Способ вибрационной обработки кристаллизующегося металла и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к литейному производству. Задача изобретения - повышение качества слитков и отливок за счет повышения эффективности виброобработки металлов и сплавов с различными физическими свойствами. Способ включает приложение колебаний к литейной форме в процессе кристаллизации металла в горизонтальном, вертикальном и наклонном, под углом 45^o, направлениях и обработку кристаллизирующего металла разнонаправленными виброколебаниями, достигая изменение величины результирующего угла приложения колебаний различных сочетаний горизонтального, вертикального и наклонного направлений, которое выбирают в зависимости от вида обрабатываемого металла и его свойств. Для реализации способа предлагается устройство, включающее литейную форму, рабочий стол, станину, упругий элемент и виброоснование в виде рамы кубической формы с диагональной плоскостью, на боковых сторонах которой и на ее диагональной плоскости установлены пневматические шариковые пневмовозбудители. Использование предложенного способа и установки для его реализации позволяет повысить механические свойства металла за счет более полного удаления неметаллических включений, измельчения структуры и повышения плотности металла. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для вибрационной обработки жидкого или кристаллизующегося металла, в частности для вибрационной обработки литейной формы в момент заливки и кристаллизации отливки.

Известно устройство для вибрационной обработки расплавленного металла [1] содержащее литейную форму, размещенную на плите с вибровозбудителем, которое снабжено вертикально расположенным торсионом. Использование в устройстве шарикового вибровозбудителя, а также расположение плиты, формы и вибровозбудителя на верхнем торце торсиона, нижний конец которого установлен на основании, позволяет сообщать литейной форме одновременно вращательные и горизонтальные колебания. Недостатком устройства является невозможность сообщать форме виброколебания в вертикальной плоскости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа и описанный в [2] способ получения слитков, при котором на кристаллизующийся металл воздействуют одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях и который реализуется в установке, содержащей форму для заливки металла, виброоснование для вибраторов, установленное на пружинах, пульт для управления и контроля режимов вибрации. Использование способа позволяет уменьшить размер первичного зерна в 2 раза, повысить твердость на 6% плотность на 5% снизить на 4,5% величину усадочной раковины. Недостатком способа является необходимость поочередного уменьшения и увеличения частоты вибрационного воздействия в вертикальном направлении, что значительно усложняет процесс виброобработки, а также то, что вибрация металла в горизонтальном и вертикальном направлениях часто оказывается малоэффективной, т.к. различные металлы и сплавы в силу своего разного удельного веса и различных физических свойств требуют различного угла приложения колебаний.

Задача изобретения состоит в повышении качества слитков и отливок за счет повышения эффективности виброобработки металлов и сплавов с различными физическими свойствами.

Поставленная задача решается за счет того, что по способу вибрационной обработки кристаллизующегося металла, включающему приложение колебаний к литейной форме в процессе кристаллизации металла в горизонтальном и вертикальном направлениях, согласно изобретению к литейной форме дополнительно прикладывают наклонные колебания в направлении под углом 45^o и обрабатывают кристаллизующийся металл разнонаправленными виброколебаниями, причем изменение величины результирующего угла приложения виброколебаний достигают различным сочетанием горизонтального, вертикального и наклонного направлений, а сочетания направлений виброколебаний выбирают в зависимости от вида кристаллизующегося металла и его свойств.

Для реализации способа в устройстве для вибрационной обработки кристаллизующегося металла, включающем литейную форму, рабочий стол, виброоснование для пневматических шариковых вибровозбудителей, установленное на упругом элементе, и станину, виброоснование согласно изобретению выполнено в виде рамы кубической формы с диагональной плоскостью, а пневматические шариковые вибровозбудители установлены на боковых сторонах рамы и на ее диагональной плоскости.

Авторам не известно использование разнонаправленных колебаний, прилагаемых к литейной форме с целью повышения качества отливок и слитков, в связи с чем предлагаемое техническое решение можно считать соответствующим изобретательскому уровню.

На фиг. 1 изображено устройство для вибрационной обработки.

На фиг. 2 изображена схема расположения вибровозбудителей и результирующие углы, соответствующие направлениям колебаний, прикладываемых к металлу, при работе указанных в таблице 1 сочетаний вибровозбудителей.

Способ вибрационной обработки кристаллизующегося металла осуществляют приложением к литейной форме колебаний в горизонтальном, вертикальном и наклонном направлениях в различных сочетаниях, причем наклонные колебания имеют угол приложения 45^o, который, как установлено, обеспечивает оптимальные сочетания с горизонтальными и вертикальными колебаниями для получения необходимого результирующего угла приложения вибрации к кристаллизующемуся металлу. Приложение к кристаллизующемуся металлу разнонаправленных колебаний позволяет изменять результирующий угол направления виброколебаний в процессе кристаллизации металла.

Экспериментально установлено, что угол приложения виброколебаний влияет на максимальную скорость удаления неметаллических включений, при которой расплав наиболее полно очищается за период кристаллизации, и, как следствие, имеет наиболее высокие свойства: предел прочности при разрыве, относительное удлинение, твердость, плотность. Причем согласно расчетам по формуле где V_вкл. скорость удаления включений; R радиус включения; η_распл. кинематическая вязкость расплава; d_распл. плотность расплава; d_вкл. плотность включения; a_в ускорение вибрации; ω частота вибрации; t время виброобработки;
a угол наклона вектора виброколебаний к вертикали,
например для алюминия и его сплавов, оптимальный угол приложения виброколебаний в начальной стадии кристаллизации составляет 30^o, а в заключительной стадии 60^o. Предлагаемый способ виброобработки дает возможность менять угол приложения вибрации в процессе его реализации, изменяя сочетание включенных в работу вибровозбудителей. Ориентировочно, угол приложения к кристаллизующемуся металлу виброколебаний в зависимости от сочетания работающих вибровозбудителей можно определять согласно схеме, представленной на фиг. 2. Например, угол приложения виброколебаний 30^o получается при работе b и d или c и d вибровозбудителей, а угол 60^o при работе a и e или a и d вибровозбудителей. Более точно такие углы определяются экспериментально при наладке установки, т.к. они зависят от применяемого источника сжатого воздуха, давления в системе, габаритов установки и т.д.

Для реализации способа предлагается установка следующей конструкции.

Литейная форма 1 установлена на рабочем столе 2, который соединен с виброоснованием 3. Виброоснование представляет собой раму кубической формы с диагональной плоскостью 4, закрепленной внутри рамы под углом 45^o. На боковых сторонах виброоснования в горизонтальной и вертикальной плоскостях и на наклонной диагональной плоскости установлены пневматические шариковые вибровозбудители 5, каждый из которых соединен с системой сжатого воздуха. Виброоснование установлено на упругом элементе, который закреплен на станине устройства 6. Упругий элемент состоит из рабочей пружины 7, установленной между верхним 8 и нижним 9 опорными фланцами. Нижний опорный фланец соединен со станиной. Верхний опорный фланец с виброоснованием. Упругий элемент снабжен центрирующим штоком 10, проходящим через станину, рабочую пружину и опорные фланцы. На верхний конец штока, выступающий над верхним опорным фланцем, установлена дополнительная пружина 11 и вся конструкция упругого элемента сверху и снизу закреплена гайками 12.

Пример. Вибрационной обработке подвергли в период кристаллизации цилиндрическую отливку массой 5 кг из сплава АЛ-2 (эвтектического силумина).

Металл готовили в индукционной печи ИСТ-0,06 в графитошамотном тигле. Жидкий металл заливали в установленную и закрепленную на установке для виброобработки литейную форму при температуре 950 975 K. Вибровозбудители включали сразу же после окончания заливки. Время виброобработки составляло 2 мин, частота вибрации 50 Гц. Результирующий угол приложения виброколебаний в начале виброобработки составлял 30^o, для чего включали вибровозбудители b и d, установленные на вертикальной стороне и на диагональной плоскости виброоснования установки (см. фиг. 2). Через минуту после начала виброобработки угол приложения виброколебаний увеличили до 60^o, для чего переключили сжатый воздух на вибровозбудители a и d, установленные на горизонтальной стороне и на диагональной плоскости виброоснования. Для сравнения в таких же условиях обрабатывали отливки при угле приложения виброколебаний 0^o (вертикальные) и 90^o (горизонтальные виброколебания), а также при одновременных виброколебаниях в горизонтальной и вертикальной плоскостях (прототип). Из полученных слитков изготовляли гагаринские образцы для мехиспытаний металла на разрыв, определения твердости и плотности металла.

В табл. 2 показаны результаты испытаний.

Как видно из представленных данных, наиболее высокие свойства имеет отливка, обработанная при приложении виброколебаний к кристаллизующемуся металлу под углом 30 60^o к вертикали. Улучшение свойств металла происходит за счет более полного удаления неметаллических включений, измельчения структуры и увеличения плотности металла.

Формула изобретения

1. Способ вибрационной обработки кристаллизующегося металла, включающий приложение колебаний к литейной форме в процессе кристаллизации металла в горизонтальном и вертикальном направлениях, отличающийся тем, что к литейной форме дополнительно прикладывают наклонные колебания.

2. Устройство для вибрационной обработки кристаллизующегося металла, содержащее литейную форму, установленную на рабочем столе, соединенном с упругосмонтированным на станине виброоснованием, на котором закреплены вибровозбудители, отличающееся тем, что виброоснование выполнено в виде рамы кубической формы с диагональной перегородкой, причем вибровозбудители закреплены на его гранях и на диагональной перегородке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3