Способ литья поршней для двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: способ литья поршней для двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что полость для отливки в форме ориентируют с верхним расположением отливки-поршня, время рабочего хода прессующего пуансона в силовом узле не больше 0,02 с, а заполнение ручья формы ведут металлом в твердо-жидком состоянии. Устройство содержит центральный стержень с запорным пневмоприводом, боковые стержни с пружинным механизмом, при этом на нижних торцах боковых стержней и верхнем торце центрального выполнены скосы. В шестипозиционной карусели организована позиция запрессовки металла в форму, где механизм прессования снабжен пневмоцилиндром ударного действия, а на позициях впрыскивания краски установлена распылительная головка с механизмом вертикального подъема и опускания системы трубок с радиальными отверстиями. Пневмопривод ударного действия выполнен в виде совмещенных пневмоцилиндра и ресивера с промежуточным шиберным устройством. 2 с. и 2 з.п. ф-лы. 6 ил.

Изобретение относится к литейному производству, в частности способам и устройствам для литья поршней двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ изготовления поршней для двигателей внутреннего сгорания [1] , где в нагретую до 300-400^оC пресс-форму со стержнем заливают расплав и охлаждают его до температуры эвтектического превращения, затем накладывают давление в 70-75 МПа нагретым пуансоном. Предусмотрен другой вариант технологии: заливку расплава ведут в полужидком состоянии.

Второй вариант по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому, но обладает тем недостатком, что предусматривает заливку металла, а следовательно и более высокие значения температуры заливаемого металла и, как следствие, удлинение цикла литья, что снижает продолжительность процесса и ограничивает прирост свойств литого металла от наложения давления.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [2], состоящее из шестипозиционного карусельного стола с размещенными на позициях разъемными формами и стержнями.

Недостатком этого устройства является то, что в нем осуществляют заливку жидкого металла гравитационным методом, что снижает производительность процесса и качество литого металла.

Целью изобретения является повышение производительности и качества литья.

Цель достигается тем, что время рабочего хода прессующего пуансона при заполнении полости формы выбирают не более 0,02 с, и устройство снабжено позицией запрессовки металла в форму, прессующим механизмом с пневмоприводом ударного действия, запорным пневмоцилиндром центрального стержня и пружинным механизмом сближения боковых стержней, при этом на нижних торцах боковых стержней в верхнем торце центрального выполнены скосы, а установка снабжена распылительной головкой, выполненной в виде системы трубок с радиальными отверстиями и механизмом ее подъема и опускания, пневмопривод ударного действия выполнен в виде совмещенных пневмоцилиндра и ресивера с промежуточным шиберным запорным устройством.

На фиг. 1 представлена карусель, вид сверху; на фиг.2 - пресс-форма в сборе, вертикальный разрез; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - устройство на позиции запрессовки, вертикальный разрез; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.6 - сечение В,Г,Д,Е на фиг.1 В расположенные на карусели 1 комплекты пресс-форм (состоящие из половинок 2, стержней 3 под боковые отверстия, центрального стеpжня 4, боковых продольных стержней 5, сжатых пружинным механизмом 6; центральный стержень снабжен запорным 7 пневмоцилиндром и выдвижным 8) размещают в шести позициях: подготовительной (сборка пресс-формы) I, заливочной II, запрессовочной III, раскрытия пресс-формы IV, снятия отливки V и опрыскивания стержней и полости краской VI (фиг.1) и в указанном порядке размещения поршень-отливку размещают днищем кверху, а стержни 4 и 5 размещают с возможностью смещения (вытяжки) стержня 4 вниз; в приемную чашу 9 (фиг.5) кладут мерную дозу кашеобразного металла ("каши"), полученного за счет того, что начальную температуру его предварительно снижают до температуры, меньшей точки ликвидуса (у силуминов с Т_с = 580^оС и Т_л = 630^оС при содержании 20% твердой фазы он имеет нулевую жидкотекучесть), далее пуансоном 10 пневмоцилиндра 11 ударного действия осуществляют запрессовку "каши" (ручья 12) в полость. При этом за счет связи пневмоцилиндра 11 через расширенный канал 13 (закрываемый конусообразной пробкой-шибером 14) с ресивером 15 повышенного давления добиваются регулируемой достаточно большой скорости движения пуансона 10, а следовательно, быстродействия прессового узла. Этого добиваются увеличением (уменьшением) длины выхода пробки-шибера 14, а следовательно, изменением площади поперечного сечения соединительного канала между ресивером 15 и пневмоцилиндром 11 ударного действия.

Скорость движения пуансона 10 задают из того расчета, чтобы время заполнения ручья 12 металлом было не более 0,02 с. С соблюдением этого условия добиваются того, что металл в течение периода заполнения ручья 12 сохранял незначительное изменение реологического состояния, что позволяет при невысоких удельных нагрузках добиться полной запрессовки металла. Например, при давлении в ресивере Р = 20 атм и коэффициенте мультипликации n ≈4 получают давление на металл 80 атм. Как показали расчеты на базе рассмотрения уравнения теплового баланса за время 0,02 с усредненная температура кашеобразного металла ("каши") снизится всего на 0,16^оС, т.е. практически неизменным остается его реологическое состояние. При этом твердожидкий поток по полости ручья пресс-формы идет сверху вниз вязкой неразрывной сплошной массой, вытесняя вниз воздух из пресс-формы.

Расчеты велись для поршня высотой 0,06 м, т.е. скорость движения пуансона ≈3 м/с и время движения пуансона 10 ≈0,02 с. При таких значениях скорости движения вязкой кашеобразной массы успешно проходит вытеснение воздуха из пресс-формы в промежуток между стержнями 4 и 5 и половинками 2 и захвата воздуха не происходит. В известных процессах литья под давлением металлическая струя по ручью движется со скоростью, доходящей до 15 м/с, и занимает меньше половины площади, в то время как в данном случае струя занимает всю площадь поперечного сечения пресс-формы, что является причиной захвата воздуха. При больших размерах высоты поршня при той же скорости время будет больше. Например, при высоте 0,12 и 0,24 м время будет 0,04 и 0,08 с, а потеря температуры ≈0,16 и 0,32^оС. Таким образом, предлагается способ жидкой штамповки для литья поршней.

По окончании запрессовки расчетным путем определяют временной интервал выдержки отливки под давлением.

Далее после срабатывания пневмоцилиндра 11 в обратном направлении производят смену позиций и на позиции IV осуществляют следующее: одновременно включают пневмоцилиндры 7 и 16, производят открытие пресс-формы и вытяжку центрального стержня 4 (параллельно во времени проводимые операции), после чего за счет действия пружинного механизма 6 сближают стержни 5 и одновременно производят смену позиций карусели 1. На позиции V с помощью механической руки 17 (используется известная ее конструкция) снимают отливку.

На позиции VI осуществляют следующее: (фиг.6) с помощью пневмоцилиндра 18 опускают гребенку 19 (система трубок с радиальными отверстиями) и производят охлаждение и опрыскивание краской поверхности стержней 3, 4, 5 и внутренней полости пресс-формы.

П р и м е р. Заливаемый сплав-силумин марки АК18 с Т_л = 630^оС, Т_с = 580^оС, Т_{заполн.} = = Т_л - 0,2 ΔТ_кр = 620^оС, τ_зал. = 0,02 с, Р_{в ресив.} = 20 атм, Р_{в пресс-ф.} = 80 атм.

В соответствии с расчетами для поршня высотой 0,06 м при времени запрессовки 0,02 с скорость впуска запрессовки ≈3 м/с, металл теряет в среднем 0,16^оС, то есть теплосодержание его остается практически неизменным.

Расчеты показывают, что цилиндрическая часть (юбка) поршня, имеющая приведенную толщину ≈1 мм, затвердевает за 1,3 с, днище поршня с приведенной толщиной 2,1 мм затвердевает за 2,8 с в условиях направленного теплоотвода.

Цикл литья назначают 4 с. Время под давлением 3,5 с. Производительность ≈900 отл/ч.

К моменту выбора отливки из пресс-формы средняя температура цилиндрической части поршня (снятие осуществляется на следующей + IV позиции) ≈300^оС, а верхней части ≈400^оС.

При данных температурах металл уже достаточно прочен для того, чтобы не деформироваться при дальнейших транспортных перемещениях.

Последовательность операций способа: собирают пресс-формы - позиция I, 1,5 с, смена позиций 0,5 с; заливают "кашу" - позиция II механической рукой 1,5 с; запрессовывают - позиция III быстродействующим механизмом 1 с (включая начало движения прессующего пуансона с учетом инерции), продолжительность рабочего хода пуансона не более 0,02 с; раскрывают пресс-форму и вытягивают стержень одновременно, сближение боковых стержней производится в момент смены позиции - позиция IV; снимают отливки механической рукой - позиция V; опрыскивают элементы пресс-формы краской - позиция VI; продолжительность операций VI-VI 1,5 с.

Конструкция пресс-формы: шток пневмоцилиндра 8 снабжен запорным пневмоцилиндром двухстороннего действия, при срабатывании которого выдвигаются упоры 20 в пазы направляющих 21. Для фиксации половинок строго по центральной оси симметрии служат упоры 22, а параллельности хода рычагов 23 - направляющие 24 (фиг.4).

К конструкции прессующего механизма: изменяя длину обратного хода пневмоцилиндра 25, увеличивают или уменьшают проходное сечение канала 13, связанного с ресивером 15 и пневмоцилиндром 11.

К механизму впрыскивания: в трубопровод 26 подают непрерывно перемешиваемую водоэмульсионную краску. Здесь операцию охлаждения и покрытия совмещают.

Технико-экономические преимущества: сокращен цикл сборки и разборки пресс-форм, что повышает производительность устройства; возможность использования "каши" за счет особенностей конструкции прессующего узла позволяет существенно уменьшить время затвердевания и охлаждения отливки, что способствует повышению производительности; использование "каши" и наложение давления позволяет радикально бороться с дефектами усадочного происхождения и повысить качество поршней.

Изложенные преимущества позволяют с эффектом использовать предлагаемое изобретение на моторостроительных заводах.

Формула изобретения

СПОСОБ ЛИТЬЯ ПОРШНЕЙ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ литья поршней для двигателей внутреннего сгорания, включающий сборку формы со стержнями, заполнение полости формы, оформляющей отливку днищем вверх, металлом, находящимся в твердожидком состоянии, посредством его прессования, отличающийся тем, что время рабочего хода прессующего пуансона при заполнении полости формы выбирают не более 0,02 с.

2. Устройство для литья поршней для двигателей внутреннего сгорания, содержащее шестипозиционный карусельный стол с формами, центральным и боковыми стержнями, отличающееся тем, что оно снабжено позицией запрессовки металла в форму, прессующим механизмом с пневмоприводом ударного действия, запорным пневмоцилиндром центрального стержня, механизмом сближения боковых стержней, при этом на нижних торцах боковых стержней и верхнем торце центрального выполнены скосы.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено распылительной головкой в виде системы трубок с радиальными отверстиями и механизмом ее подъема и опускания.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пневмопривод ударного действия выполнен в виде совмещенных пневмоцилиндра и ресивера с промежуточным шиберным устройством.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6