Способ литья с кристаллизацией под давлением
Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья металлов и сплавов с кристаллизацией под давлением. После нанесения смазывающего материала на пресс-форму заливают расплав в матрицу и производят опускание пуансона. Формируют отливку под высоким давлением. После остановки пуансона в его каналы подают хладагент в виде водовоздушной смеси. Перед отводом пуансона понижают давление прессования ниже предела текучести сплава при сжатии для высоких температур. Это необходимо для создания условий роста линейной усадки, отливки и пуансона. При этом образуется зазор между пуансоном и отливкой, достаточный для подъема пуансона без разрушения поверхности отливки. Время выдержки и охлаждения отливки и пуансона в закрытой пресс-форме определяют по формуле, в которой учитывается наибольшая высота неровностей пуансона. После отвода пуансона в матрицу по периметру отливки подают смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ). Время подачи СОЖ определяют по формуле, учитывающей наибольшую высоту неровностей поверхности матрицы. Извлечение отливки происходит свободно без надиров на поверхности и газовой пористости. Обеспечивается высокое качество поверхности отливки, повышение производительности процесса. 1 ил.
Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья металлов и сплавов с кристаллизацией под давлением.
Известны способы охлаждения пресс-форм для литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД) водой с использованием каналов охлаждения. Известно устройство - пресс-форма для литья с кристаллизацией под давлением, патент RU N 2043854, B 22 D 18/02, реализующее способ охлаждения водой центральной вставки в матрице пресс-формы ЛКД, которое позволяет получить отливки без надиров на боковой поверхности отверстия за счет разности усадок охлаждаемой центральной вставки матрицы и отливки. Однако выполнение каналов охлаждения значительно ослабляет конструкцию матрицы пресс-формы, а при развитой поверхности и сложной геометрии вставок матрицы выполнить каналы охлаждения становится проблематично. Как показывает практика эксплуатации, внутренняя поверхность каналов охлаждения достаточно быстро покрывается слоем накипи, которая значительно снижает теплообмен при охлаждении водой, а максимальные температурные перепады, более 200oC, наблюдаемые на стенках формообразующих поверхностей пресс-формы при циклических тепловых нагрузках, приводят к разрушению пресс-формы. Известны способы ЛКД, в которых охлаждение пресс-форм производится напылением водой или нанесением водоэмульсионных смазочных материалов на рабочую поверхность. Они позволяют предохранить пресс-форму ЛКД от преждевременного разрушения за счет более мягкого режима охлаждения. Известен также способ литья с кристаллизацией под давлением алюминиевых сплавов, патент SU N 1787066, B 22 D 18/02, который позволяет получать отливки без надиров на боковой поверхности, формируемой матрицей, за счет разности усадок охлаждаемой отливки и матрицы. Этот способ является наиболее близким аналогом. В способе главное внимание обращено на время подачи смазочно-охлаждающей жидкости под давлением на поверхности отливки и матрицы после отвода пуансона, которое определяется из соотношения![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425632.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425633.gif)
Qв - количество воды, находящееся в секундном расходе сжатого воздуха, кг,
а подачу смазочно-охлаждающей жидкости после отвода пуансона осуществляют по периметру отливки в течение времени, определяемого из соотношения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425634.gif)
где Rмmax - наибольшая высота неровностей поверхности матрицы, м;
Rо - радиус отливки, м;
mо - масса отливки, кг;
Ко - коэффициент охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью материала отливки;
Qвр - количество воды, находящееся в секундном расходе смазочно-охлаждающей жидкости распылителя, кг;
nт - коэффициент фактического участия смазочно-охлаждающей жидкости в теплообмене, равный 0,5 - 0,6. По сравнению с аналогом предложенный способ отличается наличием следующих операций:
- охлаждение кристаллизующейся отливки через вертикальные каналы в центральной части пуансона хладагентом;
- понижение давления прессования по окончании затвердевания отливки в закрытой форме ниже
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425635.gif)
т. о. данное соотношение устанавливает зависимость между максимальной высотой неровностей поверхности пунсона, геометрическими размерами пуансона, охлаждающей способностью хладагента (например, воды) и его количеством в носителе - сжатом воздухе;
- подачу смазочно-охлаждающей жидкости на отливку по ее периметру, не охлаждая матрицу, в течение времени, определяемого из соотношения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425636.gif)
которое устанавливает зависимость между основными параметрами теплового обмена отливки при ее охлаждении СОЖ перед выталкиванием из матрицы, качеством боковой поверхности матрицы, массой отливки и ее характерным геометрическим размером, охлаждающей способностью СОЖ и количеством хладагента, участвующего в теплообмене. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого способа с другими известными авторам способами ЛКД позволяет сделать вывод о соответствии данного способа критерию "изобретательский уровень". Подтверждением этого является то, что заявляемый способ позволил разрешить техническое противоречие между необходимостью повышения производительности литейного процесса и ограниченными возможностями повышения качества наружных поверхностей отливок сложных геометрических конфигураций, получаемых методом ЛКД, за счет создания зазоров между пуансоном и отливкой, матрицей и отливкой, больших чем наибольшая высота шероховатости поверхностей пресс-формы, участвующих в формообразовании отливки, при одновременном повышении производительности литейного процесса. На чертеже представлено устройство, реализующее заявляемый способ, которое состоит из пуансона 1 с основанием 2, соединенного с плитой 3, в центральной части пуансона 1 и основания 2 выполнены вертикальные каналы охлаждения 4, с системой охлаждения, состоящей из трубок 5, коллектора 6 и патрубков 7, подводящих хладагент; а также пресс-форма состоит из матрицы 8 с плитой 9, толкающей системой 10, отливкой 11 и распылителем 12. Способ литья с кристаллизацией под давлением осуществляется следующим образом: после подогрева пресс-формы газом или 3-4 порциями расплава, смазывания и обдувки сжатым воздухом с помощью распылителя 12 в матрицу 8 заливают мерную порцию расплава и по окончании заливки производят быстрое опускание пуансона 1 до момента смыкания с матрицей 8. При переходе на рабочий ход формируют отливку 11 в матрице 8 пуансоном 1. После остановки пуансона 6 при подъеме его температуры выше заданного начального значения включается подача хладагента (например, сжатого воздуха или водовоздушной смеси) в каналы охлаждения 4. По окончании полной кристаллизации отливки, перед отводом пуансона 1 сбрасывают давление прессования ниже
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8856.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425637.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
- надиры на боковых поверхностях, формируемых пуансоном и матрицей;
- неслитины, газовая пористость, узоры, связанные с избытком и неравномерным нанесением смазки;
- негерметичность обработанных деталей с процентом брака до 15% и выше. Пример 2 (по заявляемому способу). Изготавливали отливку "корпус статора" из алюминиевого сплава АК7ч размером
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8856.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425638.gif)
(~ 15 сек) осуществляли выдержку без давления в закрытой форме, производили подъем пуансона ~ 5 сек и охлаждение отливки в матрице смесью СОЖ в течение
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425639.gif)
(~ 11 сек) выталкивание и съем отливки - 10 сек, нанесение противозадирной смазки на выталкиватели - 10 сек. Пример 3 расчета времени охлаждения отливки и пуансона по формуле
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Расчетная формула для времени охлаждения отливки и пуансона перед его отводом в закрытой пресс-форме получена из решения системы уравнений теплового баланса формы, линейной (тепловой) усадки пуансона и отливки при условии отсутствия деформационного торможения во время отрыва пуансона, когда наибольшие высоты неровностей формы и отливки не касаются друг друга, т.е. зазор
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
Kп - коэффициент охлаждения материала пуансона, для взаимодействующих веществ (сталь-вода) - величина постоянная и безразмерная, т.к. включает только теплофизические характеристики этих материалов, равен
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8776.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425640.gif)
Пример 4 расчета времени подачи СОЖ на отливку после отвода пуансона по формуле
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Расчетная формула времени для подачи СОЖ на отливку в матрице после отвода пуансона определяется также из системы уравнений теплового баланса отливки, линейной (тепловой) усадки отливки и матрицы при условии отсутствия деформационного торможения материала отливки во время ее выталкивания, когда наибольшие высоты неровностей боковой поверхности матрицы и отливки не касаются друг друга, т.е. зазор
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
Ко - коэффициент охлаждения материала отливки СОЖ, для взаимодействующих веществ (AL - сплав-вода) - величина постоянная и безразмерная, т.к. включает только теплофизические характеристики этих материалов, равен
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8776.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/42/425641.gif)
Качество полученных отливок
- отсутствие надиров на всех поверхностях;
- отсутствие газовой пористости на боковой поверхности;
- отсутствие дефектов, обусловленных избытком и неравномерностью нанесения смазочного материала;
- шероховатость отливки 0,63-2 мкм. Способ позволяет получать отливки с высоким качеством поверхности. Использование для этой цели принудительного, управляемого охлаждения позволяет увеличить производительность процесса за счет уменьшения периода затвердевания и охлаждения отливки перед ее извлечением из формы более чем на 40%.
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где Rпmax - наибольшая высота неровностей поверхности пуансона, м;
Rп - радиус пуансона, м;
Нп - высота пуансона, м;
Kп - коэффициент охлаждения материала пуансона;
Qв - количество воды, находящееся в секундном расходе сжатого воздуха, кг,
а подачу смазочно-охлаждающей жидкости после отвода пуансона осуществляют по периметру отливки в течение времени, определяемого из соотношения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где RMmax - наибольшая высота неровностей поверхности матрицы, м;
Rо - радиус отливки, м;
mо - масса отливки, кг;
Kо - коэффициент охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью материала отливки;
Qвр - количество воды, находящееся в секундном расходе смазочно-охлаждающей жидкости распылителя, кг;
nт - коэффициент фактического участия смазочно-охлаждающей жидкости в теплообмене, равный 0,5-0,6.
РИСУНКИ
Рисунок 1