СПОСОБ УДАРНО-ПРЕССОВОГО ФИЛЬТРАЦИОННОГО УПЛОТНЕНИЯ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ФОРМ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR IMPACT-PRESS FILTERING COMPACTION OF SAND-CLAYEY SHAPES AND INSTALLATION FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к литейному производству, в частности к технологии и оборудованию для изготовления литейных форм и стержней.
Из уровня техники известна технология импульсной формовки песчано-глинистых литейных форм (см. патенты РФ №2027538, 2039627, 2042470, 2084308 и 2102181).
Известен способ уплотнения песчано-глинистой формы потоком сжатого воздуха с последующей допрессовкой - seiatsu-процесс [1].
Однако этому методу присущи недостатки: высокий расход сжатого воздуха (14 объемов уплотняемой формы); наличие двух видов энергии привода (гидравлического привода для уплотнения прессованием и воздуха для предварительного уплотнения). Совмещение воздушно-импульсной системы подачи и фильтрации сжатого воздуха через смесь требуют наличие сложного импульсного клапана и ресивера большого объема сжатого воздуха.
Наиболее близким по технической сущности является способ высокоскоростного ударного прессования (ВСП - процесс) [2]. В этом процессе форма уплотняется за счет динамического удара прессовой колодки (плоской или многоплунжерной) о смесь. В этом способе пневматический ударник представляет собой пневматический цилиндр, на шток которого установлена прессовая колодка. Этому способу также присущ ряд недостатков, основными из которых являются следующие:
- после завершения рабочего цикла подъем поршня со штоком и его удержание в верхнем положении осуществляется специальными механическими захватами, с одновременным сбросом сжатого воздуха непосредственно в атмосферу;
- шток удерживают в верхнем положении два вспомогательных пневмопривода, которые также после каждого рабочего цикла сжатый воздух выбрасывают в атмосферу.
Заявляемый способ ударно-прессового фильтрационного уплотнения песчано-глинистых литейных форм включает установку опоки и наполнительной рамки на подмодельную плиту с моделью, засыпку смеси, размещение на опоке камеры воздушно-импульсной головки, уплотнение смеси под действием сил фильтрации воздушного потока через формовочную смесь и прессовой колодкой, а далее уплотнение смеси осуществляют одновременно сжатым воздухом и прессовой колодкой со скоростью 6-10 м/с.
Заявляемая установка для осуществления заявляемого способа содержит ресивер, прессовый привод с рабочим цилиндром, плиту-основание, умеющую ряд отверстий для свободного выхода из ресивера сжатого воздуха в над опочное пространство, причем плита-основание снабжена краном для подачи сжатого воздуха в штоковую полость рабочего цилиндра при подъеме поршня после удара.
Плита-основание имеет внутренний ряд отверстий для выхода воздуха из рабочего цилиндра в над опочное пространство.
Плита-основание имеет канал для подачи сжатого воздуха из клапана в штоковую полость рабочего цилиндра при подъеме поршня после удара.
Расположение вент и их количество в модельной плите определяют соотношениями:
в
оп
отношение суммарной площади вент ΣS к площади опоки S составляет 6%-10%;
отношение суммарной площади вент вокруг модели по отношению к площади модели составляет 1.15%-5,9%;
в
мод
отношение суммарной площади вент ΣS в опоке к площади моделей S составляет 0,92%-1,6%.
Для моделей средней сложности отношение площади вент к площади опок составляет 3,0%-5,0%.
Технический результат изобретения: снижение расхода воздуха, требуемого для уплотнения форм, а также повышение качества уплотнения и равномерности уплотнения формовочной смеси во всем объеме литейной форме.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
фиг.1 показан общий вид установки;
фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1.
Предлагается экономичный способ уплотнения смеси и установка для его реализации (см. фиг.1). Основные узлы установки: ресивер 1, внутри которого размещен пневмоударник, представляющий собой пневмоцилиндр 2, поршень 3, шток 4, на конце которого закреплена ударная плита 5. Пневмоцилиндр крепится на основании 6, в котором по центру отверстие для штока, ряд отверстий 7 для выпуска воздуха из ресивера в кожух 8, через отверстие 9 в ударной плите, а также каналы 10, соединяющие ресивер с полостью рабочего цилиндра. Ударная плита 5 в нижней части штока крепится гайками 11, а верхняя соединена замковым узлом 12, служащим для фиксации штока в верхнем положении и пуска ударного механизма уплотнения смеси в опоке. Вместе с формовочной установкой на фиг.1 представлены также модельная плита 13 с вентами 14, модели 15, опоки 16, наполнительная рамка 17 и формовочная смесь 18 и прокладка 19.
Работа установки заключается в следующем:
1. Нерабочее положение: Поршень с пресс-плитой находятся в опущенном положении, давления воздуха в ресивере нет. Кран «б» - впуска воздуха из магистрали закрыт.
2. Подготовка к пуску (подъем плиты): подъем поршня с ударной плитой осуществляется путем подачи воздуха при открытых кранах «а» и «б». Кран «а» - в положении впуска воздуха под поршень. После подъема поршня с плитой производится их фиксация замковым узлом 12.
3. Пуск: впуск воздуха в ресивер и цилиндр. Кран «б» и «а» открыты. После впуска воздуха в ресивер кран «б» закрывается. Кран «а» остается открытым. После чего защелка фиксатора сбрасывается и происходит удар пресс-плиты по смеси. Воздух из поршневой полости вместе с воздухом из ресивера уходит через смесь в атмосферу.
Расчет основных параметров установки:
к
к
Задаемся размерами опок: 600×500×300 мм. Ход колодки машины Н=0,5 м, масса колодки М=30 кг. Величина ускорения для пневмоударного устройства определяется из уравнения движения:
где
м
м
Р - давление сжатого воздуха в ресивере, Р=0,6 МПа.
ц
ц
Д - диаметр рабочего цилиндра; Д=0,2 м.
ц
ц
2
F - площадь цилиндра; F=0,785·=0,032 м.
тp
G - сила трения в подвижных частях установки;
тp
м
G=0,1·р·F=0,1·0,6·0,032=0,002 [Н].
Определяем ускорение:
Определяем скорость колодки:
, где S - весь путь движения колодки.
сж
пр
сж
В нашей работе принята смесь средней прочности σ=0,1 МПа, поэтому удельное давление допрессовки должно быть в этих пределах или несколько ниже Р (σ=0,06-0,08 МПа).
Воспользуемся зависимостью:
,
2
где S - площадь ударной плиты, м.
сж
Полученное значение напряжения сжатия в смеси σ=0,06 МПа соответствует рекомендациям фирмы HWS.
Конструкция формовочной установки предполагает, что в момент отрыва колодки от плиты, т.е. в момент начала ее движения и до удара по смеси внутри поровый воздух и воздух, поступающий из вне штоковой полости рабочего цилиндра, должен через смесь и венты уйти в атмосферу. Поэтому необходимо определить время цикла, т.е. время движения колодки на удар.
Как отмечалось выше, в предлагаемой установке сжатый воздух расходуется на:
- силовой привод, т.е. расход воздуха при движении поршня на ударное уплотнение;
- на дополнительный расход воздуха через венты.
Экономия воздуха имеет место за счет использования объема штоковой полости во время движения поршня на рабочий ход через смесь и венты.
Поскольку в ударно-импульсном режиме уплотнения смеси применяется не статический метод прессования, а динамический, то имеет место существенная экономия энергии.
шт
пл
м
2
Удельный массовый расход фильтрующегося воздуха через смесь в нашем случае снизится на объем вне штоковой полости: V=F·H=0,032·0,5=0,016 м.
p
Используя зависимость для расчета удельного массового расхода W имеем:
кл
в
2
1
2
Диаметр клапана D=100 мм, который принят для опок 600×500×300 мм с площадью вент 6% от площади опоки (F=0,018 м), при давлении Р=0,7 МПа, P=0,1 МПа. Для принятой смеси (единая):
µ
в
-11
2
-5
К=4,6·10 м, , µ=2·10 Па·с
p
2
Подставляя, получим W=16,85 кг/мс.
в
в
3
Общий массовый расход воздуха за цикл будет равен Q=W·F=0,3 кг/с, что соответствует объемному расходу V=Q·γ=0,3·1,293=0,38 м/с. Тогда с учетом экономии воздуха вне штоковой полости имеем снижение общего массового расхода воздуха за цикл:
3
V=0,38-0,016=0,264 м.
оп
Скорость движения внутри формовочной смеси порового воздуха по данным работы [2] при ламинарном потоке составляет V=8-12 м/с. Это значит, что за время t=0,1 с воздушный поток пройдет путь S=(8-12)·0,1=0,8-1,2 м, т.е. больше, чем высота опоки.
p
оп
p
оп
p
оп
оп
p
оп
p
3
3
3
В работах по расчету и выбора объема ресивера имеются противоречивые рекомендации. Так в работе [1] рекомендуется соотношение объема ресивера к объему уплотняемой смеси V/V=2. В работах по импульсному процессу это соотношение еще ниже V/V=1/2. Учитывая, что предлагаемый процесс уплотнения касается и процесса УПВ (уплотнения siatsu) и фильтрационно-ударного, где кроме ударного прессования имеется и процесс фильтрации воздуха было принято соотношение V/V=2/0. Следовательно, исходя из принятых в основу расчета параметров опоки L×B×H - 0,6×0,5×0,3→V=0,09 м, а объем ресивера V=2·V=0,18 м. К этому объему V=0,18 м необходимо добавить объем рабочего цилиндра, который выбирается из практических соображений и опыта предыдущих исследований.
ц
Принимаем диаметр рабочего цилиндра D=0,2 м, а площадь цилиндра:
p
Тогда суммарный объем ΣV ресивера будет:
p
p
ц
3
ΣV=V+V=0,18+0,032=0,212 м
ц
р
p
Если принять высоту цилиндра Н=0,5 м, а высоту ресивера Н=0,55 м, то диаметр ресивера будет равен D=0,67 м.
в
мод
Венты не следует располагать по всей модельной плите, находящейся в опоке (ни хаотично, ни упорядочено - равномерно). Они должны располагаться в 1-2 ряда только вокруг моделей и в зазорах между стенкой опоки и моделью, или между двумя моделями, таким образом, чтобы отношение высоты зазора к его ширине находилось в определенном соотношение в зависимости от сложности модели, свойств смеси и других параметров. Проведенные экспериментальные исследования влияния вент на процесс импульсного уплотнения форм для сложно-профильных отливок показали, что проходное сечение вент, отношение их суммарной площади проходного сечения к площади опоки, место их расположения, а также геометрия оснастки оказывает решающее воздействие на плотность смеси при импульсном уплотнении форм. Важно также отношение суммарной площади вент ΣS в опоке (не показаны) к площади моделей S, составляющее: 0,92%-1,6%. Задачи расположения и количества вент могут быть решены с ведением ряда геометрических соотношений, в частности:
м
мод
1. Предложено ввести коэффициент сложности моделей, равный отношению периметра модели П к ее площади S.
вм
мод
2. Отношение площади вент S, расположенных по наружному контуру модели, к площади модели S.
s
в.о
оп
3. Постоянная величина K, представляющая отношение площади вент, расположенных по контору опоки S , и площади опоки S.
Технический результат изобретения: снижение расхода воздуха, требуемого для уплотнения форм, а также повышение качества уплотнения и равномерности уплотнения формовочной смеси во всем объеме литейной формы.
Список используемой литературы
1. Исагулов А.З. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм. - М., 1999.
2. Каменский В.В. Технологические основы разработки технологии получения высококачественных отливок со сложной ребристой поверхностью. Дис. д.т.н. М., 2005 г., 363 с.