Тема 6 (лекция VIII)

Афл импульсной формовки

Импульсные процессы формообразования (ИПФ) – процессы, характеризующиеся кратковременным (0,1 с) уплотняющим воздействием на формовочную смесь ИПФ подразделяются на:

- воздушно-импульсные методы высокого (2-10 МПа и выше) и низкого (0,3-1 МПа) давления;

- газоимпульсные (или формовку взрывом) - давление продуктов сгорания над формовочной смесью достигает 0,4-0,5 МПа.

Иногда к ИПФ относят также формовку высокоскоростным прессованием.

В СССР ведущим разработчиком АФЛ и ИПФ был Крамоторский НПО «НИИПТМаш» и «ВНИИЛитМаш». Эти линии разрабатывались в основном для изготовления средних и крупных форм от 800х700х (200/400) до 3000х2000 (500/1000) мм при производительности от 70 до 140 ф/час.

Основные способы импульсной формовки были разработаны в 60-е годы ХХ века, и мировое первенство здесь принадлежит советским ученым: способ уплотнения взрывом, пневмоимпульсный высокого давления и пневмоимпульсный низкого давления были запатентованы в середине 60-х годов.

Однако развитие и широкое распространения эти способы получили только в 80-е годы, что связано с постепенным совершенствованием конструкций формовочных машин и в первую очередь импульсных головок, сердцем которых является быстродействующий импульсный клапан.

Сегодня мировыми лидерами в производстве АФЛ ИПФ являются «Disa+GF», «BMD». Время срабатывания клапана в формовочных автоматах этих производителей составляет 0,003-0,01 с. Принцип открывания клапана: 1 – ударом, 2 – с использованием разгонного участка.

Эффективность уплотнения импульсом определяется в первую очередь скоростью нарастания давления над смесью (dp/dt). Высокоскоростной газовый поток разгоняет формовочную смесь. Уплотнение происходит при торможении разогнавшейся формовочной смеси о модель и подмодельную плиту за счет сил инерции.

ИПФ имеют низкую энергоемкость, обеспечивают высокую равномерность и достаточную плотность формы, относительно простую конструкцию формовочного автомата. Однако при реализации этих методов имеет место недоуплотнение верхних слоев формы (поэтому зачастую ИПФ используют в сочетании с прессованием, или срезают верхний слой смеси). Кроме того, при использовании ИПФ имеет место повышенный шум, особенно при формовке импульсом высокого давления и формовки взрывом.

Скорость движения смеси при ИПФ достигает 10-15 м/с, а ускорение 20-50 .

Важными условиями хорошего уплотнения смеси ИПФ являются:

- предварительная аэрация смеси;

- относительно высокий столб смеси;

- смесь с невысокой влажностью (3,2-3,6 %).

Важнейшее требование – высокая скорость срабатывания воздушного клапана, которая определяет скорость нарастания давления над формовочной смесью.

Мощность воздействия воздушного потока на смесь можно выразить уравнением:

, (Вт)

где Р_р и V_р – давление и объем в ресивере;

k - показатель адиабаты;

Е₀ – энергия воздушного потока;

_n – время истечения воздуха из ресив6ера, с.

Для ВПФ под высоким давлением наиболее рациональными являются следующие параметры: Р_р = 7-10 МПа, V_р= 0,05-0,1 V_on, F_bn.о(0,025-0,043)F_on.

Для импульсной формовки низкого давления оптимальные такие характеристики: V=4-5 V_опоки; t_к (время) открытия клапана = 0,003-0,007 с; Р_р=0,5-0,7 МПА; минимальный объем подклапанной полости (пространство между клапаном и поверхностью формовочной смеси); F_{на отв.} (0,15-0,2) F_on; F_вент=(0,01-0,012) F_on.

Мощность, развиваемая воздушным потоком должна быть на уровне 80-100 кПа/с для ВПФ высокого давления, 10-100 МПа/с – для ВПФ низкого давления и ГИФ.

Различают клапаны:

- взрывного типа

- ударного типа открытие ударом, недостатки: низкая стойкость,

- пружинные сложность установки; преимущества: простота, компактность.

- ступенчатые поршневые

(с телескопическим штоком)

- рычажные открытые с предварительные разгоном клапана

- шиберные преимущества: долговечность, точная повторяе-

- тарельчатые мость установки; недостатки: большие габариты,

сложность конструкции, энергоемкость.

На рис. 7.1. представлена схема процесса уплотнения формовочной смеси воздушным импульсом высокого давления. Дозированная порция смеси заполняет формообразующую емкость, образованную модельной плитой 1 с моделями 2, опокой 3 и наполнительной рамкой 4, причем модельная оснастки обязательно снабжена вентами 5. Формообразующая емкость герметично соединяется с импульсной головкой. Герметичность достигается за счет эластичных уплотнений 6 (резиновых жгутов) на модельной плите и рамке. Ресивер импульсной головки 7 заполняют сжатым воздухом в количестве 10-40 объемов уплотняемой смеси. Но поскольку он очень сильно сжат (5-8 МПа), то объем ресивера на порядок меньше объема опоки. Посредством воздушного клапана воздух быстро, за 0,02-0,03 с выпускается и равномерным потоком направляется на свободную поверхность формовочной смеси. Воздух истекает из ресивера узкой струей со сверхзвуковой скоростью. Благодаря рассекателю с дефлектором, происходит усреднение скорости потока по его поперечному сечению. Рассекатель – одна или несколько перфорированных плит с размерами, соответствующими размерам в свету наполнительной рамки. Диаметр отверстий – 5-10 мм. Дефлектор представляет собой конус, расположенный на верхней плите (решетке) рассекателя сносно выпускному отверстию. Воздушный поток, ударяясь о дефлектор, меняет направление, теряя скорость, и заполняет полость рассекателя. Проходя через решетку рассекателя, воздушный поток дробится и поступает в полость прессования (надопочное пространство) в виде множества отдельных маленьких струек. Кинетическая энергия их мала и не оказывает существенного влияния на процесс. Основным уплотняющим фактором здесь является скорость роста давления над смесью. Воздух интенсивно фильтруется по порам смеси со скоростью порядка 10-15 м/с и приводит формовочную смесь в псевдоожиженное состояние, разрывая первичные связи между отдельными конгломератами и песчинками. Быстро растущее давление над смесью разгоняет ее. При резком торможении о модельную плиту и модели происходит уплотнение нижних слоев. Верхние слои уплотняются, ударяясь о нижележащие, уже уплотненные слои. Внутрипоровой воздух удаляется в атмосферу через венты в модельной оснастке. Происходит окончательное доуплотнение смеси за счет фильтрации воздуха. К концу процесса давление над смесью снижается вследствие фильтрации. Этот избыток давления сбрасывается в атмосферу через специальный выхлопной клапан в наполнительной рамке. Верхний неуплотненный слой смеси обычно срезается.

На рис. 7.2. представлена схема работы импульсной установки низкого давления с клапаном тарельчатого типа (летающая тарелка «Georg Fischer»):

Импульсная головка имеет ресивер – 3 сжатого воздуха, давлением (0,5-0,6) МПа, рабочий запорный орган – 8 тарельчатого типа, установленный с возможностью вертикального перемещения в клапанной коробке – 7, смонтированной в ресивере – 3 импульсной головки. В положении закрытия клапана рабочий запорный орган – 8 перекрывает выпускное отверстие – 9, которое при открытии клапана сообщает ресивер – 3 с формообразующей емкостью, направляя в нее воздушный импульс. Управление рабочим запорным органом – 8 производится через трубопровод – 2 с клапаном – 1. Давление в ресивере – 3 создается подачей сжатого воздуха через патрубок – 5 с клапаном – 4. При снятии давления в полости 6 запорный орган отрывается от седла выпускного отверстия – 9 и ускоренно поднимается до упора в днище клапанной коробки – 7 под давлением в ресивере – 3, воздействующим на всю площадь нижней поверхности запорного органа. В результате из ресивера через выпускное отверстие в формообразующую емкость, включающую наполнительную рамку, опоку и модельную оснастку, поступает воздушная волна для импульсного уплотнения смеси.

Тарельчатый клапан в представленной конструкции практически неизнашиваемый надежный и простой в изготовлении, площадь впускного отверстия  0,5 F_on, однако клапан имеет достаточно большой ход (hD/4), что увеличивает время его открытия.

Воздушноимпульсная формовка под высоким давлением позволяет изготавливать крупные формы (до 6м²) на достаточно компактных машинах. Однако этот метод требует использования мощных компрессоров, сопровождается высоким уровнем шума и энергозатрат.

Воздушноимпульсная формовка под низким давлением имеет низкий уровень шума, низкие энергозатраты, высокую производительность, позволяет использовать сетевой сжатый воздух и не делать венты в модельной оснастке (силы фильтрации для ВИФ низкого давление не играют существенной роли, так как Р/dt на порядок выше, чем при ВИФ высокого давления).

Для газоимпульсной формовки (ГИФ) справедливы все закономерности процесса ВИФ низкого давления. Наиболее рациональными являются следующие параметры процесса: Р_к=0,5-0,6 МПа (давление в камере сгорания), Р=10-50 МПа/с, V₂=0-12 м/с, F_d=1/2 F_камеры; V_k=(3,5-5,5)V_см, _{процесса}=0,02-0,03 c.

На рис. 7.3 представлена схема газоимпульсной формовочной установки. Газоимпульсная установка состоит из камеры сгорания – 1, трубы-дефлектора – 2, запальной свечи – 3, вентилятора – 4, переходной камеры – 8, наполнительной рамки – 9, модельно-опочной оснастки – 10, 11, 12.

Горючий газ подается по трубопроводу – 7 в дозатор – 6 объемного типа и далее в камеру сгорания – 1. Перед подачей горючего газа в камеру сгорания ее проветривают вентилятором при открытой свече – 5. Таким образом, окислителем при сгорании газа является атмосферный воздух, находящийся в камере сгорания в соотношении 1:10 (на 1 объем газа – 10 объемов воздуха). Газ подается в камеру сгорания, как правило, самотеком. Объем дозы определяется электроконтактными манометрами (ЭКМ), установленными в дозаторе. При достижении заданного давления газа в дозаторе от ЭКМ подается команда на закрытие впускного клапана и открытие выпускного. При снижении давления в дозатора до  0,01 МПа выпускной клапан закрывается и открывается впускной. При образовании искры в источнике зажигания (электрозарядник) происходит мгновенное сгорание газовоздушной смеси. Образовавшаяся волна давления продуктов сгорания через переходную камеру – 8 мгновенно воздействует на формовочную смесь, находящуюся в наполнительной рамке – 9 и опоке – 10, разгоняет ее в направлении модели – 11 и модельной плиты – 12, где она резко тормозится и, под действием сил инерции, уплотняется. Давление газов над смесью в период рабочего процесса составляет обычно 0,4-0,5 МПа, а давление смеси на модельную плиту достигает – 0,6-0,8 МПа. Верхние слои смеси при этом остаются неуплотненными. Характер распределения плотности формовочной смеси по высоте опоки при газоимпульсном процессе уплотнения аналогичен процессам встряхивания и воздушноимпульсному.

Установки ГИФ просты в изготовлении, не требуют использования дорогостоящих клапанов, однако из-за шума и необходимости применения взрыва не получили широкого распространения.

Формовка высокоскоростным прессованием (ВСП-процесс) обеспечивает лучшую равномерность уплотнения по высоте формы, чем обычное статическое прессование. После того, как раскрылись пневматические захваты, удерживающие подвижные части ударного устройства, в том числе и прессовую колодку, прессовая колодка, двигаясь вниз, ударяется по свободной поверхности смеси, находящейся в модельно-опочной оснастке и уплотняет ее. Скорость колодки в момент удара достигает 4-8 м/с. Верхние слои смеси уплотняются в большей степени, чем нижние.

Однако скорость, которую приобретает слой формовочной смеси, в технологической оснастке обеспечивает дополнительное уплотнение при торможении смеси модельной плитой (рис. 7.4 и 7.5).

Процесс высокоскоростного прессования литейных песчаных форм по характеру силового взаимодействия на смесь можно подразделить на два способа:

а) до удара смесь с оснасткой неподвижна, а движется прессовая колодка;

б) смесь с оснасткой до удара движутся, а прессовая колодка неподвижна.

Схема устройства для высокоскоростного прессования по способу «а» (неподвижная опока и подвижная прессовая колодка) представлена на рис. 7.4).

Устройство состоит из пневмоцилиндра 1, верхней траверсы 3, соединенных четырьмя колоннами 4, захватного устройства 5. На верхней траверсе смонтировано ударное устройство, включающее рабочий цилиндр 1 и ресивер 6, охватывающий рабочий цилиндр. К штоку рабочего цилиндра жестко закрепляется прессовая (ударная) плита 7, удерживаемая захватным устройством 5.

Работа устройства осуществляется следующим образом. После засыпки смеси в модельно-опочную оснастку 2 в ресивер 6 подается воздух давлением 0,5-0,6 МПа. Затем подачей воздуха в привод захватных устройств прессовая плита освобождается и ударяет по смеси. Смесь уплотняется. Цикл снова повторяется 2-3 раза.

В последнее время широкое распространение получили комбинированные способы формообразования с использованием ВСП.

На рис. 7.6. представлено устройство, на котором реализован процесс уплотнения пакета смеси с эффектом поверхностного упрочнения литейных форм. Сущность процесса заключается в следующем (рис. 7.6а). В опоку 1, установленной на неподвижном столе 2, подается смесь камерой-дозатором 3 (роль камеры может заменить коробчатый дозатор) и фиксируется между опокой и ударной плитой 4. Подвижный стол 5 с модельной плитой 6, моделью 7 с помощью нижнего пневмоцилиндра допрессовки 8 поднимает смесь вверх к ударной плите, тем самым формируя пакет смеси 9 до средней плотности =1,4-1,5 г/см³, После этого подвижный стол возвращается вниз в исходное положение, а пакет смеси зависает, за счет боковых сил трения, в камере-дозаторе. В результате образуется некоторое пространство между пакетом смеси и модельной оснасткой высотой h₃. Причем

где: Н₀ – высота опоки;

h_н.р.- высота предполагаемой наполнительной рамки.

Зазор Z между камерой-дозатором и ударной плитой составляет порядка 5 мм. При открывании захватного устройства 10 (рис. 7.6б) ударная плита высокоскоростного цилиндра 11 вместе с пакетом смеси движется вниз, набирая в конце хода необходимую скорость (4,5-6 м/с) для получения импульса сил при соударении с модельной оснасткой.

При соударении рабочие поверхности полуформы образуют некоторый упрочненный слой 12 с повышенной плотностью, до 1,76 г/см³ и твердостью  90 ед. Для повышения плотности и прочности в трудноуплотняемых местах формы и газопроводности, в околомодельной зоне устанавливают «ложную» модель 13, имеющую высоту h_м=(0,45-0,55) Н_м, где Н_м – высота модели 7, тем самым создавая между моделью 7 и «ложной» моделью узкое пространство, где при ударе пакета срабатывает эффект «клина», что приводит к повышению упрочненного слоя на боковой поверхности рабочей зоны.

Применение данного способа уплотнения приводит к повышению эффекта поверхностного упрочнения рабочей зоны в трудноуплотняемых местах эффектом «клина». Пустое пространство, образованное из-за «ложной» модели, увеличивает газопроводность формы, а для определенной категории модели к тому же увеличивает податливость формы при усадке отливки, тем самым, предотвращая горячие трещины и внутренние напряжения в отливках.

Организация и планировочные решения АФЛ импульсных процессов формообразования отличаются от прессовых АФЛ только самим формовочным автоматом, поэтому рассмотрим лишь одну типичную линию импульсной формовки, разработанную в конце 80-х годов ВНИИЛитМашем». Линия представлена на рис. 7.7. имеет следующий состав:

I, II – участки формовки, III - участок заливки, IV – участок охлаждения.

1 – конвейер

2 – подъемный стол (установка опоки на модельную плиту)

3 – обдувка на столе, простановка закладных

4 – формовочная машина (дозатор, импульсный )

5 - срезка верхнего слоя

6, 10, 20 – кантователи

11 – сборщик форм

15 – стол установки формы на поддон

13 – очистка поддонов

16 – стенды заливки форм

17 – стол съема с поддонов

18 – разъединение полуформ

21 – очистка опоки

22 – виброрешетка.