясок смыкания является резервом при корректировке размеров рабочей полости кокиля в случае изменения геометрических параметров лопасти в процессе длительной эксплуатации кокиля при изготовлении большого количества отливок, тем самым обеспечивая их требуемую точность и высокое качество. Высота пояска смыкания, составляющая от 0,3 до 0,4 от ширины пояска, оптимальна с точки зрения удержания формовочной магнезитовой смеси.
Уменьшение ширины пояска смыкания менее 2,0 радиусов кромки отливки лопасти приводит к ухудшению устойчивости кокиля при сборке и затруднению подгонки сопрягаемых частей кокиля по пояску смыкания, а значит к ухудшению герметизации закрытия формы и повышению вероятности прорыва жидкого металла через разъем.
Увеличение ширины пояска смыкания более 2,5 радиусов кромки отливки лопасти приводит к утяжелению конструкции кокиля и усложнению при ремонте сваркой. Толщина стенки рабочей полости кокиля должна составлять в местах оформления лопасти от 0,6 до 0,8, в местах оформления ступицы от 0,4 до 0,5 от толщины стенки отливки, а в местах, оформляющих литниковую систему, толщина стенки кокиля должна составлять от 0,7 до 0,9 от толщины питателя. Указанные диапазоны толщины стенки кокиля оптимальны, так как обеспечивают заданный режим охлаждения отливки, достаточную жесткость кокиля, минимальное его коробление при нагреве теплом залитого титанового расплава, стойкость против растрескивания. Стенка рабочей полости кокиля и питатель показаны соответственно на фиг. 3 и 1.
При затвердевании отливок из титановых сплавов уменьшение толщины стенки кокиля в местах оформления лопасти и ступицы соответственно менее 0,6 и 0,4 от толщины стенки отливки, в местах, оформляющих литниковую систему, менее 0,7 от толщины питателя приводит к значительному повышению температуры внешней поверхности кокиля, перегреву стенки и увеличению термических напряжений.
Увеличение толщины стенки кокиля в местах оформления лопасти, ступицы и литниковой системы соответственно более 0,8 и 0,5 от толщины стенки отливки и 0,9 от толщины питателя уменьшает скорость затвердевания титановых отливок, усложняет и утяжеляет конструкцию кокиля.
Литниковая система выполнена так, что ось стояка и ось прибыли (место подвода металла в прибыль) находятся на оси размещения заливочных желобов и центра заливочной камеры, а расстояние между центрами отверстий этих желобов должно быть равно сумме расстояний от центра отверстия заливочного желоба стояка до центра заливочной камеры и от центра заливочного желоба прибыли до центра заливочной камеры, а подвод металла через стояк осуществляется по разъему в нижнюю часть формы (кокиля), подвод металла через прибыль осуществляется в верхнюю часть формы (фиг. 2 и 4). Причем соотношение площадей элементов литниковой системы должно быть следующим:
л.в.
ст.
п.
F:F:F=1:1,1:1,15,
л.в.
где F - площадь сечения литниковой воронки желоба;
ст.
F - площадь сечения стояка;
п.
F - площадь сечения питателя.
л.в.
ст.
п.
Размещение на одной оси стояка, прибыли, центра заливочной камеры и заливочных желобов в соответствии с указанными расстояниями гарантирует минимальное расстояние от тиглей до заливочных отверстий, что обеспечивает минимальные потери тепла в жидком металле при заливке. Применение в предлагаемом кокиле расширяющейся литниковой системы с соотношением F:F:F=1:1,1:1,15 повышает качество отливок, обеспечивая спокойное, плавное поступление расплава в рабочую полость формы, способствуя направленному затвердеванию и питанию отливки. Для получения качественных отливок скорость движения расплава в форме должна убывать от сечения стояка к питателю и обеспечивать ее заполнение без образования в отливке неслитин и спаев.
В предлагаемом кокиле места для узлов крепления выполнены в виде литых пазов, располагаемых ниже поверхности вертикального криволинейного разъема, перпендикулярно к касательной винтовой линии вертикального разъема, равномерно через равные промежутки по периметру вертикального разъема, причем расстояния между узлами крепления должны соответствовать соотношению
где Р - периметр (длина) вертикального криволинейного разъема кокиля, в мм;
n - количество узлов (мест) крепления кокиля.
Указанное соотношение  является оптимальным, так как обеспечивает максимальное время содержания кокиля в заневоленном состоянии, что предотвращает изменение размеров кокиля при нагреве и остывании и соответственно получение отливок высокого качества.
<mrow><mfrac><mi>П</mi><mi>n</mi></mfrac><mo><</mo><mn>200</mn></mrow>
В случае
повышаются внутренние напряжения в отливках, которые могут привести к появлению трещин.
<mrow><mfrac><mi>П</mi><mi>n</mi></mfrac><mo>></mo><mn>250</mn></mrow>
Если отношение
, то из-за высоких термических напряжений, возникающих при заливке и остывании кокиля, возможно нарушение целостности креплений и преждевременное раскрывание кокиля.
Крепление предлагаемого кокиля (фиг. 3) производят с помощью болтов и шпилек с применением совместно сдвоенных мягких (алюминиевых) и жестких (стальных) шайб. Совмещение жестких (стальных) и мягких (алюминиевых) шайб необходимо для демпфирования (смягчения) высоких напряжений, возникающих в процессе нагревания и затем остывания кокиля в местах креплений кокиля и, значит обеспечения нормальной разборки кокиля. Причем в узле крепления с обоих сторон к головке болта и гайке сначала устанавливается мягкая шайба, а затем жесткая. Мягкая шайба выполнена из мягкого деформирующего материала - алюминия, силумина или красной меди, а жесткая шайба из стали. В случае применения только жестких шайб уровень напряжений такой, что при разборке кокиля практически невозможно раскрепить крепления (открутить гайки) и часто приходится их разрезать газовой резкой, что приводит к повреждению кокиля в местах креплений. В случае применения только мягких шайб ввиду большой массы соединяемых кокилей при сборке и транспортировке кокиля, возможно их срезание из-за их низкой сопротивляемости нагрузкам на срез и соответственно несанкционированное разъединение частей кокиля.
Конструкция предлагаемого кокиля простая и рациональная, не вызывает затруднений при его изготовления, обеспечивает его рациональную сборку и нормальную работу при заливке, охлаждении и разборке.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на котором показан предлагаемый сборный кокиль.
Предлагаемый кокиль состоит из кокиля ступицы с частью лопасти 1, кокиля концевой части лопасти 2, стояка 3, стержней стояка и прибыли 4 и 5, рабочей полости 6, узлов крепления 7 и центровочных отверстий 8. Предлагаемый кокиль имеет вертикальный криволинейный разъем, выполненный по винтовой линии кромок лопасти, геометрия которой определена изменяющимся шагом лопасти, а вдоль этой винтовой линии с наружной стороны входящей и выходящей кромок лопасти по всему периметру стенки кокиля расположены равномерно в литых пазах узлы крепления и проходящий по линии изменения шага лопасти поясок смыкания 9, за которым продолжение части кокиля формирует углубление, заполненное формовочной смесью, а также горизонтальный разъем 10, разделяющий кокиль на две примерно равные части и питатель 11.
На фиг. 2 указана схема размещения предлагаемого кокиля 1 в заливочной камере 12 вакуумной плавильной печи (печь типа "Нева-5"). На фиг. 2 показано, что литниковая система кокиля выполнена так, что ось стояка 13, центр заливочной камеры 14 и место подвода металла в прибыль (ось прибыли) 15 расположены на оси 18 размещения заливочных желобов стояка 16 и прибыли 17.
На фиг. 3 показаны конструкции разъема кокиля со стенкой 19 и пояском смыкания 9, углублением с заделкой из керамической массы 20, узлов кантования 21 и крепления 7, состоящем из болта 22, гайки 23, шайб алюминиевой 24 и стальной 25.
На фиг. 4 указана схема заливки лопасти гребного винта в вакуумной печи (печь типа "Нева-5"). На фиг. 4 показаны кокиль ступицы с частью лопасти 1, кокиль концевой части лопасти 2, стояк 3, стержень стояка 4, стержень прибыли 5, рабочая полость 6, узел крепления 7, центровочное отверстие для сборки кокиля 8, поясок смыкания 9, горизонтальный разъем 10, заливочный желоб прибыли 17, заливочный желоб стояка 16, заливочная камера 12, промежуточный стол 26, тигель 1-27, тигель 2-28, расплавленный металл 29, вакуумная печь 30.
Общий вид предлагаемого кокиля (половины кокиля) представлен на фиг. 5. На фиг. 5 указаны поясок смыкания 9, поверхность вертикального криволинейного разъема по пояску смыкания 31, ребра жесткости 32, литые пазы для узлов крепления 33, узлы кантования 21.
Работа предлагаемого кокиля заключается в следующем.
-2
В заливочную камеру литейной вакуумной печи (типа "Нева-5") устанавливают кокиль с таким расчетом, чтобы при заливке струя жидкого металла титанового сплава попадала в центр заливочных желобов, установленных в стояке и прибыльной части кокиля (фиг. 4). Заливочную камеру с кокилем закатывают под печь и прижимают домкратом к горизонтальной плите корпуса. Схема размещения предлагаемого кокиля в вакуумной плавильной печи (печь типа "Нева-5") указана на фиг. 2. Проверив качество вакуумных уплотнений, закрывают люки на корпусе печи. Насосами откачивают воздух из печи до остаточного давления 10 мм рт.ст. Затем включают питание установки и проводят дуговую плавку титанового сплава (типа ВТ-1) в двух тиглях.
Перед заливкой выключают ток соленоида и наклоняют тигель в положение "слив". Сначала осуществляют слив максимального количества металла из одного тигля в кокиль через стояк для заполнения основного объема отливки лопасти и затем заливку необходимого количества металла для заполнения оставшегося объема кокиля из второго тигля через прибыльную часть отливки, формируемую керамическим стержнем. Заливку производят сначала с одного тигля через стояк, а потом со 2-го тигля в прибыльную часть, что дает осуществление принципа направленного затвердевания отливки лопасти, позволяющее повысить качество отливки (усадочную раковину смещает в верхнюю часть прибыли). После окончания заливки тигли медленно возвращают в вертикальное положение. Схема заливки лопасти гребного винта в вакуумной печи представлена на фиг. 4.
Положение кокиля для отливки при заливке выбирается в зависимости от размеров отливки с учетом необходимости создания условий направленного затвердевания и питания, а также геометрических параметров заливочного пространства вакуумной плавильной печи. Наиболее рациональным положением при заливке является такое положение, при котором ось лопасти расположена вертикально. В случае, когда высота рабочего пространства печи не позволяет расположить отливку вертикально, допускается ее выполнение в наклонном положении (до 18°) по отношению к оси лопасти. При этом наклон лопасти должен быть таким, чтобы обеспечить ее надежное питание и всплывание газовых и неметаллических включений.
Заливку кокиля следует проводить, не прерывая струи жидкого металла. Движение металла в литниковых каналах и в рабочей полости кокиля должно осуществляться компактным потоком без разбрызгивания, пульсации и разрыва струи. После окончания заливки выключают ток дуги, а тигель медленно возвращают в исходное положение. После остывания отливки в печь впускают атмосферный воздух, открывают камеру и разгружают печь. Затем залитый кокиль охлаждают до температуры 150°C и ниже и производят разборку кокиля и выбивку отливки.
Предлагаемый кокиль проверен в заводских условиях. В результате после разливки и охлаждения полученной отливки произведена разборка кокиля, которая показала, что раскрепление узлов крепления (болтов и шпилек), соединяющих части кокиля, простая и удобная.
Извлечение отливки за стояк и прибыль, удаление стержней, отрезка стояка и прибыли, очистка отливок не вызвало технических затруднений и произведена в соответствии с нормами, указанными в технических условиях на отливку.
Разметка полученной отливки лопасти гребного винта, произведенная с помощью навесного шагомера, показала ее соответствие данным паспорта геометрии отливки и чертежу.
Результаты измерений первой отливки свидетельствуют о годности предлагаемого кокиля и его допуску к запуску для дальнейшего производства отливок. Ультразвуковой и радиографический контроль лопасти по литой поверхности показал высокое качество отливки и соответствие нормам контроля. Следов коробления кокиля не обнаружено. При дальнейшей эксплуатации кокиль показал высокую стойкость (после производства 20 отливок лопасти). Конструкция кокиля простая и рациональная, не вызывающая заметных затруднений при его сборке, заливке и охлаждении, разборке и выбивке отливок лопасти.
У прототипа при тех же условиях качество отливок неудовлетворительное (может образоваться альфированный слой на поверхности лопасти). Могут появиться следы коробления кокиля, снижается его стойкость, так как стенка выполнена без расчленения, а уровень термических напряжений высокий. Конструкция прототипа сложная и нерациональная из-за составной стенки, состоящей из круглых металлических площадок и большого количества огнеупорной смеси, также требуется проведение дополнительных работ по вакуумному уплотнению гидравлической системы открывания подвижной полуформы кокиля.
Технико-экономический результат изобретения по сравнению с прототипом выразится в снижении себестоимости титановых отливок за счет повышения стойкости срока службы кокиля, уменьшении его коробления, более рациональной конструкции, повышении качества отливок лопастей корабельных гребных винтов.