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

Полезная модель относится к области металлургии и литейного производства, а именно к установкам для исследования свойств литейных сплавов, песчаных формовочных материалов и может быть использована для определения параметров силового взаимодействия металла отливки с формовочным материалом при затвердевании отливки.
Известно устройство по патенту РФ №69071. МПК С22С 1/02, опубл. 10.12.2007, содержащее датчик измерения температуры, блок измерения усадки, аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ блок измерения термоэдс, состоящий из двух металлических электродов, погруженных в расплав, и программного обеспечения, позволяющего интерпретировать полученные данные в ЭВМ. Недостатком данного устройства является невозможность измерения параметров силового взаимодействия между металлом затвердевающей отливки и материалом формы при усадке отливки.
Известно устройство по патенту по патенту РФ №88353, МПК С22С 1/02, опубл. 29.06.2009, содержащее основание и металлическую опоку, в полость песчано-глинистой формы которой заливается расплав. Для измерения изменения размеров отливки (усадки) при ее кристаллизации устройство снабжено тягой, пластиной и датчиком малых перемещений. Хромель-алюмелевая термопара позволяет измерять термические характеристики расплава. Электрические сигналы от хромель-алюмелевой термопары и датчика малых перемещений поступают в аналого-цифровой преобразователь, обрабатываются и передаются в ЭВМ. Устройство позволяет оценивать структурные изменения в процессе кристаллизации и усадки сплавов, обусловленные воздействием различных технологических факторов, но при этом оно не учитывает силовое взаимодействие между металлом отливки и материалом формы.
Из известных решений наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является устройство по патенту РФ на полезную модель №171198, МПК С22С 1/02 (2006.01), опубл. 23.05.2017, содержащее основание, на котором установлены две металлические опоки, заполненные песчаной формовочной смесью, в верхней из которых выполнен литниковый канал, а в нижней - первая полость для металлической отливки, и измерительные устройства для измерения температуры металлической отливки в виде установленной в полости песчаной формы термопары и для измерения усилия усадки металлической отливки, выходы которых подключены к аналого-цифровому преобразователю, встроенному в персональный компьютер. В песчаной форме нижней опоки выполнена вторая полость - для второй металлической отливки, идентичная первой полости, при этом в нижней опоке установлены две пары захватов, выполненные с возможностью двустороннего захвата каждой металлической отливки, при этом два захвата с одной стороны полостей закреплены на опоке неподвижно, а вторые два захвата с противоположной стороны полостей - с возможностью осевого перемещения, при этом установка снабжена дополнительным измерительным устройством для измерения усилия усадки второй металлической отливки, выход которого подключен к упомянутому аналого-цифровому преобразователю.
Недостатком данного устройства является то, что при перемещении подвижных захватов в осевом направлении усадки затвердевающего металла они упираются в формовочную смесь, сжимая ее. При этом возникают дополнительные силы сопротивления со стороны формы, которые искажают измерения силовых и деформационных характеристик силового взаимодействия (торможения усадки) металла отливки с материалом формы при затвердевании отливки.
Предлагаемая полезная модель позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат, который заключается в повышении точности измерения исследуемых силовых и деформационных процессов взаимодействия затвердевающего металла отливки с материалом песчаной литейной формы за счет исключения лобовых сил сопротивления (сжатия) со стороны формовочного материала.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: в установке для исследования силового взаимодействия металла отливки с материалом формы при затвердевании отливки, содержащей также как и прототип, основание, на котором установлены две металлические опоки, заполненные песчаной формовочной смесью, в верхней из которых выполнен литниковый канал, а в нижней - две полости для двух идентичных металлических отливок, размещенные в песчаной форме нижней опоки устройства для измерения температуры металлических отливок и для измерения усилия усадки отливок, при этом в нижней опоке установлены по две пары подвижных и неподвижных захватов для каждой отливки, из которых неподвижные захваты закреплены на опоке с одной стороны полостей, а подвижные - установлены с возможностью осевого перемещения с противоположной стороны этих полостей, в отличие от прототипа в полостях нижней опоки между песчаной формовочной смесью и подвижными захватами зафиксированы демпфирующие вставки из легко деформируемого материала, толщина которых составляет 0,07-0,1 длины рабочей части металлических отливок. При этом демпфирующие вставки могут быть выполнены из асбестовой крошки и прикреплены, например, с помощью клея к опорной поверхности подвижных захватов.
Сущность полезной модели состоит в возможности экспериментального определения силовых и деформационных характеристик взаимодействия металла затвердевающей отливки и материала формы. Причем измерения, как линейного размера усадки, так и усилия усадки выполняются одновременно на двух однотипных образцах, расположенных в идентичных полостях одной литейной формы, заливаемой из одной плавки, что обеспечивает достоверность проводимых исследований. Кроме того, предлагаемое решение позволяет дополнительно изучать свойства силового сопротивления песчаной литейной формы при ее линейном сжатии в условиях давления на нее опорной плоскости подвижного захвата, что в свою очередь позволяет получить экспериментальную зависимость упругих свойств формы при сжатии в зависимости от ее плотности, которая в реальных условиях производства может сильно варьироваться. В результате появляется новая возможность объективного сравнения картины силового взаимодействия металла отливки с материалом формы во время затвердевания отливки при различных условиях торможения усадки металла со стороны формы, в т.ч. как в направлении усадки, так и в перпендикулярном направлении, что расширяет область использования установки. Фиксируемые кинетические зависимости деформации и усилия в экспериментальных отливках от температуры металла или температуры формы теперь не будут включать в себя усилия от сжатия материала формы подвижным захватом.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - повышение точности измерения исследуемых силовых и деформационных процессов взаимодействия затвердевающего металла отливки с материалом песчаной литейной формы решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведено схематическое изображение заявляемой установки:
на фиг. 1 - вид сверху,
на фиг. 2 - вид сбоку.
Разработанная установка содержит сварное основание из двутавровых балок 1, на котором крепятся нижняя опока 2 и верхняя опока 3 с помощью двух центрующих штифтов 4. Исследуемые отливки (образцы) 5 расположенные в нижней опоке 2, заполненной песчаной формовочной смесью 6, где также расположены четыре силовых захвата 7 с обоих концов каждой отливки. Подвижность и центровку силовых захватов обеспечивают направляющие цилиндрические втулки 8. запрессованные в нижнюю опоку 2. Единая литниково-питающая система и прибыль для питания двух экспериментальных отливок расположена в песчаной форме верхней опоки 3. Силовые захваты 7 с одной стороны отливок неподвижно крепятся клиновыми штифтами в опорных кронштейнах 9. тем самым предотвращается возможность линейного перемещения экспериментальных образцов с указанной стороны. С другой стороны захваты служат: один - для измерения свободного перемещения конца экспериментального образца путем контроля расстояния ультразвуковым бесконтактным датчиком 10, второй - через кольцевой тензорезистивный динамометр 11 для определения усилия, возникающего при затвердевании отливки. Две термопары 12 и 13 осуществляют измерение температуры затвердевающего металла и формовочного материала. Персональный компьютер 14 со встроенным аналого-цифровым преобразователем электрических сигналов соединен с измерительными датчиками установки кабелями 15, что позволяет регистрировать все измеряемые параметры в режиме реального времени. Регулятор предварительного натяжения 16 - для выбирания слабины тензорезистивного динамометра 11 выполнен по схеме болт-гайка. Отражающий экран 17 - для бесконтактного измерения линейной усадки отливки (образца) 5 выполнен в виде пластины, жестко соединенной с подвижным захватом 7. Для предотвращения сопротивления перемещению подвижных захватов 7 в направлении усадки отливок со стороны песчаной формовочной смеси в нее установлены 2 лег к деформируемые вставки 18 из асбестовой крошки. Толщина А вставок 18 выбирается равной 0,07-0,1 длины рабочей части отливки L, исходя из условия возможной максимальной линейной усадки отливки (образца), составляющей 7 10% ее длины. Например, для длины рабочей части исследуемого образца 400 мм толщина вставки выбирается 40 мм.
Установка работает следующим образом.
Нижняя опока 2 с установленными захватами 7, которые центруются в опоке посредством запрессованных втулок 8. заполняется песчаной формовочной смесью, при этом образуется литейная форма 6 с полостью для двух экспериментальных металлических отливок 5. Дополнительно в форму 6 устанавливаются две термопары 12 и 13, одна для измерения температуры затвердевающей отливки в ее рабочей части, вторая для измерения температуры прогрева формы (на заданном расстоянии от отливки). Верхняя опока 3 также заполняется песчаной формовочной смесью 6 с образованием литниково-питающей системы для заливки экспериментальных образцов (отливок). Далее производится сборка двух опок 2 и 3 на сварном двутавровом основании 1 и их крепление направляющими штифтами 4. Силовые захваты 7 с одной стороны фиксируются в опорных кронштейнах 9 клиньями для предотвращения линейного перемещения экспериментальных образцов при усадке во время затвердевания, с противоположной стороны один захват шарнирно соединен с кольцевым тензорезистивным динамометром 11, свободное перемещение (слабина) которого при сборке выбирается регулятором натяжения 16. Второй захват 7 на втором образце 5 (отливке) может свободно линейно перемещаться в направляющей втулке 8 по направлению действия свободной усадки образца, при этом будет свободно деформироваться вставка 18, т.к. лобовое сопротивление со стороны литейной формы отсутствует. Линейное перемещение захвата 7 измеряется по бесконтактной схеме, предотвращающей влияние трения за счет использования компактного ультразвукового дальномера 10 и отражающего экрана 17, соединенного с захватом 7. После сборки установки и проверки измерительных приборов производится заливка экспериментальных образцов жидким металлом. По мере затвердевания отливок 5 происходит их температурная усадка, один из образцов сокращается свободно, а его линейное перемещение фиксируется ультразвуковым дальномером 10. Усадку второго образца сдерживает кольцевой тензометрический динамометр 11, который измеряет усилие усадки в затвердевающем образце. Информация с измерительных устройств - 10, 11, 12, 13 через электрические кабели 15 поступает в персональный компьютер 14, который имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь для хранения и дальнейшей математической обработки электрических сигналов.
Предлагаемое устройство было разработано специалистами кафедры «Основ инженерного проектирования» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и кафедры «Материалы, технологии и оборудование литейного производства» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» в составе научно-исследовательских работ кафедр. Были произведены лабораторные испытания установки, показавшие возможность достаточно точно оценивать с ее помощью структурные изменения в процессе кристаллизации и усадки сплавов, обусловленные воздействием различных технологических факторов, в том числе силового взаимодействия между металлом отливки и материалом формы. В результате экспериментальных исследований были получены совмещенные кинетические зависимости изменения температуры металла, температуры материала формы, свободной линейной усадки, а за счет исключения сил лобового сопротивления со стороны литейной формы к опорной плоскости отливки были уточнены усилия в затвердевающей отливке, возникающие при торможении усадки.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «промышленная применимость».