Способ получения выплавляемой модели
Владельцы патента RU 2768661:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Хабаровский федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении выплавляемой литейной модели. Способ получения выплавляемой модели включает дозированную подачу воскообразного модельного материала в виде порошка фракции не менее 0,4 мм в форму и вращение формы относительно ее оси. Используют форму с внутренним радиусом не менее 3 см, которую вращают до достижения ею 3000-4000 об/мин, что является достаточным для увеличения плотности модельного материала, при которой он перестает быть сыпучим после прекращения вращения формы. Форму останавливают, помещают в нее металлические шарики диаметром 1-12 мм в количестве, достаточном для покрытия внутренней поверхности выплавляемой модели хотя бы в один слой, затем вращают форму со скоростью 3500-4000 об/мин. Металлические шарики увеличивают воздействие центробежной силы на модельный материал, за счет чего он уплотняется при уменьшенной скорости вращения формы. Сферическая форма обеспечивает равномерность распределения металлических шариков на внутренней поверхности модели. Обеспечивается устранение усадки, коробления поверхности и слоистости модели. 6 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способам изготовления выплавляемых моделей в литье по выплавляемым моделям и может быть использовано в машиностроительной отрасли народного хозяйства.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к заявляемому способу, является принятый за прототип способ получения выплавляемой модели тела вращения, описанный в патенте РФ № 2757139, согласно которому осуществляют дозированную подачу материала, в качестве которого используют воскообразную модельную композицию в виде порошка фракции не менее 0,4 мм, в форму в виде тела вращения с внутренним радиусом не менее 3 см, вращение формы относительно вертикальной оси осуществляют с частотой 6000-15000 об/мин до получения сформированной выплавляемой модели.
Недостатком этого способа является необходимость использования центробежной машины, которая должна обеспечивать высокую скорость вращения (до 15000 об/мин) ввиду низкой плотности воскообразного модельного материала (например, плотность парафино-стеаринового состава марки ПС50/50 составляет 0,810÷0,921 г/см3 в уплотненном виде). Это обстоятельство в значительной мере усложняет конструкцию центробежной машины и приводит к повышенным энергетическим затратам, обусловленным необходимостью применения повышенной скорости вращения, обеспечивающей требуемую плотность выплавляемой модели, формируемой таким способом.
Этот недостаток устраняется предлагаемым техническим решением.
Задачей заявляемого изобретения является снижение скорости вращения формы при формировании выплавляемой модели, что обеспечивает повышение энергоэффективности получения выплавляемой модели с поверхностью требуемого качества, т.е. не имеющими дефектов, характерных для литья: усадки, коробления поверхности и слоистости, образующихся в результате разницы температур материала и формы.
Технический результат, достигаемый при этом способе, заключается в уменьшении скорости вращения формы при получении выплавляемой модели с поверхностью без характерных для литья дефектов: коробления поверхности, слоистости, усадки.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе получения выплавляемой модели, включающем дозированную подачу воскообразного модельного материала в виде порошка фракции не менее 0,4 мм в форму, формообразующая поверхность которой отстоит от оси вращения не менее чем на 3 см, вращение формы до получения сформированной выплавляемой модели, предусмотрены следующие отличия: форму сначала вращают до достижения ею скорости 3000-4000 об/мин; останавливают форму; помещают в неё металлические шарики диаметром 1-12 мм в количестве, достаточном для покрытия внутренней поверхности выплавляемой модели хотя бы в один слой, затем вращают форму со скоростью 3500-4000 об/мин.
Причинно-следственная связь между существенными признаками и достигаемым техническим результатом объясняется следующим образом.
Формирование выплавляемой модели осуществляют в два этапа. На первом этапе в форму, формообразующая поверхность которой отстоит от оси вращения не менее чем на 3 см, дозированно подают порошок воскообразного модельного материала фракции не менее 0,4 мм. Форму вращают и под действием центробежной силы размещенный в форме порошок уплотняется на ее внутренней поверхности без подведения внешних источников тепла. Достижение формой скорости вращения 3000-4000 об/мин является достаточным условием увеличения плотности воскообразного модельного материала на 10-15% выше первоначальных значений. При этом воскообразный модельный материал в виде порошка перестает быть сыпучим после прекращения вращения формы. Вращение формы со скоростью превышающей 4000 об/мин нецелесообразно ввиду незначительного повышения плотности воскообразного модельного материала. Для порошков воскообразных модельных материалов экспериментально установлено, что вращение формы на первом этапе со скоростью менее 3000 об/мин нецелесообразно, т.к. не позволяет воскообразному модельному материалу уплотниться до несыпучего состояния. На втором этапе в полость формы помещают металлические шарики диаметром 1-12 мм и вращают форму с частотой 3500-4000 об/мин, что обеспечивает рост значений плотности воскообразного материала до величины, соответствующей 0-12%-ой пористости сформированной выплавляемой модели. При этом обеспечивается формирование выплавляемой модели с поверхностью без характерных для литья дефектов: усадки, коробления поверхности и слоистости. Количество вносимых шариков обусловлено необходимостью создания при вращении формы хотя бы одного слоя из них на внутренней поверхности формируемой выплавляемой модели. Максимальное количество шариков ограничивается внутренним объемом формы. Сферическая форма металлических шариков обеспечивает равномерность их распределения на внутренней поверхности выплавляемой модели, формируемой в результате вращения формы.
Благодаря тому, что используют металлические шарики, увеличивается центробежная сила, воздействующая на модельный материал, обеспечивающая уплотнение воскообразного модельного материала. Использование металлических шариков диаметром менее 1 мм нецелесообразно ввиду роста вероятности их внедрения в структуру выплавляемой модели. Использование металлических шариков диаметром более 12 мм нецелесообразно ввиду роста вероятности неравномерного уплотнения материала выплавляемой модели.
Превышение на втором этапе скорости вращения формы более 4000 об/мин нецелесообразно ввиду создания условий для сквозного продавливания металлическими шариками слоя воскообразного модельного материала, происходящее вследствие увеличения центробежной силы. При использовании на втором этапе скорости вращения формы менее 3500 об/мин требуемая плотность выплавляемой модели не достигается.
Вышеизложенное справедливо для порошков воскообразной модельной композиции фракции не менее 0,4 мм. При использовании модельной композиции фракции менее 0,4 мм наблюдается комкование порошкового материала, что затрудняет равномерное распределение материала на начальных стадиях уплотнения и приводит к нарушению геометрии выплавляемой модели.
Дозированная подача воскообразного модельного материала в форму обеспечивает требуемый объем выплавляемой модели. Технологически приемлемая плотность выплавляемой модели с пористостью в диапазоне 0-12%, получаемой прессованием, например, порошка ПС50/50, при которой достигаются требуемые размерно-геометрические и прочностные характеристики прессовки, принадлежит диапазону 0,810÷0,921 г/см3. Такая плотность по данным работы [Жилин С.Г., Богданова Н.А., Комаров О.Н., Соснин А.А. Снижение упругого отклика при уплотнении порошковой парафиностеариновой композиции // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 1. С. 29-33] обеспечивает выплавляемым моделям пористость в диапазоне 0-12%, что позволяет повысить трещиностойкость оболочковых форм, сформированных по таким выплавляемым моделям. По аналогии с материалом ПС50/50 пористые модели, выполненные, например из парафина марки Т1 с пористостью 0-12% будут иметь плотность в диапазоне 0,76-0,86 г/см3.
Получение выплавляемой модели с требуемой плотностью определяется не столько массой дозированного уплотняемого воскообразного материала, сколько массой металлических шариков, а также частотой вращения формы и величиной ее внутреннего радиуса. Значения рабочей частоты вращения формы, внутреннего радиуса формы, массы дозированного воскообразного материала и металлических шариков определены экспериментально и представлены в таблице.
В таблице приведены экспериментально полученные значения плотности воскообразной модельной композиции при центробежном уплотнении, при различных частотах вращения для получения выплавляемой модели.
Табл.
| N этапа |
Масса металлических шариков, г | Масса воскообразного материала, г | Скорость вращения формы, об/мин | Плотность модели, г/см3 |
| 1 | 0 | 50 | 0 | 0,368 |
| 1000 | 0,374 | |||
| 2000 | 0,383 | |||
| 3000 | 0,405 | |||
| 4000 | 0,421 | |||
| 4500 | 0,432 | |||
| 2 | 125 | 50 | 500 | 0,517 |
| 1000 | 0,528 | |||
| 1500 | 0,546 | |||
| 2000 | 0,589 | |||
| 2500 | 0,642 | |||
| 3000 | 0,730 | |||
| 3500 | 0,761 | |||
| 4000 | 0,862 | |||
| 4500 | 0,890 |
Из таблицы следует, что требуемая плотность выплавляемой модели 0,76-0,86 г/см3 достигается при условиях, характерных для второго этапа ее формирования, когда в форму помещены металлические шарики, а скорость вращения достигает значения 3500-4000 об/мин.
Способ осуществляют в два этапа. Образующую поверхность формы смачивают разделительным составом. На первом этапе вносят в форму дозированное количество порошка воскообразного модельного материала. Форму, закрепленную на роторе центрифуги или в патроне станка, вращают, и под действием центробежной силы размещенный в форме модельный материал уплотняется на ее внутренней поверхности на 10-15% выше первоначальных значений плотности без подведения внешних источников тепла до соблюдения условий, когда воскообразный модельный материал в виде порошка перестает быть сыпучим. Вращение формы останавливают.
На втором этапе в полость формы помещают металлические шарики диаметром 1-12 мм в количестве, достаточном для покрытия внутренней поверхности выплавляемой модели хотя бы в один слой и вращают форму с частотой 3500-4000 об/мин до получения сформированной выплавляемой модели. Обеспечивается формирование и получение выплавляемой модели с поверхностью без характерных для литья дефектов: усадки, коробления поверхности и слоистости.
Выплавляемую модель, сформированную в форме за счет воздействия центробежной силы и дополнительного воздействия металлических шариков на порошок воскообразного модельного материала, удаляют из формы выдавливанием или извлекают вручную, после разъединения разъемных частей формы.
Способ может быть осуществлен с помощью известных технических средств, при которых форма крепится либо на роторе центрифуги, либо в патроне станка. На фиг.1 показано, что форма 1 через держатель 2 крепится к ротору центрифуги (ротор на фиг.1 не показан), на фиг.2 показан момент вращения формы в центрифуге, на фиг.3 – форма в покое с помещенными в нее на модельный материал металлическими шариками, на фиг.4 – момент вращения формы с модельным материалом и металлическими шариками; на фиг.5 – момент вращения закрепленной с патроне станка формы с модельным материалом; на фиг.6 – момент вращения закрепленной в патроне станка формы с модельным материалом, на поверхности которого расположены металлические шарики.
Способ получения выплавляемой модели осуществляют следующим образом. Образующую поверхность разъемной формы смачивают разделительным составом, например, керосином. Предварительно подготовленный модельный воскообразный материал, например, парафин марки Т1, фракции 1,2 мм, дозой, например, 50 г помещают, например, в планетарно закрепленную относительно вертикальной оси вращения форму 1, как показано на фиг.1.
Формирование выплавляемой модели осуществляют в 2 этапа. На первом этапе форму 1 приводят во вращение, при этом радиус отстояния формообразующей поверхности от оси вращения составляет R = 16,5 см, как показано на фиг. 2. Достигают значения скорости вращения 3800 об/мин, после чего прекращают вращение формы 1. По завершении вращения формы 1 плотность воскообразного модельного материала увеличилась на 14% выше первоначального значения. При этом воскообразный модельный материал в виде порошка перестает быть сыпучим и уменьшается в объеме. На втором этапе в полость формы 1 помещают металлические шарики, выполненные, например, из стали 45 диаметром 10 мм общей массой 125 г, как показано на фиг.3. Форму 1 приводят во вращение, фиг.4, достигают скорости вращения 3600 об/мин и выдерживают вращение в течение, например 7 минут, для обеспечения релаксации напряжений в материале выплавляемой модели. На втором этапе форму вращают до получения сформированной выплавляемой модели. Как правило, достаточно вращать ее в течение 5-8 минут, так как за это время обеспечивается релаксация напряжений в теле выплавляемой модели, что выражается в отсутствии упругого отклика уплотненного воскообразного модельного материала после прекращения вращения формы. При этом объем уплотняемого воскообразного материала в форме уменьшается и обеспечивается формирование выплавляемой модели с поверхностью без характерных для литья дефектов: усадки, коробления поверхности и слоистости. После остановки формы из нее извлекают выплавляемую модель.
При реализации способа, когда форма крепится в патроне станка, внутреннюю поверхность формы смачивают разделительным составом, например, керосином, вносят в нее предварительно подготовленный модельный воскообразный материал, крепят в патроне станка. Формирование выплавляемой модели также осуществляют в 2 этапа. На первом этапе форму 1 приводят во вращение, достигают значения скорости вращения, например 3500 об/мин, после чего прекращают вращение формы 1, как показано на фиг.5. На втором этапе в полость формы 1 помещают металлические шарики, выполненные, например, из стали 45 диаметром 10 мм. Форму 1 приводят во вращение, достигают скорости вращения 3600 об/мин и выдерживают в течение, например 7 минут, для обеспечения релаксации напряжений в материале выплавляемой модели, как показано на фиг. 6. При этом обеспечивается формирование выплавляемой модели с поверхностью без характерных для литья дефектов: усадки, коробления поверхности и слоистости. Вращение формы прекращают; после остановки формы извлекают выплавляемую модель.
Способ получения выплавляемой модели, включающий дозированную подачу воскообразного модельного материала в виде порошка фракции не менее 0,4 мм в форму, формообразующая поверхность которой отстоит от оси вращения не менее чем на 3 см, вращение формы до получения сформированной выплавляемой модели, отличающийся тем, что форму сначала вращают до достижения ею скорости 3000-4000 об/мин, останавливают форму, помещают в нее металлические шарики диаметром 1-12 мм в количестве, достаточном для покрытия внутренней поверхности выплавляемой модели хотя бы в один слой, затем вращают форму со скоростью 3500-4000 об/мин.
