ПИТАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЛИТЬЯ МЕТАЛЛОВ
FEEDING ELEMENT FOR METAL CASTING

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному питающему элементу для использования при операциях литья металлов с применением литейных форм, главным образом, но не исключительно, в системах с высоким давлением с формовки песчано-глинистой смеси.
При типичном процессе литья выполняют подачу расплавленного металла в предварительно образованную литейную полость, которая определяет форму отливки. Однако когда металл затвердевает, он дает усадку, что приводит к образованию усадочных раковин, которые, в свою очередь, приводят к неприемлемым дефектам готового литья. Эта проблема хорошо известна в литейной промышленности и ее решают посредством использования питающих вставок или стояков, которые встраивают в форму в течение ее создания. Каждая питающая вставка обеспечивает дополнительный (обычно замкнутый) объем или полость, сообщающуюся с полостью литейной формы, поэтому расплавленный металл также поступает в питающую вставку. В течение затвердевания расплавленный металл из питающей вставки перетекает назад в полость формы для компенсации усадки литья. Важно чтобы металл в полости питающей вставки оставался расплавленным дольше, чем металл в полости формы, поэтому питающие вставки изготавливают таким образом, чтобы они обладали высокой изоляционной способностью или обычно были бы в большей степени экзотермическими, так чтобы при контакте с расплавленным металлом было бы удержано дополнительное тепло для задержки затвердевания.
После затвердевания и удаления материала формы нежелательный остаточный металл внутри питающей вставки остается прикрепленным к отливке и должен быть удален. Чтобы облегчить удаление остаточного металла, полость питающей вставки может сужаться к его основанию (то есть к тому концу питающей вставки, который является ближайшим к полости формы), при этом такую конструкцию обычно называют прибылью тонкой шейкой. Когда на остаточный металл воздействуют посредством быстрого и сильного удара, он отделяется в ослабленном месте, которое будет находиться вблизи от формы (процесс, обычно называемый «обрубанием»). Также желательно, чтобы след на литье был небольшим для возможности расположения питающих вставок в тех зонах литья, где доступ может быть ограничен смежными деталями.
Хотя питающие вставки могут быть установлены непосредственно на поверхность полости литейной формы их часто используют совместно со стержнем-перемычкой. Стержень-перемычка обычно представляет собой диск из огнеупорного материала (обычно песчаный стержень на смоляной связке, либо керамический стержень, либо стержень из материала питающей вставки) с отверстием в его центре, который устанавливают между полостью формы и питающей вставкой. Диаметр отверстия, проходящего через стержень-перемычку задают таким, чтобы он был меньше, чем диаметр внутренней полости питающей вставки (которая необязательно должна быть сужающейся), так что обрубание происходит у стержня-перемычки вблизи от формы.
Литейные формы обычно создают посредством использования формовочной модели, которая определяет полость формы. На модельной плите в заданных местах предусматривают штыри в качестве мест установки питающих вставок. Как только требуемые вставки установлены на модельной плите, форма будет образована посредством засыпки формовочного песка на модельную плиту и вокруг питающих вставок, пока питающие вставки не будут покрыты. Форма должна иметь достаточную прочность, чтобы противостоять эрозии в течение литья расплавленного металла, выдерживать ферростатическое давление, оказываемое на форму, когда она заполнена, и противостоять силам расширения/сжатия, когда происходит затвердевание металла.
Формовочные смеси можно отнести к двум основным категориям: с химической связью (на основе органических или неорганических связующих веществ) или со связью посредством глины. Химически соединенные формовочные связующие вещества обычно представляют собой самозатвердевающие системы, в которых связующее вещество и химический отвердитель смешивают с песком, при этом связующее вещество и отвердитель начинают немедленно вступать в реакцию, но это происходит достаточно медленно, чтобы обеспечить возможность получения определенной конфигурации формовочной смеси вокруг модельной плиты и последующую возможность достаточного затвердевания для удаления и литья.
В случае формовки со связью посредством глины используют глину и воду в качестве связующего вещества, которое может быть использовано в «сыром» или непросушенном состоянии и которое обычно называют сырой формовочной смесью. Под действием сил сжатия не происходит само по себе быстрое течение или легкое перемещение сырых смесей, поэтому для уплотнения сырой формовочной смеси вокруг модели и для придания форме достаточных прочностных свойств, о чем было подробно сказано ранее, прилагают разнообразные сочетания встряхивания, вибрации, обжатия и трамбовки для создания форм с равномерной прочностью при высокой производительности. Формовочную смесь обычно сжимают (уплотняют) под высоким давлением, как правило, используя гидравлический поршень (процесс, называемый «трамбовкой»). При повышении требований, касающихся сложности литья и производительности, возникает необходимость в формах, более стабильных в отношении размеров, и прослеживается тенденция к применению более высоких давлений при трамбовке, что может привести к поломке питающей вставки и/или стержня-перемычки, если он имеется, особенно в том случае, когда стержень-перемычка или питающая вставка находятся в непосредственном контакте с модельной плитой перед трамбовкой.
Указанная выше проблема может быть частично устранена посредством использования пружинных штырей. Питающая вставка и используемый по усмотрению установочный стержень (по составу и общим размерам подобный стержням-перемычкам) первоначально отстоят от модельной плиты и перемещаются к ней при трамбовке. Пружинный штырь и питающая вставка могут быть сконструированы таким образом, что после трамбовки конечное положение вставки будет таково, что она не будет находиться в непосредственном контакте с модельной плитой и может отстоять от поверхности модели на расстояние, обычно составляющее 5-25 мм. Место обрубания часто непредсказуемо, поскольку оно зависит от размеров и профиля основания пружинных штырей, и это приводит к дополнительным затратам на очистку. Другие проблемы, связанные с пружинными штырями, раскрыты в европейском патенте ЕР-А-1184104. Решение, предложенное в патенте ЕР-А-1184104, заключается в выполнении питающей вставки из двух частей. При сжатии в процессе формовки одну часть формы (вставки) вдвигают в другую часть. Одна из частей формы (вставки) всегда находится в контакте с модельной плитой и в данном случае не требуется пружинный штырь. Однако имеются проблемы, связанные с вдвижным устройством согласно патенту ЕР-А-1184104. Например, вследствие вдвижного действия объем питающей вставки после формования изменяется и зависит от ряда факторов, включающих в себя давление формовочной машины, геометрию отливки и свойства формовочной смеси. Такая непредсказуемость может отрицательно сказаться на характеристике подачи. Кроме того, устройство не идеально подходит в тех случаях, когда требуются вставки с экзотермическими свойствами. Если используют экзотермические вставки, непосредственный контакт экзотермического материала с поверхностью литья нежелателен и может привести к плохой отделке поверхности, локальным загрязнениям поверхности литья и даже к дефектам, обусловленным наличием газа под поверхностью.
Еще один недостаток вдвижного устройства согласно европейскому патенту ЕР-А-1184104 обусловлен ушками или фланцами, которые требуются для сохранения первоначального промежутка между двумя частями формы (вставки). В течение формования эти небольшие ушки отламываются (обеспечивая посредством этого возможность выполнения вдвижного действия) и просто падают в формовочную смесь. В течение определенного периода времени эти куски будут введены в формовочную смесь. Проблема стоит особенно остро, если эти куски изготовлены из экзотермического материала. Влага, содержащаяся в формовочной смеси, потенциально может вступать в реакцию с экзотермическим материалом (например, алюминием), что создает потенциальную опасность возникновения дефектов, обусловленных небольшими разрывами.
Цель настоящего изобретения согласно его первому аспекту заключается в создании усовершенствованного питающего элемента, который может быть использован при выполнении формования для литья. В частности, цель настоящего изобретения согласно его первому аспекту заключается в создании питающего элемента, который обеспечивает одно или более (а предпочтительно все) из следующих преимуществ:
(i) небольшую площадь контакта питающего элемента (отверстия к отливке);
:
(ii) небольшой след (контакт наружного 'профиля) на поверхности отливки;
(iii) пониженную вероятность разрушения питающей вставки под действием высокого давления при создании формы;
(iv) приемлемое обрубание со значительным снижением требований в отношении очистки.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в устранении или в уменьшении одного или более из недостатков, связанных с вдвижной питающей вставкой, состоящей из двух частей, раскрытой в европейском патенте ЕР-А-1184104.
Цель согласно второму аспекту настоящего изобретения заключается в создании альтернативной питающей системы по отношению к системе, предложенной в европейском патенте ЕР-А-1184104.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения создан питающий элемент, предназначенный для его использования при литье металлов, причем питающий элемент имеет первый конец для установки на литейную модель (плиту), противоположный второй конец для захождения питающей вставки и канал между первым и вторым концами, образуемый боковыми стенками, при этом питающий элемент во время его использования может быть необратимо сжат, чтобы таким образом уменьшить расстояние между первым и вторым концами.
Будет понятно, что на величину сжатия и на силу, которая необходима для обеспечения сжатия, будет влиять ряд факторов, включающих в себя материал для изготовления питающего элемента, а также форму и толщину боковой стенки. В равной степени понятно, что отдельные питающие элементы будут сконструированы в соответствии с предполагаемым применением, допустимым давлением и требованиями, касающимися размеров питателя. Хотя изобретение особенно выгодно в случае формовочных систем со значительным объемом, предназначенных для высокого давления, оно также полезно для использования при низких давлениях (при соответствующей конфигурации), например в случае литейных форм, трамбуемых вручную.
Предпочтительно чтобы начальный предел прочности на сжатие (то есть сила, требуемая для начального сжатия и необратимой деформации питающего элемента свыше естественной упругости, которой он обладает в его неиспользуемом и не сжатом состоянии) составлял не более 5000 H, а более предпочтительно чтобы он не превышал 3000 Н. Если начальный предел прочности на сжатие весьма высок, то формовочное давление может вызвать повреждение питающей вставки перед начальным сжатием. Предпочтительно чтобы начальный предел прочности на сжатие составлял, по меньшей мере, 500 Н. Если предел прочности на сжатие весьма низок, то сжатие элемента может быть начато непредумышленно, например, если большое количество элементов уложено в штабель для хранения или при транспортировании.
Питающий элемент согласно настоящему изобретению можно рассматривать как стержень-перемычку, поскольку этот термин надлежащим образом описывает некоторые функции элемента при его использовании. Стержни-перемычки традиционно содержат формовочную смесь, связанную смолой, или их выполняют из керамического материала либо они представляют собой стержни из такого же материала, что и материал питающих вставок. Однако питающий элемент согласно настоящему изобретению может быть изготовлен из других различных приемлемых материалов. В случае определенных конфигураций может оказаться более приемлемым считать питающий элемент питающей горловиной.
Используемый здесь термин «сжимаемый» применен в его наиболее широком смысле и предназначен только для указания того, что длина питающего элемента между его первым и вторым концами будет меньше после сжатия, чем перед сжатием. Сжатие необратимо, то есть важно, чтобы после прекращения действия силы, вызывающей сжатие, питающий элемент не возвращался к своей первоначальной форме.
Сжатие может быть обеспечено посредством деформации нехрупкого материала, такого как металл (например, стали, алюминия, алюминиевых сплавов, латуни и т.д.), либо пластика. В первом варианте конструкции боковую стенку питающего элемента выполняют с одним или более ослабленными местами, которые предназначены для деформации (или даже среза) под действием заданной нагрузки (связанной с прочностью на сжатие).
Боковая стенка может быть выполнена, по меньшей мере, с одной зоной, имеющей уменьшенную толщину, которая деформируется под действием заданной нагрузки. Как вариант либо в дополнение к указанному, боковая стенка может иметь один или более изломов, изгибов, складок или контуров иного вида, которые приводят к деформации боковой стенки под действием заданной нагрузки (соответствующей пределу прочности на сжатие).
Во втором варианте конструкции канал выполняют в виде усеченного конуса и ограничивают боковой стенкой, имеющей, по меньшей мере, одну круговую канавку. Такая, по меньшей мере, одна канавка может находиться на внутренней или (предпочтительно) на наружной поверхности боковой стенки и при использовании обеспечивает место ослабления, которое предсказуемым образом подвергается деформации или срезу при приложении нагрузки (соответствующей пределу прочности на сжатие).
В особенно предпочтительном варианте конструкции питающий элемент имеет ступенчатую боковую стенку, которая содержит первую группу зон в форме колец (которые необязательно должны быть плоскими) с увеличивающимся диаметром, взаимосвязанных и выполненных как одно целое со второй группой зон боковой стенки. Предпочтительно чтобы зоны боковой стенки имели фактически равномерную толщину, так чтобы диаметр канала питающего элемента увеличивался от первого конца к его второму концу. Обычно вторую группу зон боковой стенки выполняют кольцеобразными (то есть параллельными оси канала), хотя они могут быть выполнены в виде усеченного конуса (то есть наклоненными к оси канала). Обе группы зон боковой стенки могут иметь некруглую формулу (например, овальную, квадратную, прямоугольную или звездообразную).
Характер сжатия питающего элемента может быть изменен посредством регулирования диаметра каждой зоны стенки. В одном из вариантов конструкции все зоны из первой группы зон боковой стенки имеют одну и туже длину, и все зоны из второй группы зон боковой стенки также имеют одну и ту же длину (которая может быть такой же, что и длина зон первой группы, либо отличаться от нее). Однако в предпочтительном варианте конструкции длина зон первой, группы зон боковой стенки изменяется, при этом зоны стенки в направлении ко второму концу питающего элемента длиннее, чем зоны боковой стенки в направлении к первому концу питающего элемента.
Питающий элемент может быть образован посредством одного кольца, между парой зон боковой стенки из второй группы. Однако питающий элемент может иметь до шести или более зон каждой из первой и второй групп зон боковой стенки.
Предпочтительно чтобы угол, образованный между осью канала и первыми зонами боковой стенки (особенно тогда, когда вторые зоны боковой стенки параллельны оси канала), составлял примерно от 55° до 90°, а более предпочтительно чтобы он составлял примерно от 70° до 90°. Предпочтительно чтобы толщина зон боковой стенки составляла примерно от 4% до 24%, более предпочтительно примерно от 6% до 20%, а еще более предпочтительно примерно от 8% до 16% расстояния между внутренним и наружным диаметрами первых зон боковой стенки (то есть кольцевой толщины в случае плоских колец (поясков)).
Предпочтительно чтобы расстояние между внутренним и наружным диаметрами первой группы зон боковой стенки составляло от 4 мм до 10 мм, а более предпочтительно чтобы оно составляло от 5 мм до 7,5 мм. Предпочтительно чтобы толщина зон боковой стенки составляла от 0,4 мм до 1,5 мм, а более предпочтительно от 0,5 мм до 1,2 мм.
В общем, каждая из боковых стенок в пределах первой и второй групп будет параллельна, так что описанные выше угловые зависимости применимы ко всем зонам боковой стенки. Однако этот случай необязателен и одна (или более) из зон боковой стенки может быть наклонена к оси канала под иным углом, чем другие зоны из той же группы, особенно тогда, когда зона боковой стенки образует первый конец (основание) питающего элемента.
В обычном варианте конструкции между питающим элементом и литьем будет образован только кромочный контакт, при этом первый конец (основание) питающего элемента будет определен зоной боковой стенки первой или второй группы, которая не перпендикулярна к оси канала. Из приведенного выше обсуждения будет понятно, что такое устройство предпочтительно в отношении доведения до минимума следа и площади контакта питающего элемента. В таких вариантах конструкции зона боковой стенки, которая определяет первый конец питающего элемента, может иметь иную длину и/или ориентацию по отношению к другим зонам боковой стенки этой группы. Например, зона боковой стенки, определяющая основание, может быть наклонена к оси канала под углом от 5° до 30°, а предпочтительно от 5° до 15°. Предпочтительно чтобы свободный край зоны боковой стенки, определяющий первый конец питающего элемента, имел направленный внутрь кольцевой фланец или буртик.
Обычно зона боковой стенки первой группы образует второй конец питающего элемента, при этом зона боковой стенки предпочтительно перпендикулярна оси канала. Такое устройство обеспечивает приемлемую поверхность для монтажа питающей вставки при ее использовании.
Из приведенного выше обсуждения понятно, что питающий элемент предназначен для использования совместно с питающей вставкой. Таким образом, согласно второму аспекту в изобретении создана питающая система для литья металлов, содержащая питающий элемент согласно первому аспекту и прикрепленную к нему питающую вставку.
Вид питающей вставки не имеет конкретных ограничений, при этом она может быть, например, изолирующей, экзотермической или может сочетать оба из этих свойств; одни из таких вставок, например, продает компания Foseco с товарным знаком KALMIN, FEEDEX или KALMINEX. Питающая вставка обычно прикреплена к питающему элементу посредством клейкого вещества, но также может быть установлена по плотной посадке, либо имеет муфту, отформованную вокруг части питающего элемента.
Варианты осуществления конструкции согласно изобретению далее будут описаны лишь посредством примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
на фиг.1 и 2 представлены соответственно боковой вид и вид сверху первого питающего элемента согласно настоящему изобретению;
на фиг.3 и 4 представлены питающий элемент согласно фиг.1 и питающая вставка, установленные на пружинном штыре, соответственно до и после трамбовки;
на фиг.3А представлено поперечное сечение части узла согласно фиг.3;
на фиг.5 и 6 представлены питающий элемент согласно фиг.1 и питающая вставка, установленные на фиксированном штыре, соответственно до и после трамбовки;
на фиг.7 и 8 соответственно представлены боковой вид и вид сверху второго питающего элемента согласно настоящему изобретению;
на фиг.7A и 7В представлены поперечные сечения части питающего элемента согласно фиг.7, установленного соответственно на стандартном штыре и на модифицированном штыре;
на фиг.9 и 10 представлены соответственно боковой вид и вид сверху третьего питающего элемента согласно настоящему изобретению;
на фиг.11 представлен боковой вид четвертого питающего элемента согласно настоящему изобретению;
на фиг.12 и 13 представлены поперечные сечения пятого питающего элемента согласно настоящему изобретению соответственно до и после сжатия;
на фиг.14 и 15 представлены схематические поперечные сечения питающего узла, включающего в себя шестой питающий элемент согласно настоящему изобретению, соответственно до и после сжатия;
на фиг.16 представлен боковой вид седьмого питающего элемента согласно настоящему изобретению;
на фиг.17 и 18 представлены виды в поперечном сечении питающей вставки в сборе, включающей в себя восьмой вариант конструкции питающего элемента согласно настоящему изобретению;
на фиг.19 представлен график зависимости сжатия от прилагаемой силы для стержня-перемычки согласно фиг.7;
на фиг.20 представлена гистограмма, демонстрирующая данные сжатия для группы стержней-перемычек согласно настоящему изобретению;
на фиг.21 представлен график зависимости сжатия от силы для группы стержней-перемычек такого типа, который показан на фиг.7, с разной толщиной боковой стенки;
на фиг.22 и 23 представлен питающий элемент согласно фиг.1 и питающая вставка, отличающаяся от вставки, которая показана на фиг.5 и 6, установленные на неподвижном штыре, соответственно до и после трамбовки.
Как показано на фиг.1 и 2, питающий элемент в виде стержня-перемычки 10 имеет боковую стенку 12, в общем, в виде усеченного конуса, образованную посредством прессования стального листа. Внутренняя поверхность боковой стенки 12 образует канал 14, который проходит через стержень-перемычку 10 от его первого конца (основания) 16 ко второму концу (верхней части) 18, при этом канал 14 имеет меньший диаметр у первого конца 16, чем у второго конца 18. Боковая стенка 12 имеет ступенчатую конфигурацию и содержит чередующиеся группы первых и вторых зон 12а, 12b боковой стенки. Боковую стенку 12 можно рассматривать как (первую) группу отстоящих друг от друга поясков или колец 12а (имеется семь таковых), при этом каждый поясок 12а имеет внутренний диаметр, соответствующий наружному диаметру предыдущего пояска, а смежные пояски 12а взаимосвязаны посредством кольцевой зоны второй группы 12b зон боковой стенки (имеется шесть таковых). Зоны 1-2а, 12b боковой стенки более удобно описывать по отношению к продольной оси канала 14, поскольку первая группа зон 12а боковой стенки представляет собой радиальные (показаны горизонтальными) зоны, а вторая группа зон 12b боковой стенки представляет собой осевые (показаны вертикальными) зоны. Угол α между осью канала и первыми зонами 12а боковой стенки (в данном случае также угол между смежными парами зон боковой стенки) составляет 90°. Радиальные зоны 12а боковой стенки образуют основание 16 и верхнюю часть 18 стержня-перемычки 10. В показанном варианте конструкции все осевые зоны 12b боковой стенки имеют одну и ту же высоту (расстояние от внутреннего диаметра до наружного диаметра), в то время как две нижних радиальных зоны 12а боковой стенки имеют уменьшенную толщину кольца (радиальное расстояние между внутренним и наружным диаметрами). Наружный диаметр радиальной зоны боковой стенки, определяющей верхнюю часть 18 стержня-перемычки 10, выбирают в соответствии с размерами питающей вставки, к которой она должна быть прикреплена (что будет описано ниже). Диаметр канала 14 у первого конца 16 стержня-перемычки 10 задают таким образом, чтобы обеспечить посадку скольжения на фиксированный штырь.
Как показано на фиг.3, стержень-перемычку 10 согласно фиг.1 крепят посредством клеящего вещества к питающей вставке 20, при этом узел из стержня-перемычки/питающей вставки устанавливают на пружинном штыре 22, прикрепленном к модельной плите 24. Радиальная зона 12а боковой стенки, формирующая основание 16 стержня-перемычки 10, посажена на модельную плиту 24 (фиг.3А). В модификации (не показана) верхняя часть 18 стержня-перемычки 10 снабжена группой сквозных отверстий (например, шестью равномерно отстоящими друг от друга круглыми отверстиями). Стержень-перемычку 10 крепят к питающей вставке 20 посредством использования клеящего вещества (например, клеящего вещества в состоянии горячего расплава), наносимого между двумя частями. Когда прилагают давление, клеящее вещество будет частично выдавлено через отверстия и затвердевает. Это затвердевшее клеящее вещество служит в качестве герметика для более надежного удерживания совместно друг с другом стержня-перемычки 10 и питающей вставки 20.
При использовании питающую заставку в сборе покрывают формовочным песком (песок также заходит в объем вокруг стержня-перемычки 10 под питающей вставкой 20) и модельную плиту 24 «трамбуют», чтобы таким образом сжать формовочный песок. Силы сжатия вызывают перемещение вставки 20 вниз к модульной плите 24. Силы будут частично поглощены штырем 22 и частично деформацией или оседанием стержня-перемычки 10, который эффективно действует в качестве зоны опускания питающей вставки 20. В то же самое время формовочную среду (песок), захваченную под деформирующимся стержнем-перемычкой 10, также постепенно уплотняют для придания форме требуемой твердости и обеспечения отделки поверхности под стержнем-перемычкой 10 (этот отличительный признак является общим для всех вариантов конструкции, в которых сужающаяся вниз конфигурация питающего элемента обеспечивает возможность захватывания формовочного песка непосредственно ниже питающей вставки). Кроме того, уплотнение песка также способствует поглощению некоторых ударных воздействий. Будет понятно, что поскольку основание 16 стержня-перемычки 10 образует самую узкую зону, сообщающуюся с полостью формы, отсутствует требование, чтобы питающая вставка 20 имела сужающуюся полость или чрезмерно сужающиеся боковые стенки, которые могли бы снизить ее прочность. Ситуация после трамбовки показана на фиг.4. Литье выполняют после удаления модельной плиты 24 и штыря 22.
Предпочтительно чтобы питающий элемент согласно настоящему изобретению не зависел от использования пружинного штыря. На фиг.5 и 6 представлен стержень-перемычка 10, прикрепленный к питающей вставке 20а, установленной на неподвижном штыре 26. Поскольку при трамбовке (фиг.6) вставка 20а перемещается вниз, а штырь 26 неподвижен, вставка 20а выполнена с каналом 28, внутрь которого заходит штырь 26. Как показано, канал 28 проходит через верхнюю поверхность вставки 20а, хотя понятно, что в других вариантах конструкции (не показаны) вставка может быть выполнена с глухим каналом (то есть канал проходит через верхний участок питателя только частично, так что полость вставки для прибыли будет закрытой). В другом варианте (показан на фиг.22) глухое отверстие используют совместно с фиксированным штырем, при этом вставку конструируют таким образом, чтобы при трамбовке штырь прошивал верхнюю часть питающей вставки так, как показано на фиг.23 (и описано в публикации Германии DE 19503456), создавая посредством этого вентиляционное отверстие для газов формы, как только будет удален штырь.
Как показано, на фиг. 7 и 8, стержень-перемычка 30 отличается от стержня-перемычки, показанного на фиг.1, тем, что зона 32 боковой стенки, образующая основание стержня-перемычки 30, ориентирована в осевом направлении и ее диаметр фактически соответствует диаметру штыря 22, 26. Эта зона 32 также продлена таким образом, чтобы она имела большую высоту, чем другие осевые зоны 12b боковой стенки, для обеспечения некоторой глубины уплотненного песка ниже стержня-перемычки 30. Кроме того, свободный край осевой зоны 32 боковой стенки, образующей основание, имеет ориентированный внутрь кольцевой фланец 32а, который при использовании будет посажен на модельную плиту и который упрочняет нижний край канала и увеличивает площадь контакта с модельной плитой 24 (гарантируя, что основание стержня-перемычки 30 не будет скошено при сжатии), а также обеспечивает определенную выемку в шейке питателя для содействия обрубанию и гарантирует, что обрубание будет выполнено вблизи от поверхности литья. Кольцевой фланец также обеспечивает точную установку на штырь с возможностью свободного люфта между ним и осевой зоной 32 боковой стенки. Это более четко показано на фиг.7А, на которой можно видеть, что имеется только кромочный контакт между модельной плитой 24 и стержнем-перемычкой 30, позволяющий довести до минимума след питающего элемента. Остальные осевые и радиальные зоны 12а, 12b боковой стенки имеют одни и те же длину и высоту.
Место обрубания находится настолько близко к литому изделию, что при определенных чрезвычайных обстоятельствах может оказаться возможным отламывание стержня-перемычки в направлении к поверхности изделия. При этом, как показано на фиг.7В, может оказаться желательным обеспечение короткого (примерно 1 мм) выступа 36 у основания штыря (фиксированного или пружинного), на который устанавливают стержень-перемычку 30. Это обычно достигают посредством формирования модельной плиты 24 с приемлемо приподнятой зоной, на которую устанавливают штырь. Как вариант, выступ может быть выполнен в форме кольца, образованного либо как часть модельной плиты 24 у основания штыря, либо как отдельный элемент (например, шайба), который устанавливают у штыря, перед тем как на штырь будет установлен стержень-перемычка 30.
Как показано на фиг.9 и 10, другой стержень-перемычка 40 согласно изобретению выполнен фактически таким же, что и стержень-перемычка, показанный на фиг.7 и 8, за исключением того что боковая стенка 42, образующая основание стержня-перемычки 40, выполнена в виде усеченного конуса, сужаясь в осевом наружном направлении от основания стержня-перемычки под углом примерно 20-30° к оси канала. Боковая стенка 42 выполнена с кольцевым фланцем 42а таким же образом и для той же самой цели, что и в варианте конструкции, показанном на фиг.7. Стержень-перемычка 40 имеет на одну ступень меньше (то есть меньше на одну осевую и радиальную зоны 12а, 12b боковой стенки), чем стержень-перемычка 30, показанный на фиг.7.
На фиг.11 представлен еще один стержень-перемычка 50, выполненный согласно изобретению. Основная конфигурация подобна конфигурации ранее описанного варианта конструкции. Боковая стенка из прессованного металла выполнена ступенчатой для создания канала 14 с увеличивающимся диаметром ко второму (верхнему) концу 52 стержня-перемычки 50. Однако в этом варианте конструкции первая группа зон 54 боковой стенки наклонена к оси канала примерно на 45° (то есть выполнена в виде усеченного конуса), так что эти зоны расширяются в наружном направлении относительно основания 56 стержня-перемычки 50. Угол α между зонами 54 боковой стенки и осью канала также составляет 45°. Этот вариант конструкции обладает предпочтительным отличительным признаком, который заключается в том, что первая группа радиальных зон 54 боковой стенки имеет ту же самую длину, что и осевые зоны 12b боковой стенки, так что при сжатии профиль в итоге деформированного, питающего элемента будет относительно ровным (горизонтальным). Стержень-перемычка 50 содержит только четыре относящихся к первой группе осевых зоны 54 боковой стенки. Зона 58 второй группы 12b зон боковой стенки заканчивается у основания 56 стержня-перемычки 50 и значительно длиннее, чем другие входящие во вторую группу зоны 12b боковой стенки.
На фиг.12 и 13 представлен еще один стержень-перемычка 60. Стержень-перемычка 60 имеет канал 62 в виде усеченного конуса, образованный металлической боковой стенкой 64 фактически равномерной толщины, в наружной поверхности которой образованы три отстоящих друг от друга концентричных канавки 66 (в данном случае посредством механической обработки). Канавки 66 создают в боковой стенке 64 места ослабления, которые предсказуемым образом исчезают при сжатии (фиг.13). В модификациях этого варианта конструкции (не показаны) выполнены группы отдельных вырезов. Как вариант, боковую стенку выполняют с чередующимися относительно толстыми и относительно тонкими зонами.
Еще один стержень-перемычка согласно настоящему изобретению представлен на фиг.14 и 15. Стержень-перемычка 70 выполнен из стали посредством штамповки с получением тонкой боковой стенки. Начиная с основания, боковая стенка имеет расширяющуюся в наружном направлении первую зону 72а, трубчатую, ориентированную в осевом направлении, вторую зону 72b с круглым поперечным сечением и третью зону 72с, проходящую радиально наружу, при этом третья зона 72с при использовании служит в качестве посадочного места для питающей вставки 20. При сжатии стержень-перемычка 70 оседает предсказуемым образом (фиг.15), при этом внутренний угол между первой и второй зонами 72а, 72b боковой стенки уменьшается.
Понятно что может быть выполнено большое количество возможных стержней-перемычек с разными сочетаниями ориентированных зон боковой стенки. Представленный на фиг.16 стержень-перемычка 80 подобен стержню-перемычке, показанному на фиг.11. В этом конкретном случае одна группа ориентированных в радиальном направлении (горизонтальных) зон 82 боковой стенки чередуется с группой наклонных по осевому направлению зон 84 боковой стенки. Показанный на фиг.17 и 18 стержень-перемычка 90 имеет зигзагообразную конфигурацию, образованную первой группой зон 92 боковой стенки, наклоненных наружу по осевому направлению, которые чередуются с группой зон 94 боковой стенки, наклоненных внутрь по осевому направлению, причем чередование наклона наружу и внутрь происходит вверх от основания. В этом варианте конструкции стержень-перемычку устанавливают на штырь 22 независимо от вставки 20, которая посажена на стержень-перемычку, но не прикреплена к нему. В модификации (не показана) верхняя радиальная поверхность образует верхнюю часть стержня-перемычки и обеспечивает посадочную поверхность для вставки, которая может быть предварительно приклеена к стержню-перемычке, если это требуется.
Примеры проведенных испытаний
Были проведены испытания на промышленной формовочной линии высокого давления Kunkel-Wagner №09-2958 с давлением трамбовки 300 тонн и размерами формовочной коробки 1375×975×390/390 мм. Формовочной средой была система из сырого песка, цементированного глиной. Отливки представляли собой корпус центральной передаточной коробки из пластичного литейного чугуна (чугуна с шаровидным графитом) для использования в автомобилях.
Сравнительный пример 1
Питающая вставка FEEDEX HD-VS159 (обеспечивающая быстрое прокаливание, высокоэкзотермическая и стойкая к воздействию давления), прикрепленная к соответствующему стержню-перемычке из кремниевого песка (10Q), была установлена непосредственно на модельную плиту с фиксированным штырем для расположения устройства из стержня-перемычки/питающей вставки на модельной плите перед формованием. Хотя место обрубания было воспроизводимым и близким к литейной поверхности повреждение (главным образом трещинообразование) в ряде стержней-перемычек и вставок вследствие давления формования было очевидным.
Сравнительный пример 2
Питающая вставка FEEDEX HD-VS159 (обеспечивающая быстрое прокаливание, высокоэкзотермическая и стойкая к воздействию давления), прикрепленная к соответствующему установочному стержню (50HD), была использована таким же образом, что и в сравнительном примере 1, но в данном случае был применен пружинный штырь для монтажа устройства из установочного штыря/питающей вставки на модельную плиту и поверх нее перед формованием. При формовании давление воздействовало на устройство из установочного стержня/питающей вставки и на пружинный штырь, и формовочный песок стекал под установочный стержень и был уплотнен под ним. После формования на стержне-перемычке или на вставке не было замечено видимых повреждений. Однако место обрубания не было воспроизводимым (вследствие размеров и профиля основания пружинных штырей) и в некоторых случаях требовалось ручное выполнение отделки выступов, что увеличивало стоимость изготовления литья.
Пример 1а
Стержень-перемычка согласно фиг.1 (с осевой длиной 30 мм, минимальным диаметром 30 мм, максимальным диаметром 82 мм, соответствующим наружному диаметру основания вставки), изготовленный из стали 0,5 мм, прикрепленный к экзотермической вставке FEEDEX HD-VS159, был установлен на фиксированный штырь либо на пружинный штырь. После формования на питающей вставке не было обнаружено никаких видимых повреждений и было установлено, что произошло превосходное уплотнение песка в форме в зоне непосредственно ниже стержня-перемычки. Место обрубания было воспроизводимым и было расположено близко к поверхности литья. В некоторых случаях остаточный металл питателя и стержень-перемычка фактически отпадали в течение выбивания отливки из сырой формы, что исключало необходимость выполнения стадии обрубания. На поверхности отливки не было дефектов, а также не было никаких вредных последствий от нахождения стального стержня-перемычки в непосредственном контакте с поверхностью чугунной отливки.
Пример 1b
Дополнительные испытания были проведены со стержнем-перемычкой согласно фиг.7 (с осевой длиной 33 мм, минимальным диаметром 20 мм, максимальным диаметром 82 мм, соответствующим наружному диаметру основания вставки), изготовленным из стали 0,5 мм и прикрепленным к экзотермической вставке FEEDEX HD-VS159. Он был использован для иной конструкции модели отливки корпуса передаточной коробки с более сложным и неровным профилем по сравнению с отливкой предыдущего примера и был подобным же образом установлен на фиксированный штырь или на пружинный штырь. Обрубание вновь было превосходным, поскольку было выполнено уплотнение песка формы в зоне непосредственно под стержнем-перемычкой. Использование этого стержня-перемычки (по сравнению с использованием согласно примеру 1а) обеспечивало благоприятную возможность получения меньшего следа и меньшей площади контакта питающего элемента с поверхностью отливки.
Пример 1с
Третьи испытания были проведены со стержнем-перемычкой согласно фиг.9 (с осевой длиной 28 мм, максимальным диаметром 82 мм, соответствующим наружному диаметру основания вставки, и с боковой стенкой 42, сужающейся наружу по осевому направлению от основания под углом порядка 18° к оси канала), изготовленным из стали 0,5 мм и прикрепленным к экзотермической вставке FEEDEX HD-VS159. Он был использован для ряда различных конструкций отливок корпусов передаточной коробки, включая те из них, которые были использованы в примерах 1а и 1b. Устройство из стержня-перемычки/питающей вставки было установлено на фиксированный штырь либо на пружинный штырь. Сочетание сужающейся боковой стенки 42 и кольцевого фланца 42а у основания стержня-перемычки, приводящее к весьма значительному образованию выемки и конусности в шейке питателя, обеспечивало превосходное обрубание головки питателя, которое было весьма последовательным и воспроизводимым, весьма близким к поверхности отливки и поэтому требовало минимальной механической обработки выступов для получения готовой отливки.
Пример 2 - исследование предела прочности на сжатие и конфигурации боковой стенки
Стержни-перемычки были исследованы посредством их установки между двумя параллельными плитами испытательной машины Hounsfield для определения предела прочности на сжатие. Нижняя плита была неподвижно закреплена, в то время как верхняя плита перемещалась вниз с постоянной скоростью порядка 30 мм в минуту посредством механизма с винтовой резьбой, при этом были составлены графики зависимости перемещения плиты от прилагаемой силы.
Испытуемые стержни-перемычки имели базовую конфигурацию, показанную на фиг.11 (зоны 12b и 54 боковой стенки составляли 5 мм, зона 58 боковой стенки составляла 8 мм, при этом был определен размер канала, находившийся в диапазоне от 18 до 25 мм, а максимальный диаметр верхней части 52 стержня-перемычки составлял 65 мм). В общем, были испытаны десять различных стержней-перемычек, причем различия между стержнями заключались только в величине угла α, который изменялся от 45° до 90° с интервалом в 5°, и в длине верхней наружной зоны боковой стенки, которая была отрегулирована таким образом, чтобы максимальный диаметр верхней части 52 стержня-перемычки составлял 65 мм для всех стержней-перемычек. Толщина металла металлических стержней-перемычек составляла 0,6 мм.
На фиг.19 представлен график зависимости перемещения плиты от силы для стержня-перемычки с α=50°. Следует заметить, что при увеличении силы происходит минимальное сжатие (связанное с характерной упругостью в неиспользуемом и несжатом состоянии) стержня-перемычки, пока к нему не будет приложена критичная сила (точка А), называемая здесь начальным пределом прочности на сжатие, после чего сжатие происходит быстро под пониженной нагрузкой, при этом точка В означает измеренную минимальную силу после начального предела прочности на сжатие. Происходит дальнейшее сжатие и сила увеличивается до максимальной (максимальный предел прочности на сжатие, точка С). Когда стержень достигает своего максимального перемещения или будет близок к нему (точка D), сила быстро увеличивается по шкале к точке, где физически невозможно дальнейшее перемещение (точка Е).
Начальные пределы прочности на сжатие, измеренные значения минимальной силы и максимальные пределы прочности на сжатие представлены на фиг.20 для всех десяти стержней-перемычек. Идеально, чтобы начальный предел прочности на сжатие был ниже 3000 H. Если начальный предел прочности на сжатие весьма высок, то давление формования может вызвать разрушение питающей вставки до того, как будет обеспечена возможность сжатия стержня-перемычки. В случае идеального профиля график должен быть линейным от начального предела прочности на сжатие до максимального предела прочности на сжатие, поэтому измеренное значение минимальной силы (точка В) в идеальном случае должно быть весьма близким к минимальному пределу прочности на сжатие. Идеальный максимальный предел прочности на сжатие в значительной степени зависит от того применения, для которого предназначен стержень-перемычка. Если прилагают весьма высокие давления формования, то будет более желателен повышенный максимальный предел прочности на сжатие, чем в том случае, когда стержень-перемычка предназначен для использования при более низком давлении формования.
Пример 3 - исследование предела прочности на сжатие и толщины боковой стенки
Для проведения исследования влияния толщины металла на параметры, касающиеся прочности на сжатие, были изготовлены и испытаны так, как указано в примере 2, дополнительные стержни-перемычки. Стержни-перемычки были идентичны тем стержням-перемычкам, которые были использованы в примере 1b (с осевой длиной 33 мм, минимальным диаметром 20 мм и максимальным диаметром 82 мм, соответствующим наружному диаметру основания вставки). Толщина стали составляла 0,5 мм, 0,6 мм или 0,8 мм (соответствующие 10%, 12% и 16% толщины кольца боковой стенки 12а). Графики зависимости перемещения от силы представлены на фиг.21, на которой можно видеть, что начальный предел прочности на сжатие (точка А) увеличивается с увеличением толщины металла, при этом увеличивается разность между минимальной силой (точка В) и начальным пределом прочности на сжатие. Если металл весьма толст по отношению к толщине кольца зоны 12а боковой стенки, то начальный предел прочности на сжатие будет неприемлемо высок. Если металл весьма тонок, то предел прочности на сжатие будет неприемлемо низким.
При рассмотрении примеров 2 и 3 будет понятно, что посредством изменения геометрии стержня-перемычки и толщины материала стержня-перемычки могут быть специально обеспечены три ключевых параметра (начальный предел прочности на сжатие, минимальная сила и максимальный предел прочности на сжатие) для конкретного предполагаемого применения стержня-перемычки.