УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕТАЛЛА ОТЛИВКИ С МАТЕРИАЛОМ ФОРМЫ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ ОТЛИВКИ

Полезная модель относится к области металлургии и литейного производства, а именно к установкам для исследования свойств литейных сплавов, и может быть использована для определения параметров силового взаимодействия металла отливки с формовочным материалом при затвердевании отливки.
Известно устройство по патенту РФ №69071, МПК С22С 1/02, опубл. 10.12.2007, содержащее датчик измерения температуры, блок измерения усадки, аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ, блок измерения термоэдс, состоящий из двух металлических электродов, погруженных в расплав, и программного обеспечения, позволяющего интерпретировать полученные данные в ЭВМ. Недостатком данного устройства является невозможность измерения параметров силового взаимодействия между металлом затвердевающей отливки и материалом формы при усадке отливки.
Из известных решений наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является устройство по патенту РФ №88353, МПК С22С 1/02, опубл. 29.06.2009, содержащее основание и металлическую опоку, в полость песчано-глинистой формы которой заливается расплав. Для измерения изменения размеров отливки (усадки) при ее кристаллизации устройство снабжено тягой, пластиной и датчиком малых перемещений. Хромель-алюмелевая термопара позволяет измерять термические характеристики расплава. Электрические сигналы от хромель-алюмелевой термопары и датчика малых перемещений поступают в аналого-цифровой преобразователь, обрабатываются и передаются в ЭВМ.
Устройство позволяет оценивать структурные изменения в процессе кристаллизации и усадки сплавов, обусловленные воздействием различных технологических факторов, но при этом оно не учитывает силовое взаимодействие между металлом отливки и материалом формы.
Технический результат от использования полезной модели заключается в расширении области исследования свойств сплавов, за счет возможности измерения силового взаимодействия между металлом отливки и материалом формы при затвердевании отливки.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: установка для исследования силового взаимодействия металла отливки с материалом формы при затвердевании отливки, содержащая, также как и прототип, основание, на котором установлены две металлических опоки, заполненные песчаной формовочной смесью, в верхней из которых выполнен литниковый канал, а в нижней - первая полость для металлической отливки, и измерительные устройства для измерения температуры металлической отливки в виде установленной в полости песчаной формы термопары и для измерения усилия усадки металлической отливки, выходы которых подключены к аналого-цифровому преобразователю, встроенному в персональный компьютер, в отличие от прототипа в песчаной форме нижней опоки выполнена вторая полость - для второй металлической отливки, идентичная первой полости, при этом в нижней опоке установлены две пары захватов, выполненные с возможностью двустороннего захвата каждой металлической отливки, при этом два захвата с одной стороны полостей закреплены на опоке неподвижно, а вторые два захвата с противоположной стороны полостей - с возможностью осевого перемещения, при этом установка снабжена дополнительным измерительным устройством - для измерения усилия усадки второй металлической отливки, выход которого подключен к упомянутому аналого-цифровому преобразователю. При этом измерительное устройство для измерения усилия усадки может быть выполнено в виде тензометрического кольцевого динамометра. Для повышения точности измерений за счет исключения влияния сил трения измерительное устройство для измерения усилия усадки выполнено в виде ультразвукового бесконтактного дальномера. Для возможности повторного и многократного использования установки поверхности захватов покрыты термостойкой краской, препятствующей свариванию захватов с отливкой.
Сущность полезной модели состоит в возможности экспериментального определения не только деформационных, но и силовых характеристик взаимодействия металла затвердевающей отливки и материала формы. Причем измерения как линейной усадки, так и усилия усадки выполняются одновременно на двух однотипных образцах, расположенных в одинаковых полостях одной литейной формы, что обеспечивает достоверность проводимых исследований. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет дополнительно фиксировать температурную зависимость измеряемых характеристик. В результате появляется возможность объективного сравнения величин температурной усадки металла за счет сопоставления экспериментальных данных в условиях свободной и затрудненной усадки литейного сплава. Полученные зависимости деформации и усилия от температуры металла или температуры формы, в свою очередь, позволяют решать комплекс научно-технических задач, направленных на разработку литейных технологий, обеспечивающих минимальные усадочные напряжения литого металла, снижение остаточных напряжений в отливке и предотвращение коробления отливок, горячих разрывов и трещин, которые могут возникнуть из-за силового торможения затвердевающего металла материалом литейной формы.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - расширение области исследования свойств сплавов, за счет возможности измерения силового взаимодействия между металлом отливки и материалом формы при затвердевании отливки - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых приведено схематическое изображение заявляемой установки:
на фиг. 1 - вид сверху,
на фиг. 2 - вид сбоку.
Разработанная установка содержит сварное основание из двутавровых балок 1, на котором крепятся нижняя опока 2 и верхняя опока 3 с помощью двух центрующих штифтов 4. Исследуемые отливки (образцы) 5 расположены в нижней опоке 2, заполненной песчаной литейной формой 6, где также расположены четыре силовых захвата 7 с обоих концов каждой отливки. Подвижность и центровку силовых захватов обеспечивают направляющие цилиндрические втулки 8, запрессованные в нижнюю опоку 2. Единая литниково-питающая система и прибыль для питания двух экспериментальных отливок расположена в песчаной форме верхней опоки 3. Силовые захваты 7 с одной стороны отливок неподвижно крепятся клиновыми штифтами в опорных кронштейнах 9, тем самым предотвращается возможность линейного перемещения экспериментальных образцов с указанной стороны. С другой стороны захваты служат: один для измерения свободного перемещения конца экспериментального образца путем контроля расстояния ультразвуковым бесконтактным датчиком 10, второй через кольцевой тензорезистивный динамометр 11 для определения усилия, возникающего при затвердевании отливки. Две термопары 12 и 13 осуществляют измерение температуры затвердевающего металла и формовочного материала. Персональный компьютер 14 со встроенным аналого-цифровым преобразователем электрических сигналов соединен с измерительными датчиками установки кабелями 15, что позволяет регистрировать все измеряемые параметры в режиме реального времени. Регулятор предварительного натяжения 16 для выбирания слабины тензорезистивного динамометра 11 выполнен по схеме болт-гайка. Отражающий экран 17 для бесконтактного измерения линейной усадки отливки (образца) 5 выполнен в виде пластины, жестко соединенной с подвижным захватом 7.
Установка работает следующим образом.
Нижняя опока 2 с установленными захватами 7, которые центрируются в опоке посредством запрессованных втулок 8, заполняется песчаной формовочной смесью, при этом образуется литейная форма 6 с полостью для двух экспериментальных отливок 5. Дополнительно в форму 6 устанавливаются две термопары 12 и 13: одна для измерения температуры затвердевающей отливки в ее рабочей части, вторая для измерения температуры прогрева формы (на заданном расстоянии от отливки). Верхняя опока 3 также заполняется песчаной формовочной смесью 6, образуя при этом литниково-питающую систему для заливки экспериментальных образцов (отливок). Далее производится сборка двух опок 2 и 3 на сварном двутавровом основании 1 и их крепление направляющими штифтами 4. Силовые захваты 7 с одной стороны фиксируются в опорных кронштейнах 9 клиньями для предотвращения линейного перемещения экспериментальных образцов при усадке во время затвердевания, с противоположной стороны один захват шарнирно соединен с кольцевым тензорезистивным динамометром 11, свободное перемещение (слабина) которого при сборке выбирается регулятором натяжения 16. Второй захват 7 на втором образце 5 (отливке) может свободно линейно перемещаться в направляющей втулке 8 по направлению действия свободной усадки образца. При этом линейное перемещение измеряется по бесконтактной схеме, предотвращающей влияние трения за счет использования компактного ультразвукового дальномера 10 и отражающего экрана 17, соединенного с захватом 7. После сборки установки и проверки измерительных приборов производится заливка экспериментальных образцов жидким металлом. По мере затвердевания отливок 5 происходит их температурная усадка, один из образцов сокращается свободно, а его линейное перемещение фиксируется ультразвуковым дальномером 10. Усадку второго образца сдерживает кольцевой тензометрический динамометр 11, который измеряет усилие усадки в затвердевающем образце. Информация с измерительных устройств - 10, 11, 12, 13 через электрические кабели 15 поступает в персональный компьютер 14, который имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь для хранения и дальнейшей математической обработки электрических сигналов.
Предлагаемое устройство было разработано специалистами кафедры «Основ инженерного проектирования» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и кафедры «Материалы, технологии и оборудование литейного производства» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» в составе научно-исследовательских работ кафедр. Были произведены лабораторные испытания установки, показавшие возможность оценивать с ее помощью структурные изменения в процессе кристаллизации и усадки сплавов, обусловленные воздействием различных технологических факторов, в том числе силового взаимодействия между металлом отливки и материалом формы. В результате экспериментальных исследований были получены совмещенные кинетические зависимости изменения температуры металла, температуры материала формы, свободной линейной усадки и усилия, возникающего при торможении усадки. Весь массив данных является достаточным для оценки склонности к развитию деформационных и силовых усадочных процессов, коробления, образования разрывов и трещин.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «промышленная применимость».