ЛИТЕЙНЫЙ МАГНИТНЫЙ СТЕРЖЕНЬ
CASTING MAGNETIC ROD

Изобретение относится преимущественно к литейному производству, в частности к конструкциям литейных стержней из намагничивающихся сыпучих формовочных материалов, упрочняемых воздействием магнитного поля.
3
Известен литейный магнитный стержень, содержащий источник магнитного поля в виде намагниченного магнитотвердого сердечника со знаковыми частями, упрочненный слой намагничивающегося формовочного материала вокруг сердечника и съемный ферромагнитный кожух-экран с продольными разрезами вокруг слоя (авторское свидетельство SU 900962, М.кл. B22D 15/00, 1982 г.).
Основные недостатки стержня:
- ограниченные технологические возможности и область применения, так как стержень может быть использован в основном для формирования цилиндрических полостей отливок;
- пониженные газопроницаемость и податливость из-за наличия кожуха, что увеличивает брак по газовым раковинам и трещинам;
- повышенная трудоемкость удаления стержня из отливки из-за наличия кожуха и магнитотвердого сердечника.
3
Известен литейный магнитный стержень, содержащий упрочненный слой намагничивающегося формовочного материала, несколько электрических катушек внутри этого слоя, один магнитомягкий сердечник внутри всех катушек, средние и крайние магнитомягкие полюсные наконечники, расположенные внутри слоя формовочного материала у торцов каждой катушки, и по меньшей мере одну знаковую часть (знак), являющуюся продолжением сердечника. Катушки и сердечник образуют многополюсную электромагнитную систему, а совместно с полюсными наконечниками - многополюсное намагничивающее устройство (НУ). Круглые поверхности крайних полюсных наконечников выполнены со скосами, то есть конусными, обращенными к катушке, и покрыты слоем формовочного материала, их диаметр меньше внешнего диаметра слоя, а сами наконечники размещены в полости отливки у ее торцов. Наличие слоя вокруг полюсных наконечников позволяет извлекать НУ из полости отливки (авторское свидетельство SU 1766585 (фиг.4, 5), М.кл. B22C 9/00, B22D 15/00, 1990 г.).
Основные недостатки литейного магнитного стержня:
- ограниченная область применения из-за отсутствия возможности изготовления других видов стержней с использованием одной и той же электромагнитной системы;
- появление специфических разрушений в виде флоккул намагниченных частиц на поверхности слоя возле конической поверхности (скоса) крайнего наконечника при несоблюдении необходимых угла его наклона, толщин наконечника и слоя, которые подбирают опытным путем из-за отсутствия научно обоснованных метода расчета и рекомендаций. Это увеличивает трудоемкость и затраты на изготовление стержня, особенно некруглого (например, многогранного с различными гранями) поперечного сечения;
- повышенные стоимость стержня, трудоемкость изготовления, габариты и расход материала из-за наличия специально выполненных знаков, нескольких средних полюсных наконечников и катушек;
- повышенные стоимость и трудоемкость изготовления отливки, получаемой с использованием этого стержня;
- возможное заклинивание наконечника в полости отливки при малой толщине слоя вокруг него из-за обжима при усадке отливки и связанная с этим повышенная трудоемкость извлечения НУ из отливки;
- пониженная податливость слоя формовочного материала вокруг неподатливых крайнего и средних полюсных наконечников из-за меньшей толщины и большей прочности этого слоя по сравнению с другими его участками, что затрудняет усадку отливки и может увеличить брак по трещинам.
5
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному изобретению (прототипом) является литейный магнитный стержень, содержащий упрочненный слой намагничивающегося формовочного материала, электрическую катушку внутри этого слоя, магнитомягкий сердечник внутри катушки, крайние магнитомягкие полюсные наконечники, расположенные внутри слоя формовочного материала у торцов катушки, и по меньшей мере одну знаковую часть (знак), являющуюся продолжением сердечника. Катушка и сердечник образуют двухполюсную электромагнитную систему, а совместно с полюсными наконечниками - двухполюсное намагничивающее устройство (НУ). Круглые поверхности крайних полюсных наконечников выполнены со скосами (конусными), обращенными к катушке, и покрыты слоем формовочного материала, их диаметр меньше внешнего диаметра слоя, а сами наконечники размещены в полости отливки у ее торцов. Наличие такого слоя позволяет извлечь НУ из полости отливки (авторское свидетельство SU 1766585 (фиг.3), М.кл. B22C 9/00, B22D 15/00, 1990 г.).
Основные недостатки вышеописанного стержня:
- ограниченная область применения из-за отсутствия возможности изготовления других видов стержней с использованием одной и той же электромагнитной системы;
- появление специфических разрушений в виде флоккул намагниченных частиц на поверхности слоя возле конической поверхности (скоса) крайнего наконечника при несоблюдении необходимых угла его наклона, толщин наконечника и слоя, которые подбирают опытным путем из-за отсутствия научно обоснованных метода расчета и рекомендаций. Это увеличивает трудоемкость и затраты на изготовление стержня, особенно некруглого (например, многогранного с различными гранями) поперечного сечения;
- повышенные стоимость стержня, трудоемкость изготовления, габариты и расход материала из-за наличия специально выполненных знаков;
- повышенные стоимость и трудоемкость изготовления отливки, получаемой с использованием этого стержня;
- возможное заклинивание наконечника в полости отливки при малой толщине слоя вокруг него из-за обжима при усадке отливки и связанная с этим повышенная трудоемкость извлечения НУ из отливки;
- пониженная податливость слоя формовочного материала вокруг неподатливого крайнего полюсного наконечника из-за его меньшей толщины и большей прочности по сравнению с другими его участками, что затрудняет усадку отливки и может увеличить брак по трещинам.
Задачей, решаемой изобретением, является расширение области применения, снижение стоимости и трудоемкости изготовления литейного магнитного стержня и отливки, получаемой с использованием предложенного стержня, повышение податливости.
Для решения этой задачи в литейном магнитном стержне, содержащем упрочненный слой намагничивающегося формовочного материала, электрическую катушку, сердечник, крайние полюсные наконечники и знаковую часть, согласно изобретению полюсные наконечники расположены в знаковой части и выполнены быстрозаменяемыми, а между наконечниками в слое формовочного материала размещены один или несколько локальных усилителей магнитной индукции с возможностью частичного или полного охвата катушки.
Локальный усилитель магнитной индукции может быть выполнен в виде кольца.
Локальный усилитель магнитной индукции может быть выполнен в виде разрезного кольца или полукольца.
Локальный усилитель магнитной индукции может быть выполнен проволочным в виде клетки или «беличьего» колеса.
Локальный усилитель магнитной индукции может быть выполнен в виде втулочно-роликовой цепи.
Минимальная толщина h полюсного наконечника выбрана в соответствии с соотношением:
где d - диаметр круглого сердечника.
Кроме того, образующая поверхность полюсных наконечников выполнена цилиндрической.
Кроме того, полюсные наконечники выполнены с диаметром не менее диаметра окружности, описанной вокруг поперечного сечения слоя материала в месте его контакта с наконечником.
В полюсных наконечниках со стороны торцов могут быть выполнены глухие отверстия для переноса намагничивающего устройства и стержня.
По меньшей мере один из полюсных наконечников может быть выполнен с таким же сечением, что и слой на границе их соприкосновения.
Полюсные наконечники могут быть выполнены с диаметром не менее диаметра окружности, описанной вокруг поперечного сечения отливки в месте ее контакта с наконечником.
Кроме того, стержень дополнительно снабжен быстросъемным крепежным элементом полюсного наконечника к сердечнику.
Кроме того, по меньшей мере один из полюсных наконечников имеет поперечные размеры меньше, чем соответствующие размеры отливки.
На фиг.1 изображен литейный магнитный стержень с локальными усилителями в виде кольца, разрезного кольца и «беличьего» колеса и с быстросъемным наконечником, имеющим размеры меньше размеров полости отливки, установленный в литейной форме с горизонтальным разъемом, продольный разрез; на фиг.2 - стержень прямоугольного сечения с локальным усилителем в виде клетки из проволоки и с круглыми наконечниками, диаметр которых превышает поперечный размер стержня и отливки.
Литейный магнитный стержень круглого и любого некруглого поперечного сечения, например овального, прямоугольного, трех-, пяти-, шести, семигранного и т.п., содержит упрочненный слой 1 намагниченного формовочного материала, электрическую катушку 2, сердечник 3, крайние полюсные наконечники 4 и 5 круглого или некруглого поперечного сечения с цилиндрической, конусной или многогранной образующей поверхностью, один или несколько локальных усилителей 6 магнитной индукции, быстросъемный элемент 7 крепления полюсного наконечника к сердечнику. Полюсные наконечники 4 и 5 расположены в знаковой части и выполнены быстрозаменяемыми. Усилители 6 магнитной индукции, по меньшей мере один, размещены между полюсными наконечниками 4 и 5 в слое 1 намагниченного формовочного материала и изготовлены конструктивно податливыми из магнитомягкого материала. Катушка 2 и сердечник 3 образуют двухполюсную электромагнитную систему, а совместно с полюсными наконечниками - двухполюсное НУ.
Полюсные наконечники 4 и 5 выполнены отдельно от сердечника 3 для обеспечения быстрого съема и замены, но их положение относительно сердечника 3 зафиксировано с помощью штифтов или креплением их к сердечнику 3 известным образом, например крепежным элементом 7 в виде разрезного штифта или винта с короткой резьбой и большим шагом. Такая фиксация предотвращает взаимное смещение электромагнитной системы относительно наконечников 4 и 5 во время заполнения и уплотнения формовочного материала. Крепежный элемент 7 может быть снабжен собственным захватным приспособлением 8, выполненным в виде кольца или крючка, для переноса НУ и стержня в горизонтальном и вертикальном положениях, особенно при извлечении НУ из полости отливки.
Для подвода электричества через наконечник 4 последний соединен, например, с изолированным проводником со штепсельным разъемом (на чертеже не показано).
В полюсных наконечниках 4 и 5 со стороны торцов могут быть выполнены глухие отверстия 9 для переноса в горизонтальном положении НУ и стержня с помощью внешнего приспособления (не показано) при размещении НУ в формообразующей оснастке, извлечении стержня из нее и установке в литейную форму 10.
Полюсные наконечники 4 и 5 одновременно выполняют функцию знаковой части (знака) полностью или в совокупности с некоторым участком слоя 1. Вынесение наконечников 4 и 5 за пределы отливки для размещения в знаковой части позволяет создать более равномерный по толщине и податливости слой 1, исключить заклинивание НУ в полости отливки и в совокупности с возможностью быстрого съема наконечника 5 беспрепятственно извлечь НУ из полости отливки.
Выполнение полюсных наконечников 4 и 5 цилиндрическими, а именно с цилиндрической образующей, позволяет исключить скосы в сторону слоя 1 и использовать цилиндрическую поверхность наконечников в качестве надежной опоры в знаковой части горизонтального стержня и формы 10.
Выполнение же полюсных наконечников 4 и 5 круглыми с диаметром не менее диаметра окружности, описанной вокруг некруглого сечения стержня, то есть вокруг поперечного сечения слоя материала в месте его контакта с наконечником, устраняет флоккулы намагниченных частиц на любой поверхности слоя возле наконечника. Кроме того, такое выполнение полюсных наконечников 4 и 5 позволяет изготовлять с помощью этого же НУ и другие стержни меньших поперечных размеров, то есть делает НУ универсальным для некоторой группы стержней.
Возможно выполнение полюсных наконечников 4 и 5 круглыми с диаметром не менее диаметра окружности, описанной вокруг поперечного сечения отливки в месте ее контакта с наконечником.
Полюсные наконечники 4 и 5 могут быть выполнены и некруглыми, по меньшей мере один из них, с таким же поперечным сечением, что и слой 1 на границе их соприкосновения.
По меньшей мере один из полюсных наконечников может иметь поперечные размеры меньше, чем соответствующие размеры отливки, для извлечения НУ из отливки без съема наконечника.
Предлагаемое соотношение (1) позволяет определить минимальную толщину h полюсного наконечника и избавиться от его последующей доработки.
Локальные усилители 6 магнитной индукции могут быть выполнены податливыми в виде колец, или разрезных колец, или полуколец, или клетки из проволоки, или «беличьих» колес, или отожженной втулочно-роликовой цепи с возможностью полного или частичного охвата катушки 2. Наружный поперечный размер усилителя 6 меньше соответствующего внутреннего размера полости отливки и наружного поперечного размера по меньшей мере одного наконечника. Рекомендуемая минимальная ширина усилителя 6 составляет 10-30 мм для стержней малого и среднего размеров. С увеличением размеров стержня она может быть также увеличена. Усилители 6 могут быть прикреплены к наружной поверхности катушки 2 хомутами, стяжками, клеем и т.п. Количество усилителей 6 определяется длиной стержня и требуемым эффектом.
Литейный магнитный стержень работает следующим образом.
После формирования наружной рабочей поверхности слоя 1 с помощью формообразующей оснастки и подачи на катушку 2 безопасного электрического постоянного напряжения до 110 В появляющееся поле с необходимой индукцией практически мгновенно намагничивает сердечник 3, полюсные наконечники 4 и 5, локальные усилители 6 магнитной индукции, слой 1 формовочного материала, частицы которого, сцепляясь между собой, образуют прочную систему. При этом быстросъемный полюсный наконечник 5 надежно примагничивается к сердечнику 3 и слою 1, что позволяет удалить его крепежный элемент 7, например крепежный винт, уже в оснастке или после извлечения из нее. Возможно удаление крепежного элемента 7 и после изготовления отливки.
Магнитный поток, создаваемый катушкой 2, усиливается сердечником 3, наконечниками 4 и 5, локальными усилителями 6 и материалом слоя 1 тем в большей степени, чем выше их магнитная проницаемость. На своем пути поток совершает повороты на 90° при переходах: сердечник - наконечник и наконечник - слой или наконечник - воздух межполюсного пространства при отсутствии слоя. В случае круглых сердечника, катушки и наконечника поток в любом поперечном сечении межполюсного пространства равномерен, а вектор индукции имеет одинаковое направление в любой точке воображаемой окружности на полюсной поверхности наконечника. Это создает условия для получения цилиндрической, овальной и многогранной наружной рабочей поверхности слоя 1 без флоккул после удаления стержня из оснастки. Поэтому диаметр наконечника 4 или 5 должен превышать наибольший поперечный размер стержня.
Усилитель 6, намагничиваясь, становится магнитом, который увеличивает значение магнитной индукции и примагничивает к себе частицы формовочного материала возле него и более надежно удерживает прилегающую к нему часть слоя 1. При этом появляется возможность изготовления с помощью той же электромагнитной системы стержня с большим поперечным сечением или уменьшить ток в катушке 2 и, соответственно, снизить расход электроэнергии до 25-30%. Применением более одного усилителя 6 этот эффект увеличивается, особенно при изготовлении длинного стержня.
При необходимости на рабочую поверхность стержня наносится известным образом быстросохнущее противопригарное покрытие, и он устанавливается в литейную форму 10, в которую заливается расплав. Стержень может устанавливаться вертикально или горизонтально с размещением полюсного наконечника-знака в ответном гнезде знаковой части формы 10, в том числе совместно с частью слоя 1. При вертикальной установке его опорной поверхностью является внешняя плоская поверхность наконечника, например наконечника 5, а при горизонтальной - часть цилиндрической образующей поверхности наконечника. Последний вариант установки применим для литейной формы, прочность которой больше давления на нее массы стержня. В этом случае круглая полюсная поверхность наконечника соприкасается с отливкой и формирует ее часть. Поэтому диаметр наконечника должен превышать наибольший поперечный размер отливки на границе их контакта (на фиг.2 контуры отливки показаны штрихпунктирной линией). Для формы с меньшей прочностью в ответных гнездах знаковых частей формы размещаются наконечники-знаки 4 и 5 совместно с часть слоя 1, что обеспечивает дополнительно опору стержня на форму и часть слоя 1 (фиг.1).
После объемного или поверхностного затвердевания отливки отключается питание катушки 2. Поле, намагничивание всех элементов стержня и притяжение быстросъемного наконечника 5 исчезают, слой 1 материала разупрочняется и вновь становится сыпучим и более податливым, чем упрочненный. Возможно постепенное уменьшение напряжения, индукции и прочности для необходимого управления податливостью и усадкой отливки. Поэтому брак по горячим трещинам уменьшается.
После удаления отливки из формы с помощью внешних захватных приспособлений (не показаны), входящих в отверстия 9, формовочный материал свободно высыпается из полости отливки, а НУ извлекается из нее, например, за приспособление 8 (в виде кольца или крючка), если быстросъемный полюсный наконечник 5 уже отделен от сердечника 3 или имеет размеры меньше соответствующих размеров полости отливки.
По сравнению с прототипом предложенное решение имеет следующие основные преимущества:
- расширяет область применения стержня и электромагнитной системы, повышая их универсальность, и позволяет с помощью одной универсальной электромагнитной системы и разных быстрозаменяемых наконечников изготовлять группу литейных стержней и отливок разных конфигурации и размеров поперечного сечения и длины (в определенном диапазоне) в соответствующей каждому виду стержня оснастке, что обеспечивает также снижение затрат времени и средств на подготовку производства и изготовление этой группы стержней разных видов. Эти возможности дополнительно расширяются при использовании локальных магнитных усилителей;
- устраняет появление специфических разрушений в виде флоккул намагниченных частиц на поверхности слоя возле крайнего наконечника, позволяет определить минимальную толщину h полюсного наконечника и избавиться от необходимости его последующей доработки. Это уменьшает трудоемкость и затраты на изготовление стержня, особенно некруглого поперечного сечения;
- уменьшает трудоемкость изготовления, габариты и расход материала устранением специально выполненных знаков;
- снижает трудоемкость удаления формовочного материала и НУ из полости отливки;
- повышает равномерность податливости рабочего слоя стержня путем размещения неподатливых полюсных наконечников в знаковой части стержня за пределами слоя формовочного материала и отливки;
- позволяет снизить мощность катушки, расход электроэнергии до 25-30% на упрочнение формовочного материала при дополнительном использовании локальных усилителей в случае изготовления одинаковых стержней.