Показать меню Технической информации

Применение пенокерамических фильтров на формовочных линиях с вертикальным разъемом

(А. Чикунов, 2005 г.)

В работе описаны принципы применения фильтров на формовочных линиях с вертикальным разъемом, таких как ДИСАМАТИК. Представлен эффект различных планировок литниковой системы на технологию фильтрации металла. Описана технология расчета минимального или контрольного сечения литниковой системы. Представлены рекомендации по оптимальному расположению пенокерамических фильтров в форме. Представлены основные типы моделей кармана фильтра для применения на машинах ДИСАМАТИК и описана их роль в обеспечении стабильного положения фильтра в форме. Разработана специальная литейная технология, гарантирующая производство качественного литья при высокой производительности, ассоциирующейся с линиями ДИСАМАТИК.

Различия между формами с горизонтальным и вертикальным разъемом.
Существует множество принципиальных различий между формами с горизонтальным и вертикальным разъемом; далее перечислены те отличия, которые влияют на основные принципы применения пенокерамических фильтров и конструкцию литниковой системы:

• Чаще всего для вертикальных форм используется подвод металла снизу, соответственно, большая часть заливаемого металла находится над питателем отливки. Такая система увеличивает противодавление и приводит к снижению эффективной высоты заливки.
• Линии ДИСАМАТИК обычно имеют более короткое, по сравнению с линиями горизонтальной формовки, время заливки, наиболее часто в диапазоне 5-10 секунд.
• Для того, чтобы сохранить время заливки, иногда требуется увеличение сечения фильтра.
• Линии ДИСАМАТИК обычно имеют более короткое, по сравнению с линиями горизонтальной формовки, время заливки, наиболее часто в диапазоне 5-10 секунд.
• Часто применяется многоярусное расположение отливок в кусте.
• Для обеспечения одновременного заполнения всех отливок в форме, расположенных на различных уровнях, литниковая система должна тщательно рассчитываться и проектироваться, и гарантировать плавное, быстрое, ламинарное заполнение каждого яруса.
• На простановку фильтра отводится очень ограниченное время, поэтому требуется устройство, обеспечивающее быструю и точную технологию подачи фильтра, фиксации, установки и закрепления в форме.
• Отсутствует доступ к открытой форме. Разработка конструкции хорошей типовой литниковой системы для машин ДИСАМАТИК относится к специальной теме, поэтому конструкции литниковых систем, предусматривающих фильтрацию, развивались медленно.

Категории форм, их влияние на положение питателя и технологию фильтрации:
Существуют три основные категории форм с вертикальным разъемом, которые влияют на технологию применения фильтрации, включая:

Подвод металла к отливке снизу (сифонная заливка), что подразделяется на три подгруппы:

a) Одиночная отливка
b) Две или более отливки на одном уровне
c) Два или несколько уровней отливок

Категории 1a) и 1b<): Формы относящиеся к данным категориям могут заливать­ся с применением технологии фильтрации, аналогичной использующейся на формах с горизонтальным разъемом, с контрольным сечением литниковой системы (дросселем) расположенным в начале горизонтального литника(ов), после этой точки площадь сече­ния может увеличиваться для снижения турбулентности потока.

Категория 1с): Формы данной категории аналогичны 1а) и 1b), но для того, что­бы сохранять литниковую систему заполненной на протяжении всей заливки, необхо­димо располагать дроссель(ли) (их может быть несколько) литниковой системы на сты­ке стояка и горизонтального литника. После этой точки площадь сечения литника и пи­тателей может увеличиваться для снижения скорости и турбулентности потока.

Подвод металла к отливке сбоку, также подразделяются на три подгруппы:

a) Одиночная отливка
b) Две или более отливки на одном уровне
c) Два или несколько уровней отливок

Категории 2а), 2b) и 2с): формы, имеющие такие литниковые системы, требу­ют, чтобы дроссель литниковой системы был расположен в местах сопряжения стояка и литников, иначе литниковая система не сможет быть полностью заполнена жидким чу­гуном и фильтр будет неправильно смачиваться металлом, в результате чего шлак и другие включения могут проникать сквозь фильтр.

Подвод металла к отливке сверху, также подразделяются на три подгруппы:

a) Одиночная отливка
b) Две или более отливки на одном уровне
c) Два или несколько уровней отливок

Категории За), Зb) и Зс): формы имеющие такие литниковые системы, требуют чтобы дроссель литниковой системы был расположен в питателях, примыкающих к от­ливке, иначе литниковая система не сможет быть полностью заполнена жидким чугу­ном и фильтр будет неправильно смачиваться металлом, что может привести к образо­ванию шлаковых или газо- воздушных дефектов. Данная конструкция относится к тра­диционной запертой литниковой системе.

Расчет контрольного или минимального поперечного сечения литниковой систе­мы в формах с вертикальным разъемом.
При заливке по мере падения металла поток ускоряется; в любой заданной точке потока расход металла должен сохраняться, таким образом, поперечное сечение потока прогрессивно уменьшается. В отличие от литниковых систем, применяющихся для форм с горизонтальным разъемом, системы для форм с вертикальным разъемом могут быть сконструированы с использованием преимущества естественной динамики потока расплава, с выполнением стояка, ступенчато сужающегося сверху вниз. Рисунок 1 взят из исследовательской работы французского автора и показывает эффект изменения раз­меров падающего расплава и влияние высоты потока на расчет размеров идеальной литниковой системы. Использование естественно сужающегося сечения стояка означа­ет, что вертикально расположенная литниковая система может поддерживаться запол­ненной металлом; это снижает турбулентность и риск захвата воздуха.

Рис. 1: Влияние различной высоты положения отливок на размеры литникового хода.

Уклон стояка 1-3 градуса позволяет добиться:

• быстрого заполнения
• минимальной турбулентности
• предотвращения захвата воздуха
• снижения брака

Прогрессивное уменьшение сечения питателя:

• контролирует и управляет скоростью металла
• компенсирует разницу высот залив­ки для многоярусного расположения отливок

Не существует ни одного примера отли­вок, изготавливаемых на ДИСАМАТИКе, кото­рый бы служил полным примером расчета лит­никовой системы с применением пенокерамического фильтра. Тем не менее, существуют общие принципы, применимые для большинства лит­никовых систем ДИСАМАТИК.

Для модельных плит с отливками, распо­ложенными на разных уровнях, необходимо рас­считывать эффективную высоту заливки и пло­щадь контрольного сечения для каждого уровня отливок. Площадь контрольного сечения рассчи­тывается по формуле:

Эффективная высота заливки 'Н' может быть рассчитана по одной из следующих фор­мул:

Подвод металла к отливке снизу Н = h-c/2
Подвод металла по центру Н = h-a /2с
Подвод металла сверху Н = h
h - высота от линии разъема до верха формы (мм)
а - высота от линии разъема формы до верхней точки полости отливки, включая при­быль (мм)
с - средняя глубина полости отливки (мм)

Контрольное сечение литниковой системы.
Минимальное, эффективное сечение в любых литниковых системах называется дросселем или сечением, которое «контролирует» или регулирует время заливки отли­вок в форме.

Для стандартных литниковых систем данное контрольное сечение обычно нахо­дится в питателях, прилегающих к отливке (запертая или сужающаяся литниковая сис­тема), но в тех случаях, где это возможно, при сифонной заливке формы, контрольное сечение может также располагаться в стояке (открытая или расширяющаяся литниковая система). В случае применения расширяющейся литниковой системы площадь литни­ков за стояком увеличивается на 10%, а питателей соответственно еще на 10%, что сни­жает скорость и турбулентность потока металла.

Расчет сечения для достижения требуемой скорости заливки должен проводиться для каждого уровня отливок. Площадь сечения обратно пропорционально эффективной высоте заливки (Н). При увеличении высоты заливки контрольное сечение питателей и/или стояка уменьшается.

После расчета величины контрольного сечения можно определить сечение стоя­ка, литников и рабочее сечение питателей для каждой отдельно взятой отливки.

Номограмма для расчета систем ДИСАМАТИК
Номограмма расчета литниковых систем ДИСАМАТИК является очень полез­ным и быстрым средством для определения контрольного сечения питателя или литни­кового хода, ее применение детально описано в руководстве по машинам ДИСАМА­ТИК.

Выбор коэффициента сопротивления:
Значение коэффициента потерь на сопротивление для литниковых систем ДИ­САМАТИК с применением фильтров SEDEX может варьироваться в пределах 0,25 - 0,65, но наиболее часто принимается значение в диапазоне 0,2 - 0,45. Выбор коэффици­ента зависит от тех же параметров, как и для форм с горизонтальным разъемом, в частности: сложность отливки и геометрия отливки.

Дополнительное сопротивление, возникающее при установке пенокерамического фильтра, должно компенсироваться снижением на 0,1 значения коэффициента сопро­тивления, используемого для расчета литниковой системы.

Показать меню Технической информации

Разработка литниковой системы.
Расчет литниковой системы - только начало процесса; после этого, требуется провести разработку конструкции системы, которая позволит выполнить намеченную задачу. Литниковая система ДИСАМАТИК должна конструироваться последовательно снизу вверх; как только она приобретет форму, она «собирается» на модельной пли­те секция за секцией опять же снизу вверх.

Рис. 2: Исходная планировка модельной плиты для расчета и разработки литниковой системы

На рисунке 2 представлена требуемая планировка модели для максимального ис­пользования пространства плиты 650 х 850 для производства 5 тормозных дисков. Пер­вое замечание по данной планировке - си­фонную заливку для данной задачи применить невозможно, 5 отливок должны иметь боковой подвод металла; литниковая система может быть классифицирована категорией 2 с двумя или более уровнями отливок - подкатегория «2с». Как отмечалось ранее, для такой системы требуется, чтобы контрольное сечение располагалось перед питате­лями, а площадь питателей может быть увеличена по отношению к дросселю на 10%, что позволит снизить скорость и турбулентность заполнения отливок. Второе замечание заключается в выборе коэффициента сопротивления. Без фильтра достаточно простая отливка имела бы коэффициент сопротивления литниковой системы 0,5, тем не менее, с применением пенокерамического фильтра потери на сопротивление возрастают, и мы принимаем значение коэффициента 0,35.

Расчет производится последовательно для каждого уровня отливок; это позволит получить размеры литниковой системы, требуемые для каждого уровня. Сечение стояка определяется суммированием расчетных сечений стояка для каждого уровня, чтобы обеспечить необходимый расход металла одновременно для всех отливок.

Параметры нижней пары отливок: время заливки 6 секунд вес отливки 7,8 кг высота заливки 485 мм эффективная высота заливки 454 мм коэффициент сопротивления 0,35

По номограмме ДИСАМАТИК определяем, что площадь питателя для выполне­ния заливки за 6 секунд - 199 мм², данное значение подтверждается также расчетом, проведенным вручную и с применением компьютерной программы. Тем не менее, в данном случае контрольным сечением назначается сечение стояка, а сечение питателей может быть увеличено на 10%, что в результате дает площадь 219 мм²; данная площадь принимается для обеих нижних отливок.

Параметры для средней отливки - время заливки, коэффициент сопротивления и вес отливки такие же, как представлено выше. Высота заливки 377 мм, эффективная высота заливки 347 мм

Расчетное контрольное сечение - 228 мм², данная площадь делится на два, так как подвод осуществляется с двух сторон отливки, что позволяет соблюсти общую симметрию литниковой системы. Теперь сечение стояка должно обеспечить заливку 1,5 отливки и поэтому его площадь будет составлять 144 + 199 мм², площадь питателя для данного уровня также увеличивается на 10%, в результате получаем 125,5 мм² для питателя с каждой стороны.

Параметры для верхних отливок - время заливки, коэффициент сопротивления и вес отливки такие же, как представлено выше. Высота заливки 216 мм, эффективная высота заливки 176 мм

Расчетное контрольное сечение - 321 мм², данная площадь суммируется с пре­дыдущим значением сечения стояка, что в результате дает окончательную расчетную площадь стояка 634 мм². Данная площадь достаточна для подачи металла на 2,5 отлив­ки. Площадь питателей для верхнего ряда отливок получается аналогично увеличением соответствующего контрольного сечения на 10%, в результате получаем 353 мм².

Рис.3. Окончательная планировка модели

На рисунке 3 представлена окончательная планировка с окончательным действи­тельным сечением стояка 634 +634 мм² или 1268 мм². Данное сечение позволяет запол­нить все 5 отливок за заданное время 6 секунд.

Полученное прогрессивное уменьшение контрольного сечения сверху вниз га­рантирует, что верхние и нижние отливки будут заливаться одновременно и литниковая система на протяжении всей заливки полностью заполнена металлом. Если допустить слишком высокую скорость заливки нижнего уровня, то это приведет к турбулентности заполнения формы и соответственно повысит риск образования таких дефектов, как пригар, эрозия формы и газовая пористость.

Наиболее важной чертой лит­никовой системы ДИСАМАТИК с применением фильтров SEDEX явля­ется то, что она должна обеспечивать быстрое, спокойное, равномерное и ламинарное заполнение формы. Ос­новные размеры системы должны быть скорректированы с учетом рас­стояния полости отливки от верха формы.

Другими словами, следует УМЕНЬШАТЬ контрольное сечение при ПОВЫШЕНИИ ферростатического давления и УВЕЛИЧИВАТЬ сечение при УМЕНЬШЕНИИ ферростатического давления.

Последние результаты моделирования показали улучшение условий заполнения нижних отливок при применении наклонного стояка с резкими угловыми переходами.

Оптимальное расположение пенокерамического фильтра в форме (в верхней части - на рисунке слева, в нижней части - на рисунке справа):

Выбор места расположения фильтра в форме ДИСАМАТИК часто ограничен, например, в случае многоярусного размещения отливок фильтр должен быть располо­жен в верхней половине или четверти формы. Тем не менее, при свободном выборе по­ложения фильтра верхняя часть формы также предпочтительна, так как это дает сле­дующие преимущества:

• уменьшение первоначально высокой скорости металла
• минимизация риска разрушения
• снижение ферростатического давления на фильтр, что сокращает риск про­хождения через фильтр жидкого шлака.

Последнее преимущество подтверждается результатами, полученными в ходе промышленных испытаний, в ходе которых было исследовано влияние типа фильтра и его положения в форме на уровень внутреннего и внешнего брака литья. На рисунке 4 и 5 представлены используемые для испытаний планировки моделей, включая основные размеры литниковых систем, в таблицах 1 и 2 приведены результаты испытаний.

Расположение фильтра SEDEX в нижней части стояка показало сокращение чис­ла дефектов при уменьшении пористости фильтра (Таблица 1). Во второй серии испы­таний было исследована ситуация с расположением фильтра выше в форме (результаты представлены в Таблице 2), при этом как внутренний, так и внешний брак литья значи­тельно сократился.

Расположение контрольного сечения литниковой системы за фильтром позволяет сохранять литниковую систему полностью заполненной на протяжении заливки, а так­же обеспечивает смачивание всей площади фильтра.

Площадь сечения литниковых ходов может быть увеличена на 10% по отноше­нию к контрольному сечению, а сечение питателей соответственно еще на 10% по от­ношению к литникам.

Увеличение сечения элементов литниковой системы, расположенных за кон­трольным сечением, помогает снизить турбулентность и эрозию формы при заливке. Данный аспект применения фильтра может быть столь же важным для литейного про­изводства, как и сам эффект фильтрации.

Фильтр не должен опираться только на края и должен устанавливаться горизон­тально в форму.

Это позволяет обеспечить максимальную опору фильтра.

Установка фильтра становится менее зависимой от отклонения размеров полости формы и самого фильтра.

Можно использовать фильтры меньшей толщины при сохранении необходимого эффекта фильтрации.

Сокращается риск выпадения фильтра из формы при обдуве, движении и спари­вании формы.

Показать меню Технической информации

Модели карманов фильтра и фиксация фильтра в форме:
Для применения фильтра совершенно необходимо, чтобы отпечаток кармана фильтра обладал правильной конструкцией и размерами, т.е. обеспечивал точную уста­новку и надежную фиксацию фильтра в форме. Необходимая модель должна быть скон­струирована таким образом, чтобы фильтр:

• был неподвижен при движении формы по формовочному конвейеру
• не мог выпасть при обдуве формы

При заливке карман фильтра также должен обеспечить достаточную опору фильтра, чтобы исключить:

• разрушение фильтра,
• протекания металла в обход фильтра.

Фирма FOSECO разработала три основные конструкции моделей кармана фильт­ра для машин ДИСАМАТИК, каждая из которых рассчитана на определенные условия применения.

Модели с параллельными боковыми стенками:
Фильтр устанавливается боковыми сторонами под прямьм углом к поверхности разъема формы, фильтр почти полностью входит в только что отформованную первую вертикальную полуформу. Фильтр устанавливается в стержнеукладчик и удерживается системой отсоса воздуха, которая автоматически отключается при сопряжении формы с плитой стержнеукладчика. Фильтр остается зафиксированным в форме. Модель кармана фильтра D1.

Рис.6. Модель кармана фильтра D1

Рис.7. Модель кармана фильтра D3

Как показано на рис. 6, данная модель состоит из двух частей, основная часть и меньшая часть. Данная конструкция позволяет получить опорную поверхность по всему периметру фильтра. Профиль меньшей части модели также используется для выполне­ния гнезда фиксации фильтра на плите стержнеук­ладчика.

В настоящий момент выпускаются следую­щие модели карманов фильтра D1:

50 х 50 толщиной 15 или 22 мм

40 х 40 х 15 мм

Модель фильтра D1 позволяет получить в отпечатке два небольших наклонных буртика, ко­торые при отводе стержнеукладчика удерживают фильтр В форме В его Конечном  положении. Эти фиксирующие буртики расположены ниже центральной линии отпечатка модели и это позволяет при той же модели использовать фильтры толщиной меньше 22 мм.

Песчинки, которые могут вытесняться фильт­ром при его установке, безопасно попадают в канавку, сформированную моделью позади фильтра.

Модель фильтра D3, показанная на рисунке 7, практически повторяет предыдущую модель, но имеет снизу разветвление на два литниковых хода.

Модель для диагональной установки фильтра:

Модель кармана фильтра DDI
Данный тип модели, представленный на рисунке 8, предназначен для установки фильтра в форму по диагонали. После установки фильтра почти половина фильтра ос­тается вне полости формы до самого момента сборки формы. Для того, чтобы успешно использовать данную операцию, карман фильтра должен иметь исключительно точные размеры, в противном случае существует потенциальный риск повреждения фильтра при спаривании полуформ и частицы фильтра могут попасть в тело отливки.

Использование данной модели также предполагает, что на стержнеукладчике должно быть выполнено гнездо для установки фильтра, совпадающее по размерам с со­ответствующей половиной модели. Фильтр устанавливается аналогично маленькому стержню.  Он удерживается в маске стержнеукладчика системой отсоса воздуха, которая автоматически отключается при сопряжении фор­мы с плитой стержнеукладчика. Фильтр остается зафиксированным в форме.

Для предотвращения выпадения фильтра из кармана формы при отводе стержнеукладчика пре­дусмотрены песчаные буртики сверху и снизу кар­мана, которые зажимают задние стороны фильтра и удерживают его в форме до спаривания полуформ.

Размеры модели рассчитаны на то, что при установке фильтра в форму он прочно прижимает­ся к песчаному оттиску и, смещенные фильтром песчинки безопасно попадают в канавку за фильтром, предусмотренную моделью.

Модели DD 1 выпускаются для фильтров следующих размеров:

40 х 40 х 15 мм 50 х 50 х 15 мм 50 х 50 х 22 мм 60 х 60 х 15 мм

Модель для установки фильтра в заливочную чашу:

Модель кармана фильтра DPB3
При использовании данной модели, показанной на рисунке 9, фильтр может ус­танавливаться вручную в верхнюю часть формы.

Фильтр устанавливается почти горизонтально, под наклоном 15 градусов; этот наклон упрощает процесс ручной установки фильтра, а также позволяет избежать всплывание фильтра при заливке. Данная конст­рукция фильтра особенно удобна для проведе­ния испытаний применения фильтра в случаях, когда формовочная машина не укомплектована стержнеукладчиком, или для отливки не приме­няются стержни, или производство не желает использовать для установки фильтра стержнеукладчик по соображениям производительности.

В настоящее время модели DPB 3 выпус­каются для фильтров следующих размеров:

- 50 х 50 толщиной 15 или 22 мм

- 50 х 75 х 22 мм

Установка фильтров в форму:
Фильтр может устанавливаться в фильтр различными способами:
- вручную в заливочную чашу собранной формы
- вручную в открытую полуформу перед сборкой формы
- автоматически в открытую полуформу при помощи специально разработанной маски, смонтированной на плите стержнеукладчика машины ДИСАМАТИК.

Третий метод нашел наиболее широкое распространение, поэтому процессы под­готовки модели кармана фильтра и маски стержнеукладчика взаимозависимы. Точная правильная конструкция маски стержнеукладчика и ее точное позиционирование по от­ношению к форме имеют особую важность для установки как отдельно стержней, так и стержней с фильтрами, вставками прибылей или просто фильтров.

Ошибки при позиционировании стержнеукладчика относительно формы могут привести к повреждению фильтра в момент его установки в литниковую систему. Даже при слабом отклонении стержнеукладчика фильтр может срезать часть песка, который попадет в литниковую систему за фильтром и приведет к образованию дефектов литья.

Конструкция маски стержнеукладчика для установки фильтра:
Для установки фильтра могут применяться стержневые маски различной конст­рукции, выбор которой зависит от размеров применяющегося фильтра, в любом случае маска должна быть точно отрегулирована по положению относительно модели и соот­ветственно формы.

Стержневая маска для применения с моделью кармана фильтра D1. В данном случае требуется маска профиля фильтра с прямоугольным гнездом 52 х 23 мм, глуби­ной 5 мм. Под гнездом следует установить пластину или два опорных штыря, которые будут обеспечивать правильное горизонтальное положение фильтра, удерживаемого в стержнеукладчике. Данная конструкция исключает необходимость дополнительных на­правляющих штырей слева и справа от фильтра.

Также для модели D1 маска стержнеукладчика может быть дополнена регули­руемым пружинным толкателем или маленькими штыревыми пневматическими толка­телями.

При использовании модели DDI маска стержнеукладчика должна иметь гнездо формы прямоугольного треугольника (размеры и форма должны соответствовать про­филю половины фильтра, рассеченного по диагонали). Фильтр вставляется в данное гнездо и удерживается системой отсоса воздуха, желательно использовать две воздуш­ные форсунки, при такой конструкции сторона фильтра с закрытыми порами всегда прилегает к одной из воздушных форсунок. Фильтр устанавливается в форму при со­пряжении плиты стержнеукладчика с полуформой, аналогично простановке маленького стержня.