ПИТАЮЩАЯ СИСТЕМА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее техническое решение относится к питающей системе для применения в операциях разливки металла, в которых используются литейные формы.
В типичном процессе разливки расплавленный металл заливают в предварительно сформованную полость литейной формы, которая определяет форму отливки. Однако по мере кристаллизации металл дает усадку, что приводит к образованию усадочных раковин, что, в свою очередь, приводит к неприемлемым дефектам в готовой отливке. Эта проблема хорошо известна в металлургии и решается с помощью вставок прибыли или стояков, которые интегрированы в форму либо во время формования формы (сформованные втулки) либо вставлены позднее (вставные втулки). Каждая втулка прибыли обеспечивает дополнительный (обычно замкнутый) объем или полость, сообщающуюся с полостью литейной формы так, что расплавленный металл также попадает в эту втулку прибыли. Во время кристаллизации расплавленный металл, находящийся во втулке прибыли, течет обратно в полость литейной формы для компенсации усадки отливки. Важно, чтобы металл в полости втулки прибыли оставался расплавленным дольше, чем металл в полости литейной формы, поэтому втулки прибыли делают теплоизолированными или, чаще, экзотермическими, чтобы при контакте с расплавленным металлом генерировалась дополнительная теплота, чтобы задержать кристаллизацию.
Втулка прибыли может быть расположена над полостью литейной формы (обычно известен как "прибыльная надставка" или верхний питатель) или рядом с полостью литейной формы (известен как "боковой питатель"). Во время подготовки литейной формы верхние питатели можно устанавливать на верхние горизонтальные поверхности модели так, чтобы они находились в непосредственном контакте с поверхностью отливки. Альтернативно, боковые питатели можно расположить над впускными литниками, которые соединяют литниковую систему с полостью литейной формы, либо над областью основания и горловины питателя, все из которых горизонтально соединены с полостью литейной формы. Из-за отличающихся свойств кристаллизации и требований к подпитке стальные отливки, по существу, требуют более коротких каналов, ведущих от прибыли, чем чугунные отливки, что требует наличия множества литников, распределенных по оливке.
После кристаллизации отливки и удаления материала литейной формы нежелательный остаточный металл из втулки прибыли остается прикрепленным к отливке, и его приходится удалять. Чтобы облегчить удаление остаточного металла, полость втулки прибыли может сужаться к основанию (т.е. к тому концу втулки прибыли, который находится ближе к полости литейной формы) в конструкции, которая обычно именуется втулка с узкой шейкой. Когда остаточный металл подвергают резкому удару, он отделяется в самой слабой точке, которая находится рядом с отливкой (процесс, именуемый обрубкой). Также на отливке желательно создать небольшое основание, чтобы дать возможность позиционирования втулок прибыли в тех областях отливки, куда доступ может быть ограничен соседними элементами.
Хотя втулки прибыли могут подходить непосредственно к поверхности полости литейной формы, их часто используют в сочетании с питающим элементом (также известным как стержень-перемычка). Стержень-перемычка является просто диском из огнеупорного материала (типично стержнем из песка, связанного смолой, керамическим стержнем или стержнем из материала втулки прибыли) с отверстием, обычно расположенным в его центре, который установлен между полостью литейной формы и втулкой прибыли. Диаметр отверстия в стержне-перемычке имеет размер меньший, чем диаметр внутренней полости втулки прибыли (которая не обязательно должна сужаться), поэтому обрубка происходит на стержне-перемычке рядом с поверхностью отливки. Чтобы еще больше облегчить обрубку, отверстие стержня-перемычки часто имеет такой профиль, чтобы образовать V-образный желобок в шейке металла прибыли.
В некоторых случаях могут возникать ограничения на размеры опоки, в которой готовят литейную форму, так, что не хватает высоты, чтобы поместить верхнюю втулку прибыли. Кроме того, некоторые модели не имеют верхней плоской поверхности, на которую можно поместить втулку прибыли. Хотя применение впускных литников или боковых втулок прибыли позволяет обойти необходимость в плоской верхней поверхности на модели, такой впускной литник увеличивает расстояние между полостью литейной формы и втулкой прибыли и, следовательно, увеличивает количество требуемого металла.
Настоящее решение было создано с учетом этих проблем.
Согласно первому аспекту решения предлагается питающая система для разливки металла, содержащая:
втулку прибыли, имеющую плоское основание, крышу над основанием и боковую стенку между крышей и основанием, в котором боковая стенка выполнена прерывистой так, чтобы втулка прибыли была открыта с одной стороны; и,
по существу, плоский стержень-перемычку, имеющий сквозное отверстие, установленный на открытой стороне втулки прибыли перпендикулярно основанию, при этом втулка прибыли и стержень-перемычка совместно определяют замкнутую полость для расплавленного металла, за исключением отверстия в стержне-перемычке.
Система по настоящему решению является боковой прибылью (питателем), и плоское основание позволяет устанавливать питающую систему рядом с моделью во время подготовки литейной формы. По существу, плоская структура устанавливаемого сбоку стержня-перемычки означает, что питающую систему можно устанавливать в непосредственном контакте с плоской вертикальной стороной модели. Когда модель извлекают, отверстие стержня-перемычки находится в непосредственном контакте с полостью литейной формы. Питающая система по настоящему решению, таким образом, дает альтернативу стандартной боковой прибыли, применяемой в сочетании с впускным литником. За счет непосредственной подпитки отливки (вместо подпитки через впускной литник) объем металла в системе сокращается. В результате сокращаются отходы и повышается выход готовой продукции.
Втулка прибыли может иметь любой обычный размер или форму. В некоторых вариантах втулка прибыли имеет, по существу, прямоугольное или квадратное сечение. Боковая стенка втулки прибыли проходит вокруг периферии основания. Таким образом, следует понимать, что в вариантах, где сечение втулки прибыли, по существу, является прямоугольным или квадратным, основание втулки прибыли также является прямоугольным или квадратным. Боковая стенка может проходить вокруг трех сторон квадрата или прямоугольника, а четвертая сторона образована стержнем-перемычкой. Боковая стенка, таким образом, может содержать два противоположные боковые секции и заднюю секцию, расположенную между боковыми секциями, при этом задняя секция расположена напротив стержня-перемычки. Боковые секции и задняя секция могут быть сформованы за одно целое, либо боковая стенка может быть образована тремя отдельными секциями, соединенными друг с другом своими кромками.
В некоторых вариантах питающая система имеет, по существу, D-образное сечение. Другими словами, питающая система имеет три плоские стороны (одна из которых образована стержнем-перемычкой) и одну изогнутую сторону. В некоторых вариантах боковая стенка втулки прибыли имеет две противоположные боковые секции и заднюю секцию, проходящую между боковыми секциями, при этом задняя секция расположена напротив стержня-перемычки и задняя секция изогнута (является выпуклой).
Обычно нижние углы, образованные между боковой стенкой и основанием или между боковой стенкой, стержнем-перемычкой и основанием, могут быть прямыми или немного скошенными. Прямые или скошенные углы являются предпочтительными, поскольку если углы будут слишком скруглены, песок невозможно эффективно набивать под питающей системой во время подготовки литейной формы, что может привести к дефектам отливки.
В некоторых вариантах крыша и боковая стенка изготовлены за одно целое. Альтернативно боковая стенка и крыша могут разделяться, т.е. крыша выполнена как крышка. Крыша может быть плоской, наклонной, изогнутой (напр., выпуклой), выполненной в форме купола, частичного купола, купола с плоской вершиной или иметь любую другую подходящую форму. Крыша питающей системы может быть закрытой так, чтобы полость была полностью замкнута, за исключением отверстия в стержне-перемычке.
Во втулку можно ввести клиновую вставку (клин Вильямса - от Williams Wedge). Она может быть вставной или, предпочтительно, выполненной за одно целое во время изготовления втулки и иметь форму призмы, расположенной на внутренней стороне крыши втулки. При разливке, когда втулка заполнена расплавленным металлом, кромка клина Вильямса обеспечивает атмосферное прокалывание поверхности расплавленного металла и сбрасывает вакуум, возникающий внутри прибыли, обеспечивая более упорядоченную подпитку.
Втулка прибыли по настоящему решению может содержать или быть выполнена из любого подходящего огнеупорного изолирующего и/или экзотермического материала или композиции, из которых можно формовать известные прибыли, и специалист может подобрать подходящие материалы для каждой конкретной задачи. Характер материала втулки прибыли конкретно не ограничен и может быть, например, изолирующим, экзотермическим или тем и другим одновременно. Способ изготовления также конкретно не ограничен и может быть процессом вакуумного формования или способом пескоструйной набивки. Типично втулку прибыли изготавливают из смеси огнеупорных наполнителей низкой и высокой плотности (напр., кремнистого песка, оливина, алюмосиликатных полых микросфер и волокон, шамота, глинозема, пемзы, перлита, вермикулита) и связующих. Экзотермическая втулка далее требует топлива (обычно алюминия или алюминиевый сплав), окислителя (обычно оксид железа, двуокись марганца или нитрат калия) и обычно инициаторов/сенсибилизаторов (обычно криолит).
Втулку прибыли можно формовать любым из известных способов формования прибылей, например вакуумным формованием пульпы материала втулки вокруг модели и внутри внешней формы, после чего втулку нагревают для удаления воды и для отвердения или сушки материала. Альтернативно втулку прибыли можно формовать путем набивки или вдувания материала в стержневой ящик (способ пескоструйной набивки) и отверждения втулки пропусканием реакционного газа или катализатора сквозь втулку для твердения связующего, или с помощью теплоты, применяя нагреваемый стержневой ящик, или путем извлечения втулки и нагревания ее в печи. Подходящие для прибыли композиции включают, например, композиции, продаваемые компанией Foseco под торговым наименованием KALMIN и KALMINEX, которые пригодны и для приготовления пульпы, и для пескоструйной набивки.
3
3
3
3
3
Плотность втулки прибыли зависит и от композиции, и от способа ее изготовления. В некоторых вариантах плотность прибыли не превышает 1,5 г/см, не превышает 1,0 г/см или не превышает 0,7 г/см. В некоторых вариантах плотность прибыли составляет от 0,8 до 1,0 г/см или от 0,5 до 0,7 г/см.
Стержень-перемычка предназначен для уменьшения площади контакта прибыли с отливкой, и, типично, он может быть основан на глиноземе или, иногда, на хромитовой формовочной смеси, создаваемой путем вдувания песка, покрытого новолачной фенолформальдегидной смолой, в нагретый стержневой ящик, позволяющей смоле расплавиться и затем затвердеть (процесс Кронинга). Альтернативно стержень-перемычку можно изготовить из высокоогнеупорного керамического материала или деформируемого металла, такого как стальная пластина.
Толщина стержня-перемычки частично зависит от размера прибыли, и типичный стержень-перемычка из формовочной смеси имеет толщину 8-15 мм, а более прочный керамический стержень-перемычка типично имеет толщину 5-10 мм. Стержень-перемычка устанавливается на втулку прибыли и крепится клеем, типично термоклеем.
В стержне-перемычке имеется отверстие (сквозной канал), который в некоторых вариантах расположен рядом с основанием питающей системы. Отверстие создает проход для расплавленного металла из полости питающей системы в полость литейной формы для подпитки отливки по мере ее остывания и усадки. Положение и размер отверстия можно выбирать в соответствии с геометрией отливки и требованиями подпитки. Отверстие может быть расположено обращенным к или рядом с основанием питающей системы так, чтобы расплавленный металл мог течь в полость литейной формы под действием силы тяжести. В некоторых вариантах отверстие расположено центрально на продольной оси стержня-перемычки. Альтернативно, отверстие может быть смещено по вертикали (вправо или влево) относительно продольной оси стержня-перемычки. Следует понимать, что, по существу, желательно создать максимально возможную высоту металла для подпитки, чтобы отверстие было расположено как можно ниже в стержне-перемычке. Это также минимизирует резервуар неиспользуемого металла под отверстием.
Диаметр отверстия можно сравнить с максимальным диаметром полости (оба измеряются в плоскости, перпендикулярной продольной оси питающей системы). В одном варианте диаметр отверстия не превышает 40, 30, 20, 15 или 10% максимального диаметра полости.
Стержень-перемычка может образовать полную стенку питающей системы так, что максимальная высота стержня-перемычки равна максимальной высоте втулки прибыли.
В некоторых вариантах питающая система имеет длину А, измеренную от торца стержня-перемычки для задней секции, расположенной напротив стержня перемычки, и между двумя боковыми секциями, при этом длина измеряется до максимальной точки кривизны, при этом задняя секция изогнута или имеет D-образную форму, и ширину, измеряемую снаружи между двумя боковыми секциями прибыли и составляющую от 0,4×А до 2×А. В некоторых вариантах питающая система имеет максимальную высоту от 1×А до 3×А, в зависимости от размера отливки и требований к прибыли, что типично составляет от 8 см до 25 см или более.
Способ подготовки горизонтально разделенной литейной формы для литья металла может содержать этапы, на которых:
берут модельную доску с установленной литейной моделью для определения верхней части (верхней полуформы) требуемой литейной полости, имеющую по меньшей мере одну горизонтальную плоскую поверхность, примыкающую к вертикальной поверхности модели;
помещают питающую систему по первому аспекту настоящего решения на эту горизонтальную поверхность так, чтобы по меньшей мере часть стержня-перемычки с отверстием находилась заподлицо с вертикальной поверхностью модели;
окружают модель и питающую систему формовочной смесью;
уплотняют формовочную смесь;
удаляют модель и модельную доску из уплотненной формовочной смеси для получения верхней полуформы;
готовят нижнюю полуформу так же, как и верхнюю полуформу, без применения питающей системы и
помещают верхнюю полуформу на нижнюю полуформу для литья.
Следовательно, понятно, что литейная форма имеет горизонтальное разделение.
При использовании питающую систему помещают рядом с моделью на горизонтальной поверхности. Плоское основание питающей системы позволяет ей быть самоподдерживающейся, поэтому никаких дополнительных поддерживающих структур не требуется и под питающей системой нет формовочной смеси. Удаление модельной доски и модели из уплотненной формовочной смеси оставляет литейную полость, имеющую форму, являющуюся обратной форме модели, с питающей системой, встроенной в формовочную смесь. Поскольку стержень-перемычка, по существу, является плоским, во время подготовки литейной формы он опирается на модель, и, после извлечения модели, отверстие стержня-перемычки находится в непосредственном контакте с литейной полостью. Уменьшение расстояния между полостью питающей системы и литейной полостью позволяет уменьшить отходы металла после удаления питающей системы из готовой отливки.
Формовочной смесью может быть формовочный песок. Как хорошо известно в этой области техники, формовочный песок можно классифицировать на две основные категории: химически связываемый (на основе органических или неорганических связующих) и с глиной в качестве связующего. Связующим в химически связанном формовочном песке типично являются самотвердеющие системы, в которых связующее и химический отвердитель смешивают с песком и связующее и отвердитель немедленно вступают в реакцию, но достаточно медленную, чтобы придать форму песку вокруг модельной доски, и затем смеси дают отвердеть в достаточной степени, чтобы извлечь модель и осуществить литье. В формовочных системах на основе глины в качестве связующего применяются глина и вода, и их можно применять в "сыром" или невысушенном состоянии, и эту формовочную смесь часто называют "сырой". Сырые формовочные смеси не обладают высокой текучестью и с трудом сдвигаются при сжатии, и, поэтому, для уплотнения сырой формовочной смеси вокруг модели и для придания литейной форме достаточной прочности применяют различные комбинации встряхивания, вибраций, сжатия и набивки для высокопроизводительного получения литейных форм с равномерной прочностью.
Практика формования хорошо известна и описана, например, в главах 12 и 13 издания Foseco Ferrous Foundryman's Hanbook (ISBN 075064284 Х). Типичным процессом, известным как процесс холодного твердения, является смешивание песка с жидкой смолой или силикатным связующим вместе с соответствующим катализатором, обычно в миксере непрерывного действия. Песчаную смесь затем уплотняют вокруг модели с помощью комбинации вибраций и набивки, после чего дают отстояться, и в это время катализатор вступает в реакцию со связующим, что приводит к отвердению формовочной смеси. Когда литейная форма приобретет прочность, позволяющую манипулировать ею, ее снимают с модели, и процесс твердения продолжается, пока не закончится химическая реакция.
Формовочная смесь может быть песком, связанным процессом холодного твердения с применением жидкого связующего, такого как фурановая или фенольная смола, отверждаемая кислотой, или щелочное фенольное или силикатное связующее, отверждаемое эфиром с соответствующим катализатором. Альтернативно, формовочной смесью является песок, связанный глиной (сырая формовочная смесь), содержащей смесь глины, такой как натриевый или кальциевый бентонит, воды и других добавок, таких как угольная пыль и связующее на основе крахмала.
Далее следует описание вариантов настоящего, решения приведенных только как пример, со ссылками на приложенные чертежи, где:
фиг. 1 - вид в перспективе питающей системы по варианту настоящего решения.
фиг. 2 - вид сзади в перспективе питающей системы по другому варианту настоящего решения.
фиг. 3 - схематическая диаграмма питающей системы по варианту настоящего решения.
фиг. 4а - питающая система по настоящему решению, применяемая в процессе подготовки литейной формы.
фиг. 4b - питающая система по настоящему решению, применяемая в процессе отливки металлического изделия.
На фиг. 1 показана питающая система 100 по первому аспекту настоящего решения, содержащая втулку 102 прибыли и стержень-перемычку 104. Втулка 102 прибыли содержит плоское основание 106, крышу 108, расположенную над основанием 106, и боковую стенку 110, проходящую между крышей 108 и основанием 106.
Боковая стенка 110 втулки 102 прибыли проходит вокруг периферии основания 106 и является прерывистой так, чтобы втулка 102 прибыли была открыта с одной стороны. Основание 106 является, по существу, прямоугольным или квадратным. Крыша 108 является изогнутой и выпуклой. В других вариантах (не показаны) крыша 108 может быть плоской, наклонной, куполообразной, иметь частично форму купола, купола с плоской вершиной или любую другую подходящую форму.
Боковая стенка 110 проходит вокруг трех сторон основания 106. Боковая стенка 110 содержит две противоположные боковые секции 112 и заднюю секцию (не видна), проходящую между боковыми секциями 112, при этом задняя секция расположена напротив открытой стороны втулки 102 прибыли. Боковые секции 112 и задняя секция и крыша выполнены за одно целое. В других вариантах боковая стенка 110 может состоять из трех отдельных секций, соединенных друг с другом кромками, и/или боковая стенка 110 и крыша 108 могут быть разделяемыми, и в этом случае крыша 108 имеет форму крышки.
Стержень-перемычка 104 выполнен, по существу, плоским и установлен на клее на втулке 102 прибыли так, чтобы стержень-перемычка 104 образовал четвертую сторону втулки 102 прибыли. Стержень-перемычка 104 установлен напротив задней секции боковой стенки 110 и проходит между основанием 106 и крышей 108 втулки 102 прибыли. Максимальная высота стержня-перемычки 104 равна максимальной высоте втулки 102 прибыли так, что стержень-перемычка 104 и втулка 102 прибыли полностью охватывают полость в питающей системе 100. Нижние углы 116 между боковой стенкой 110 и основанием 106 питающей системы 100 или между боковой стенкой 110, стержнем-перемычкой 104 и основанием 106 являются прямыми или немного скошенными.
Стержень-перемычка 104 имеет отверстие 118, расположенное рядом с основанием 106 питающей системы 100. Отверстие 118 смещено относительно продольной оси стержня-перемычки 104. В других вариантах отверстие 118 может быть расположено центрально на продольной оси стержня-перемычки 104.
Втулка 102 прибыли может быть выполнена из любого подходящего огнеупорного изолирующего материала и/или экзотермического материала. Стержень-перемычка 104 может быть выполнен из любого подходящего высокоогнеупорного материала, такого как связанный кремнистый песок.
На фиг. 2 показан альтернативный вариант питающей системы 200, по существу, такой же, как показана на фиг. 1, но имеющей D-образное сечение. Основание 202 питающей системы 202 имеет, по существу, D-образную форму. Задняя секция 204 боковой стенки 206, расположенная напротив стержня-перемычки 206, изогнута, является выпуклой и содержит расположенную центрально вогнутую канавку 212. Крыша 210 питающей системы 200 имеет частично куполообразную форму. Боковая стенка 206 и крыша 210 сформованы интегрально.
На фиг. 3 показана схематическая диаграмма питающей системы по первому аспекту решения. В некоторых вариантах питающая система имеет длину (L), равную А, измеренную снаружи от торца стержня-перемычки до задней секции, расположенной напротив стержня перемычки, и между двумя боковыми секциями, при этом длина измеряется до максимальной точки кривизны, где задняя секция изогнута или имеет D-образную форму, и ширину (W), измеренную снаружи между двумя боковыми секциями прибыли и имеющую величину от 0,4×А до 2×А. В некоторых вариантах питающая система имеет максимальную высоту от 1×А до 3×А, в зависимости от размера отливки и требований к втулке, что типично составляет от 8 см до 25 см или более.
На фиг. 4а показана половина узла литейной формы, содержащая две питающих системы 100 по первому аспекту решения, и модель 402, при этом питающая система 100 и модель 402 установлены на горизонтальной модельной доске 404. Основание 106 питающей системы 100 плоско опирается на горизонтальную плоскую поверхности модельной доски 404. Стержень-перемычка 104 питающей системы 100 примыкает к модели 402 так, что по меньшей мере часть стержня-перемычки 104, содержащая отверстие 118, примыкает и находится в непосредственном контакте с вертикальной поверхностью модели 402. На одной или более горизонтальной поверхности модели 402 также может быть установлена одна или более верхняя питающая система (не показана).
Во время процесса подготовки литейной формы для металлической отливки модель 402 и питающую систему 100 окружают формовочной смесью 408. Формовочную смесь 408 уплотняют и отверждают вокруг модели 402 и питающей системы 100. Модельная доска 404 и модель 402 извлекают из уплотненной формовочной смеси 408, оставляя полость 410а полуформы (см. фиг. 4b), которая имеет форму, обратную форме модели 402, а питающие системы 100 остаются внедренными в уплотненную формовочную смесь 408.
На фиг. 4b показана литейная форма 412, собранная и готовая к литью. Форма 412 содержит верхнюю полуформу 414а, сформованную из узла, показанного на фиг. 4а, и нижнюю полуформу 414b, сформованную таким же способом, но без питающей системы. В верхней полуформе 414а и в нижней полуформе 414b сформированы стояк 416, система 418 литниковых каналов и впускные литники 420. Полости 410а и 410b полуформ образуют полость литейной формы, где линия Х-Х представляет горизонтальную разделяющую плоскость литейной формы. Стержень-перемычка 104 питающей системы 100 находится в непосредственном сообщении с полостью литейной формы.
В процессе литья металла расплавленный металл заливают в форму 412 через стояк 416, по системе 418 литниковых каналов и впускных литников 420. Затем расплавленный металл заполняет форму или литейную полость 410 и попадает в питающую систему 100 через отверстие 118 в стержне-перемычке 104. Когда металл в литейной полости 410 кристаллизуется и дает усадку, расплавленный металл, находящийся во втулке 102 прибыли, течет обратно в литейную полость 410 через отверстие 418, компенсируя усадку и обеспечивая полное заполнение полости 410 металлом после его охлаждения. Положение отверстия 118 в стержне-перемычке 104 рядом с основанием 106 втулки 102 прибыли позволяет запасти во втулке 102 прибыли большой уровень металла над отверстием 118. Напор металла над отверстием 118 генерирует достаточное статическое давление металла, позволяющее расплавленному металлу течь в литейную полость 410, когда отливка кристаллизуется. Положение отверстия 118 рядом с основанием 106 также минимизирует резервуар неиспользуемого металла под отверстием 118, что позволяет уменьшить отходы.