Технология приготовления формовочных смесей

Введение

лопатка отливка смеситель формовочный

Основными видами машин, используемых в промышленности для получения формовочных и стержневых смесей, являются бегуны, маятниковые смесители (бегуны с вертикальной осью вращения катков), барабанно-валковые смесители и, в последнее время, роторные и центробежно-планетарные. Анализ принципов работы традиционного и современного смесеприготовительного оборудования позволяет выявить общие тенденции его развития. Совершенствование смесителей идёт по двум направлениям: — модернизация традиционных смесителей путем увеличения скорости движения рабочих органов, например, в маятниковых смесителях и повышения уровня напряжений в смеси, а также создание новых скоростных смесителей с высоким уровнем динамического воздействия на смесь. Следует отметить, что в большинстве случаев эффект от повышения качества форм и стержней, выражающийся в снижении брака и повышении качества отливок, является определяющим при выборе смесеприготовительного оборудования. Трудоемкость операций выбивки форм и стержней, очистка отливок определяются составом и свойствами формовочных и стержневых смесей и, как правило, снижается при сокращении расхода связующих. Повышение эффективности использования связующих и их расхода за счет совершенствования техники и технологии смесеприготовления, разработка новых принципов работы и конструкций смесеприготовительного оборудования, позволяющего получать смеси высокого качества, является актуальным направлением развития литейного оборудования.

Анализ литературы показывает, что интенсификация процесса формирования структуры смеси и, в частности, пленки связующего на поверхности зерна существенно зависит от уровня нормальных напряжений и сдвиговых деформаций, возникающих при перемешивании смеси. Равномерное распределение связующего по поверхности зерен наполнителя возможно лишь при многократном повторении цикла «разрушение — восстановление» контактов между зернами.

В работе представлена классификация смесеприготовительных машин, которая позволила разработать новый принцип работы смесителя — центробежно-лопаточный, обеспечивающий высокий уровень напряжений в смеси и большое количество циклов обработки.

Настоящая работа посвящена разработке основ теории, технологии и машин центробежно-лопаточного смешивания (ЦЛС). Практическая эксплуатация ЦЛС способствует получению ряда технических эффектов: повышению адгезии связующего, сокращению его расхода, интенсификации процесса смешивания, получению однородных смесей стабильного качества, снижению расходов на изготовление и эксплуатацию смесителей.

Актуальность работы подтверждается выполнением её по программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники в 2003-2004 годах».

Целью работы является создание общих принципов и методик проектирования конструкций центробежно-лопаточных смесителей, изучение особенностей их работы и технологии приготовления литейных смесей для повышения их качества, а также определение эффективности практического применения ЦЛС в межотраслевых технологиях.

Достижение данной цели осуществлялось путем решения следующих задач:

— разработать конструкцию и изготовить центробежно-лопаточный смеситель (ЦЛС);

— разработать методику исследования процессов смешивания в ЦЛС;

— провести экспериментальные исследования влияния режимов работы смесителя на качество получаемых смесей;

— разработать методику расчета основных технических и конструктивных параметров смесителя;

— оценить эффективность и технологические особенности приготовления в ЦЛС основных видов формовочных и стержневых смесей.

В работе получены следующие новые научные положения:

— классификация смесеприготовительного оборудования по способу силового воздействия на смесь и сочетанию активных конструктивных элементов смесителя;

— новый принцип работы смесителя — центробежно-лопаточный;

— основные теоретические положения методики проектирования ЦЛС;

— технологические режимы приготовления песчано-глинистых, жидкостекольных, смоляных смесей холодного и горячего твердения. изделий.

К основным практическим результатам работы относятся: новые аналитические и экспериментальные данные, составляющие основы теории центробежно-лопаточного смесеприготовления; разработка установки и методики исследований ЦЛС; определение технологических режимов приготовления в ЦЛС высокопрочных песчано-глинистых смесей, а также формовочных и стержневых смесей производственных рецептур; методика проектирования и основные конструктивные схемы ЦЛС.

На основе полученных научных результатов и методики проектирования разработана ЦЛС, с горизонтальным расположением оси вращения рабочей емкости, работающие в периодическом и непрерывном режиме. Основные варианты конструктивных решений смесителей изготовлены и опробованы в промышленных условиях на формовочных, стержневых видах смесей. Разработанный ЦЛС имеет простую конструкцию, надежный в эксплуатации, снабжен системами безопасности, удобен в обслуживании, наладке и работе.

1. Достоинства и недостатки предыдущих модернизаций и разработок ЦЛС

В ходе исследований по данной тематике 2012 году было выяснено, что данный ЦЛС не способен работать в непрерывном режиме. Была поставлена задаче по решению данной проблемы. По окончанию работ была предложена схема и методика изготовления дополнительной лопатки, которая позволяла бы направлять готовую смесь к выходному окну. Данная конструкция показала свою способность к перемещению готовой песчано-глинистой смеси в осевом направлении барабана. На рисунке 1.1 изображена 3D модель разработанной лопатки

Рисунок 1.1 — 3D модель ранее разработанной лопатки

Для данной лопатки были выбраны оптимальные углы поворота рабочих плоскостей относительно осевой линии вращения барабана. Они показаны на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Схема расположения рабочих плоскостей лопатки относительно центра вращения барабана

Данная лопатка крепилась к корпусу ЦЛС и располагалась ниже центра вращения барабана. Данное размещение лопатки оказалось весьма неудобным, так как для удаления оставшейся в барабане песчано — глинистой смеси приходилось каждый раз снимать лопатку полностью, это вызывало некоторые неудобства в эксплуатации установки. Так же возникла проблема связанная с прочностью данной конструкции. На рисунке 1.3 отчётливо видно слабый узел разработанной лопатки. Это — регулировочные штифты. Со временем происходило расшатывание конструкции, что вело к снижению производительности и риску обрыва лопатки от центральной оси конструкции.

Рисунок 1.3 — Расположение участка конструкции слабого звена

Была приведена рабочая схема поведения песчано — глинистой смеси в барабане в момент перемешивания Схема представлена на рисунке 1.4.

Рис. 1.4 — Схема обработки ПГС в ЦЛС где,

— Радиус кривизны отскока смеси после прохождения лопатки

— Радиус до уплотненного слоя смеси

H — Толщина уплотнённого слоя смеси

щ — Скорость вращения барабана рад/сек

у — Уплотнённая смесь

На данной схеме видно, что часть смеси после отскока попадает и на лопатку тем самым смесь меняет своё положения относительно оси барабана. Именно это наблюдение позволило сделать вывод о том, что если на рабочей режущей лопатке изготовить желобы под определённым углом, то перемещение смеси будет происходить по тому же принципу, что и с прежде разработанной лопаткой. На основании выше сказанного была изготовлена модель рабочей лопатки при помощи программного обеспечения КОМПАС, и выращенная при помощи 3D прототипирования моделей. Возникла необходимость замены лопатки для выброса так как она крепилась так же на центральную ось лопатки.

1.1 Расчёт рабочей лопатки

Для рабочей лопатки был проведён расчёт

Максимальная масса при непрерывном режиме, которая может одновременно обрабатываться в барабане составляет 2,5 кг, отсюда мы можем найти объем смеси, зная что плотность смеси составляет

(1.1.1)

м³

Отсюда получим:

м²

Определяем диаметр слоя смеси зная ее площадь из выражения:

(1.1.2)

м,

т.е. толщина слоя смеси, будет равна 0,0115 м

Рисунок 1.1.1 — Схема распределения смеси в ЦЛС

Видно, что максимальная толщина слоя смеси 0,0025 м при вертикальном расположении барабана

Зная радиус барабана и радиус слоя смеси найдем площадь слоя:

0,016 м²

Отсюда объем равен:

м³

Находим максимальную массу, которая может обрабатываться в барабане:

кг

Значит, при вертикальном расположении барабана коэффициент загрузки k_з=1=4.8 кг. Масса которая может обрабатываться в барабане при непрерывном режиме составляет 2,5 кг, следовательно, коэффициент загрузки k_з=0,52

Из диссертации А.Г. Афанасьева известно, что рекомендовано принимать коэффициент загрузки от 0,3…0,6 в качестве оптимального для процесса смесеприготовления в ЦЛС.

При таком коэффициенте загрузки скорость вращения регулируется в пределах от 50 до 70 рад/с, при таких скоростях вращения отсутствует осыпание и ярко выражен процесс перемешивания на участке падения потока материала.

Для перемещения ПГС на плоскости рабочей лопатки было рассчитано и изготовлено оребрение. Для расчёта ореберения были применены следующие данные:

L — рабочая длина барабана (м)

щ — Скорость вращения барабана (об/сек)

M — Масса рабочей смеси переносимый за 1 сек

— Рабочая масса барабана (Кг)

P — Производительность ЦЛС (Кг/ч)

1.2 Определение объёма одного участка оребрения

Зная рабочий объём данного Ценнтробежно — лопаточного смесителя равного = 2.5 кг и производительностью P = 800 Кг/ч рассчитываем производительность за 1 сек:

M = (1.2.1)

M = 0.22 Кг

Таким образом мы получаем известное нам количество песчано — глинистой смеси переносимой за единицу времени. Переведём полученную массу в объём для песка. Данный расчёт представлен на рисунке 1.2.1

Рисунок — 1.2.1 — Перевод массы в объём

Это составляет 137.3 . Теперь нам известен объём, который необходимо перемещать за единицу времени. Из предыдущих исследований известно, что время обработки одной порции не должно превышать 5 — 7 сек, следовательно возможно посчитать количество оборотов барабана за данный отрезок времени. Известно, что оптимальный режим работы составляет 600 об/мин, получаем:

(1.2.2)

об/сек

Для одного цикла перемешивания количество оборотов составит:

5·10 = 50 оборотов.

Ранее полученный объём был делим на количество рёбер на лопатке. В данном случае получилось 27 оребрений. Посчитаем объём переноса смеси бля одного оребрения:

5.1

Такой необходимый объём должен иметь один сектор оребрения. Так как поток смеси у нас ламинарный, то часть смеси протекает как бы не внутри оребренной зоны лопатки а по уплотнённому слою песка тем самым не участвуя в процессе переноса. В этом случае смесь отправляется на следующий оборот.

1.3 Изготовление рабочей лопатки при помощи 3D прототипирования

Для изготовления рабочей лопатки был применён достаточно распространённый на сегодняшний день метод 3D прототипирования. Его основной и пожалуй наиболее востребованной функцией является возможность послойного выращивания ранее построенной при помощи CAD систем трёхмерную модель. Лазерная стереолитография (SLA) — объект формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ртутных ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего, объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя. Ниже представлена трёхмерная модель изготавливаемой детали и чертёж общего вида.

Рисунок 1.3.1 — 3D модель изготовленной лопатки

Рис. 1.3.2 — Общий вид рабочей лопатки

Процесс прототипирования лопатки

Для изготовления лопатки её модель обработали в программе ESPER. Полученный обработанный файл загрузили непосредственно в ПО 3D принтера. После этого осталось настроить только некоторые физические параметры. Ниже представлена готовая модель лопатки изготовленная из фотополимеризующегося компанента. Момент затвердевания происходит при комнатном освещении, так что после изготовления некоторое время лопатка должна «выстаятся»

Рис. 1.3.1.1 — Модель лопатки на рабочем столе принтера

Рисунок 1.3.1.2 — Затвердевшая модель лопатки

1.4 Параметры точности отливки и припуски на механическую обработку

Определение точностных характеристик и соответствующих им допусков и припусков отливок производится по ГОСТ Р 53464-2009.

В качестве базовых поверхностей выбираем те поверхности отливки, которые останутся необработанными в конечной детали, что обеспечит получение достаточно точных размеров между обработанными и необработанными поверхностями детали.

Исходные данные: отливка крышка, материал серый чугун СЧ 20, наибольший габаритный размер 250 мм, масса 0,83 кг, отливка средней сложности, способ литья в песчано-глинистые сырые формы из смесей с влажностью от 3,5 до 4,5% и прочностью от 60 до 120 кПа (от 0,6 до 1,2 кг/см²), с уровнем уплотнения до твердости не ниже 70 единиц.

1) По таблице 9 для заданного технологического процесса и габаритного размера 250 мм и сплава СЧ 20 находим интервал класса точности размеров 4-6т, согласно примечанию берем КР 5.

2) По таблице 10 находим степень коробления элементов отливки: фланца и основной цилиндрической части отливки.

Коробление фланца: за высоту принимается h = 7 мм, а за длину — L =250 мм. Таким образом, h/L = 7/250 = 0,03. Для отношения h/L с учётом разовой формы и термообработки отливки попадаем в интервал 1, в соответствии с примечанием принимаем СК 1

3) По таблице 11 для заданного технологического процесса, габаритного размера — 250 мм и материала СЧ20 находим интервал степеней точности поверхности 4-7. С учетом примечания принимаем СП 4.

4) По таблице 13 для заданного технологического процесса, номинальной массы 0,83 кг и материала СЧ20 находим интервал классов точности массы 7т-14, с учетом примечания принимаем КМ 11.

5) По табл. 1 для КР 5 и h = 7 мм находим Т_см=0,4 мм.

Таким образом, точность отливки: 1-4-10-11 См. 0,4 мм ГОСТ Р 53464-2009.

6) Для обрабатываемых поверхностей необходимо определить ряд припуска РП. По таблице 14 находим для степени точности поверхности СП 10 интервал ряда припусков 5-8, с учётом примечания принимаем РП 5.

7) Определение припусков производим для трёх обрабатываемых поверхностей: A, B, C.

Выбор литниковой системы

Литниковая система (ЛС) должна обеспечить спокойную, равномерную и непрерывную подачу металла в заранее определенные места отливки. Конструкция ЛС должна создавать условия, препятствующие засасыванию воздуха потоком металла. ЛС должна задерживать все неметаллические включения, попавшие в поток металла. Одной из важнейших функций ЛС является заполнение формы с заданной скоростью: при очень большой скорости заливки происходит размыв стенок формы и каналов самой ЛС, а при слишком медленной заливке — значительное охлаждение металла и образование спаев, неслитин, недоливов. ЛС должна способствовать выполнению принципа равномерного или направленного затвердевания отливки. Она служит для частичного питания жидким металлом отливки в начальный момент ее затвердевания.

Расчёт литниково-питающей системы для заливки стали из чайникового ковша

Расчет прибыли по методу И. Пржибыла:

Данный метод применим для многих сплавов. Объем прибыли можно определить по уравнению

V_п= (1.4.2.1)

где в — отношение объема прибыли к объему усадочной раковины (V_п/V_р).

е_V^|?часть объемной усадки сплава, принимающая участие в формировании усадочной раковины.

V_о ? объем питаемого узла.

Для определения V_п по вышеприведенному уравнению необходимо выделить в отливке узлы питания и рассчитать обьем V_о

Данный расчёт производиться для СЧ 20 усадка которого составляет около 1%, поэтому расчёт прибыли не производится.

1.5 Расчёт остальных элементов литниково-питающей системы по соотношению

F_ст: УF_лх: УF_пит = 1,0: 1,1: 1,2 (1.5.1.)

F_ст — площадь стояка, м^2;

F_л.х. — площадь литникового хода, м^2;

F_пит — площадь питателя, м²

По формуле Соболева определяем время заливки:

ф = , (1.5.1.1.)

д — толщина стенки отливки, в мм.

G — масса отливки с ЛПС;

вес ЛПС =10%*G_отл=0,083 кг

G= G_отл+G_лс = 0,913 кг

Площадь питателей:

, (1.5.1.2.1)

м — коэффициент расхода;м = 0,42;

g — ускорение силы тяжести, g = 9.81 м/с² (981 см/с²);

Н_р — расчетный напор; Н_р = Н — h/2 =200-100/2 =150 мм=0.15 м;

h — высоты отливки в верхней полуформе +высота прибыли;

Н — высота опоки;

,

F_уз.м.= У F_пит (1.5.1.2.2)

F_уз.м.= У F_пит = 0,00011 м²

УF_лх = УF_пит *1,1 (1.5.1.2.3)

УF_лх = УF_пит *1,1 = 0,00009 *1,1 = 0,000099 м²

— на одну сторону, (1.5.1.2.4)

где а — высота литникового хода, м

а=

F_ст = рd²/4 (1.5.1.2.5)

где d — диаметр стояка нижнего;

d_н=

d_ст.в. = d +0,015*Н, (1.5.1.2.6)

где d_ст.в. — диаметр стояка верхнего

d_ст.в =0,011+0,015·0,15 = 0,013 м = 13 мм

В = УF_пит/ h_пит (1.5.1.2.7)

h_пит=1/2*a (1.5.1.2.8)

h_пит = 1/2*a= 0,05 м = 5 мм

В = 0,09 м = 9 мм

в-ширина одного питателя

В-суммарная ширина всех питателей;

n — количество питателей

n=B/в

n = 1; в = В = 9 мм

Выбираем размеры литниковой воронки.

Выбираем воронку d_св=18 мм.

1.6 Расчёт времени охлаждения отливки

Расчет времени охлаждения отливки в форме для фасонных отливок (для сплавов, кристаллизующихся при постоянной температуре):

ф=, (1.6.1)

где ф — время охлаждения отливки, с;

R — Приведенная толщина отливки;

R=V/F;

V — объем отливки, м³;

F — площадь поверхности, м²;

b_ф — коэффициент теплоаккумулирующей способности формы,

С_ж, С_т — удельная теплоемкость сплава в жидком и твердом состоянии, Дж/(кг К);

с_ж, с_т — плотность сплава в жидком и твердом состоянии, кг/м³;

L — удельная теплота кристаллизации сплава, Дж/кг;

V_з, V_л, V_с, V_к, V_в — относительная температура заливки, ликвидуса, солидуса, кристаллизации, выбивки, отсчитывается от температуры формы;

V_з=t_з — t_{ф н}° С;

V_к= t_к — t_фн° С;

Температуру выбивки отливок выбирают с таким расчетом, чтобы металл приобрел достаточную прочность, и в отливке не возникало больших термических напряжений, которые могут привести к образованию холодных трещин и к короблению. Температура выбивки составит 800°С;

Для сплавов, кристаллизующихся в интервале температур:

Для проверки заполняемости формы был проведём расчёт при помощи моделирующей программы LVMFlow. Данные по усадке и заполнения представлены на рисунке 1.6.1

Рис. 1.6.1 — Проверка на заполнение и усадку лопатки

Основные характеристики получения чугуна с отбелом

Отбеленные отливки — поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун.

Соответственно в отбеленном слое различают:

а) зону чистого отбела, простирающуюся на глубину от поверхности отливки до появления первых включений графита — х;

б) переходную зону, простирающуюся на глубину от первых включений графита в зоне чистого отбела до последних включений карбидов в сером чугуне сердцевины — z.

Критерий качества отбеленной отливки Ак является отношением глубины зоны чистого отбела к сумме глубин чистого отбела и переходной зоны:

А_к = х /(х + z)

Критерий качества разработан применительно к валковому производству и наиболее полно характеризует эксплуатационные свойстваотбеленных отливок; глубиной слоя чистого отбела определяется их износостойкостью, а глубиной общего отбела — прочность. Помимо этого, глубина общего отбела характеризует и эксплуатационные свойства отбеленных отливок со сложным профилем поверхности, получаемым путем механической обработки в пределах отбеленного слоя.

Структура рабочего слоя отбеленных отливок зависит для каждого из их типов от химического состава чугуна и технологии производства. Металлическая основа отбеленного слоя изменяется от перлитной при нелегированном чугуне до тонкоперлитной, включая сорбитную при низком легировании никелем (1,25 — 1,75% Ni), трооститно — сорбитную и трооститную при среднем легировании (2,5 — 3,0% Ni), до мартенситно — аустенитной при высоком легировании (3,5-4,5% Ni). Соответственно изменяется характер кристаллов карбида и количество перлитокарбидной эвтектики.

Классификация чугунов. Маркировка чугунов.

В составе чугуна 2,8…3,6% углерода, и пониженное содержание кремния — 0,5…0,8%.

Углерод оказывает весьма большое влияние на эксплуатационные свойства отбеленных отливок; твердость их рабочего слоя возрастает с увеличением его содержания. Понижение содержания углерода способствует созданию более равномерных эксплуатационных свойств по всему сечению отливок, а его повышение, при неизменном составе чугуна по содержанию остальных элементов, вызывает заметное изменение эксплуатационных свойств по глубине рабочего слоя.

Содержание кремния является одним из главных факторов комплексных служебных свойств отбеленных отливок (их износостойкости ипрочности) и основным средством их регулирования. Поэтому точное содержание его обычно не регламентируется, а устанавливается по технологическим пробам контроля плавок на отбел. Образцы таких проб имеют форму усеченного клина с канавкой на боковой поверхности для получения направленного излома. Размер проб назначаются в зависимости от плавильного агрегата, содержания углерода и серы в чугуне. Пробы заливают в песчаную форму, установленную на чугунном поддоне, и охлаждают поэтапно по определенному режиму в форме, на воздухе и в воде.

Твердость металлов. Твердость по Шору. Твердость по Бринеллю. Твердость по Виккерсу. Твердость по Роквеллу.

Надежным методом компенсации отрицательного влияния повышенного содержания углерода (графита) на прочность отливки в целом является модифицирование, особенно магнием.

Содержание серы, неблагоприятно влияющей на эксплуатационные свойства отбеленного чугуна, поддерживается на низшем уровне, в пределах 0,06-0,12%; в чугуне, модифицированном магнием, содержание серы снижается до 0,002 — 0,02%. Для предупреждения самополирования рабочего слоя в гладких мукомольных валах содержание серы повышается до 0,12 — 0,20%.

Незначительная присадка теллура весьма интенсивно повышает отбеливаемость чугуна и ввода 0,001% его эквивалента снижению содержания кремния на 0,04%.

Технологические свойства материалов (металлов). Эксплуатационные свойства материалов (металлов).

Повышенное содержание фосфора, сильно понижающего износостойкость и прочность отбеленного чугуна, допускается в связи с его способностью предотвращать образование горячих трещин в процессе кристаллизации отбеленного слоя.

Хром в количестве 0,15 — 1,5% используется для торможения процесса графитизации, что особенно существенно в производстве крупных отливок из отбеленного чугуна.

Присадки бора значительно улучшают качество рабочего слоя отливок и используются для регулирования твердости и глубины отбела; но начиная с 0,0003 — 0,0006% дальнейшее повышение его содержания увеличивает глубину отбела и после ввода 0,008 — 0,002% бора, количество серой составляющей в отливке стабилизируется. Влияние обработки чугуна присадками магния на глубину отбеленного слоя зависит от наличия в чугуне его избыточного количества и каждые 0,0025% магния увеличивабт глубину отбеленного слоя в среднем на 1 мм.

Механические свойства металлов. Механические свойства сталей. Механические свойства сплавов.

Термическая устойчивость отбеленного чугуна выражается в сопротивлении его растрескиванию при многократном нагреве и охлаждении. Для увеличения термической устойчивости отбеленного чугуна рекомендуется создание такой структуры, в которой карбидная составляющая расположена изолированными областями в основной металлической массе.

Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6%) и алюминием (1…2%). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.

1.7 Изготовление песчано-глинистых форм и заливка лопатки

Так как данная лопатка производиться единичной партией, то для её изготовления дыл применён ручной метод формовки.

В нижнюю полуформу установили модель лопатки полученную методом прототипирования. На рис 1.7.1 наглядно представлено расположение лопатки относительно формы.

Рисунок 1.7.1 — Расположение модели в полуформе.

После изготовление верхней и нижней полуформы опоки были отправлены в сушильный шкаф для уменьшения влажности смеси и для повышения газопроницаемости. На рис 7474 показан момент сушки форм.

Рис. 1.7.2 — Сушка полуформ в сушильном шкафу при температуре 260°С

После сушки формы припылили и собрали. Это показано на рис1.7.3 и 1.7.4

Рисунок 1.7.3 — Припылённая полуфориа

Рисунок 1.7.4 — Собранные полуформы готовые к заливке

После сборки полуформ произвели заливку. На рисунке 1.7.5 представлен процесс заливки лопатки.

Пройдя процесс охлождения лопатка была выбита из форм и доработана на механическом участке, где от неё была отделена система питпния и проведена зачистка рабочих по верхностей.

1.8 Изготовление лопатки для выброса смеси

Так как на лопатку для выброса не будут действовать центробежные силы, а в её непосредственную функцию войдёт только снятие слоя обрабатываемого песка, то изготовить данную лопатку возможно из стали, которую в дальнейшем возможно будет сварить между собой. Предпочтение пало на сталь 10Г2А. Данная сталь хорошо сваривается и обладает механической жоскостью и износостойкостью, поскольку в ёе состав входит Марганец который повышает способность к истиранию

Общая сборка представляет собой соединение основной режущей лопатки и лопаткой для выброса в один единый рабочий узел, с единым местом крепления к корпусу центробежно-лопаточного смесителя.

1.9 Общие сведения о газопроницаемости и прочности песчано — глинистых смесей

Формовочные и стержневые смеси получают из свежих материалов и бывшей в употреблении формовочной смеси. Исключение составляют некоторые стержневые смеси, состоящие только из свежих материалов, и наполнительные, состоящие из отработанной смеси. Процесс приготовления смесей разделяют на три этапа: 1) подготовка свежих формовочных материалов; 2) подготовка оборотной смеси; 3) перемешивание всех составляющих.

В лабораторных условиях смесь приготовляется из свежего, предварительно высушенного и просеянного песка. В связи с этим рассмотрим лишь третий этап приготовления смеси. Для перемешивания наиболее часто используются бегуны. С их помощью смесь перемешивается, каждая песчинка под катком получает вращательное движение. При этом она покрывается тонкой оболочкой глины.

В смешивающий аппарат сначала загружают сухие материалы: песок и угольный порошок; затем добавляют воду и после двух-трех минут смешивания вводят глину.

Свойства подученной смеси зависят от зернового состава исходного кварцевого песка, свойств и количества связующих материалов, количества воды и определяются путем испытаний на прочность, газопроницаемость, пластичность, противопригарность, податливость и т.д. Основными из этого перечня считаются прочность и газопроницаемость, поэтому в данной лабораторной работе рассматриваются способы испытания на прочность в сухом и сыром состояниях и метод нахождения величины газопроницаемости.

Газопроницаемость — это способность смесей вследствие своей пористости пропускать образующиеся в форме в процессе ее отливки газы. Газопроницаемость растет с увеличением размеров и однородности зерен песка, а также по мере уменьшения плотности набивки и содержания глины и влаги.

Для испытания смеси на газопроницаемость из нее изготавливают стандартные образцы диаметром 50±02 мм на лабораторных копрах (рис. 2.1).

Металлическую гильзу 9 устанавливают на поддон 1 и в нее высыпают навеску (примерно 170 г.) формовочной смеси. При этом следят за тем, чтобы поверхность насыпанного слоя смеси была горизонтальной. Подъемником 3 копра поднимают шток 4 и груз 6; на станину устанавливают поддон с гильзой, осторожно и плавно опускают боек 2, закрепленный на штоке, в гильзу до соприкосновения со смесью. После этого вращением рукоятки 8 и эксцентрика 7 уплотняют смесь тремя ударами груза 6. Высота образца в гильзе после уплотнения должна быть 50±0,8 мм. Эту высоту контролируют по трем горизонтальным рискам, нанесенным на стойке 5 станины. Совпадение верхнего торца штока со средней риской соответствует высоте образца 50 мм. Крайние риски указывают на допустимое отклонение. После уплотнения гильзу с поддоном снимают с копра, отделяют поддон от гильзы и образец вместе с гильзой устанавливают на прибор для испытания газопроницаемости.

Для определения газопроницаемости через стандартный образец пропускают 2000 см³ воздуха, при этом фиксируют давление воздуха перед образцом и время его прохождения через образец.

Прибор для определения газопроницаемости песков и влажных, сухих или отвержденных образцов формовочных и стерж-шевых смесей согласно ГОСТ 23409.6 — 78. Применяется в цеховых и заводских лабораториях формовочных материалов и смесей, и лабораториях НИИ. Климатическое исполнение УХЛ, категория размещения 1.9.2 по ГОСТ 15150 — 69. Предназначен для эксплуатации в помещениях лабораторного типа при температуре окружающего воздуха 15-35° С, относительной влажности воздуха 45-80%. Прибор состоит из основания 1, на котором укреплены бак 2 с вставленным в него колоколом, узел 4 для установки гильзы с образцом, клапан 5, измеритель 6, снабженный шкалой 7, бачок измерителя 8. Основание объединяет все узлы и детали в единый прибор и позволяет с помощью ножек 9 отрегулировать по встроенному уровню 10 вертикальное положение бака. Бак представляет собой: закрытые снизу днище, две концентричные трубы. В межтрубное пространство заливается вода, образующая водяной затвор, который препятствует утечке воздуха из под колокола. Внутренняя полость малой трубы бака являете направляющей движения колокола и воздуховодом. Нижняя часть воздуховода соединена трубкой 11 с клапанам 5. На наружной поверхности бака имеются таблицы 12 с метками X, 0, 1000 и 2000. Колокол поднимают ручкой 13, центрирование колокола относительно бака осуществляется роликами 14, закрепленными на штоке 15. В верхней части штока расположен клапан колокола Н управляемый кнопкой 17 в ручке колокола. Колокол оснащен указателем 18, который по меткам на баке позволяет отсчитывать объем воздуха, вытесненный из-под колокола. Узел для установки гильзы представляет собой обрезиненный усеченный конус с центральным и боковым каналами. Центральный канал через клапан соединен с воздуховодом бака. В центральный канал ввинчен ниппель 19, закрытый сверху рассекателем 20. К прибору придаются два ниппеля: Dу = 0,5 мм и Dу = 1,5 мм. Боковой канал закрытый сверху малым рассекателем 21 соединяет полость гильзы под образцом с индикатором. Для предотвращения засорения каналов и ниппелей узел в неработающем состоянии закрыт колпачком 22. Ручка клапана выведена на верхнюю панель основания прибора

Измеритель газопроницаемости работает как водяной микроманометр с наклонной трубкой. Шкала измерителя градуирована в единицах газопроницаемости раздельно для каждого ниппеля и содержит над шкалами два участка, градуированных в единицах давления, необходимых для регулировки и настройки прибора. Бачок измерителя является уравнительным сосудом микроманометра. Для регулировки «нуля» измерителя бачок может перемещаться в вертикальной полости с помощью ручки 23. Горловина ручки закрыта заглушкой 24, горловина бачка — пробкой 25. Второй ниппель 26 вкручен в заднюю стенку основания и прикрыт колпачком 27. При нажатии на кнопку, колокол за ручку поднимают на отметку X и отпускают кнопку. В подколокольной плоскости аккумулируется сжатый воздух давлением 100 мм вод. ст. Снимают колпачок и устанавливают гильзу с образцом. При определении газопроницаемости по величине давления между ниппелем и испытуемым образцом воздух из-под колокола пропускают, открывая клапан, через ниппель и образец, и по шкале для ниппеля 1,5 мм считывают газопроницаемость образца.

Если газопроницаемость образца менее 50 единиц, ниппель 1,5 мм заменяют ниппелем 0,5 мм, а величину газопроницаемости считывают по второй шкале.

При определении газопроницаемости по времени протекания воздуха через образец перед испытанием вывинчивают ниппель и, открывая клапан, пропускают сжатый воздух через образец, фиксируя по секундомеру время опускания колокола от отметки 0 до отметки 2000. Основные данные по прибору данной модели приведены в таблице 1.9.1

Таблица 1.9.1 — Основные характеристики прибора для измерения газопроницаемости

2. Приготовления формовочных смесей в центробежном лопаточном смесителе непрерывного действия

лопатка отливка смеситель формовочный

Основными видами машин, используемых в промышленности для получения формовочных и стержневых смесей, являются бегуны, маятниковые смесители (бегуны с вертикальной осью вращения катков), барабанно-валковые смесители и, в последнее время, роторные и центробежно-планетарные. Анализ принципов работы традиционного и современного смесеприготовительного оборудования позволяет выявить общие тенденции его развития. Совершенствование смесителей идёт по двум направлениям: — модернизация традиционных смесителей путем увеличения скорости движения рабочих органов, например, в маятниковых смесителях и повышения уровня напряжений в смеси, а также создание новых скоростных смесителей с высоким уровнем динамического воздействия на смесь. Следует отметить, что в большинстве случаев эффект от повышения качества форм и стержней, выражающийся в снижении брака и повышении качества отливок, является определяющим при выборе смесеприготовительного оборудования. Трудоемкость операций выбивки форм и стержней, очистка отливок определяются составом и свойствами формовочных и стержневых смесей и, как правило, снижается при сокращении расхода связующих. Повышение эффективности использования связующих и их расхода за счет совершенствования техники и технологии смесеприготовления, разработка новых принципов работы и конструкций смесеприготовительного оборудования, позволяющего получать смеси высокого качества, является актуальным направлением развития литейного оборудования.

Анализ литературы показывает, что интенсификация процесса формирования структуры смеси и, в частности, пленки связующего на поверхности зерна существенно зависит от уровня нормальных напряжений и сдвиговых деформаций, возникающих при перемешивании смеси. Равномерное распределение связующего по поверхности зерен наполнителя возможно лишь при многократном повторении цикла «разрушение — восстановление» контактов между зернами. Данный способ приготовления смесей обеспечит производство необходимым количеством смеси с достаточно высокой прочностью и газопроницаемостью. На основе экспериментов проведённых в лаборатории было выявлено влияние скорости и угла поворота лопатки на качество песчано — глинистых смесей с использованием ЦЛС. При проектировании ЦЛС был учтён тот случай, когда под воздействием центробежной силы смесь не успевала выбрасываться из барабана. Эта проблема была решена с помощью установки дополнительных лопаток которые позволили автоматизировать процесс приготовления смеси. Суть данных лопаток построена на то, что при помощи их мы можем корректировать количество смеси одновременно обрабатываемой в барабане машины тем самым влияя на качество смеси.

Были проведены испытания и составлена таблица 2.1

Таблица 2.1 — Данные исследования

Качество получаемой смеси напрямую зависит от скорости вращения барабана. Это связано с тем, что при больших угловых скоростях смесь лучше перемешивается и происходит лучшее взаимодействие связующего с песком. Также было получены данные о газопроницаемости. На основе графика был сделан вывод о том, что при повышении оборотов происходит падение газопроницаемости. Это ведёт к ухудшению качества поверхности отливок. Поэтому для подготовки автоматизации цикла были взяты 600 об/мин.

Так как максимальный расход будет при отверстии шибера в 30 мм дальнейшая производительность определялась скоростью вращения барабана. При повышении оборотов двигателя смесь начинала больше уплотнятся, что приводило к её нагреву. Живучесть такой смеси составляла 20 минут. Как показали эксперементы температура смеси при 700 об/мин составляет 42.5 С° повышение оборотов не представляется возможным. Для создания автоматизации было принято за основу отверстие в 30 мм и 600 об/мин.

2.1 Сравнительный анализ ЦЛС со смесителем чашечным (бегуны) лабораторным модели 02113/02113М

Бегуны

Смеситель предназначен для приготовления опытных контрольных составов из формовочных и стержневых смесей с пылевидными, жидкими и вязкими добавками. Операция смешивания производиться в течении 2-10 минут и зависит от составляющих компонентов, входящих в состав приготовляемой смеси. По окончании времени перемешивания открыть люк и произвести разгрузку смесителя, при этом смеситель должен быть включенным, после каждого цикла перемешивания смеситель подвергается очистке от оставшейся в нем смеси. Смеситель устанавливается на бетонном фундаменте или крепиться на металлической раме. Данные о чашечном смесителе представлены в таблице 2.2

Таблица 2.2.1 ? Характеристики чашечного смесителя марки 02113/02113 м

Таблица 2.2.3. Характеристики ЦЛС

Проанализировав данные хорактеристики двух смесителей можно сделать следующий вывод:

1) Качество получаемой годной смеси при сравнительно одинаковых габаритах установок практически одинаково.

2) Скорость приготовления смеси в 70 раз быстрее чем на бегунах.

3) Количество потребляемой электоэнергии в 3 раза больше, но если рассчитать его отнасительно производительности то в конечном счёте экономия составит 25-35%

Вывод

Проведя данные конструктивные изменения в центробежно-лопаточном смесителе мы повысили надёжность конструкции лопатки для выброса и освободили рабочую зону барабана от центрального штыря, стоящего параллельно оси вращения барабана, тем самым исключив его возможное разбалтывание, а как следствие причину возможной поломки смесителя. Оребоение лопатки позволило так же отказаться от перемещающих лопаток стоящих ранее в данном ЦЛС. В общем и целом данная конструктив позволил упростить систему перемешивания и систему выброса готовой смеси. По проведённым испытаниям и сравнительному анализу новая конструкция лопатки показала, что качество получаемой смеси осталось на уровне ранее проведённых испытаний. Прочность смеси осталось в районе 0,55 Кг/, а газопроницаемость на уровне 65 единиц.

Список использованных источников

1 ГОСТ Р 53464-2009 Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку. Введ. 01.01.90 — 55, c.

2 Галдин Н.М., Чистяков В.В., Шатульский А.А. «Литниковые системы и прибыли для фасонных отливок»; Москва, Машиностроение, 1992

3 ГОСТ 14249 — 89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Введ. 01.01.90 — 105, c.

4 Миркина А.С., Житкова Л.А., Озеров В.А., Сокол И.Б. Особенности формирования оболочек на этилсиликате 50 /// Литейное производство — 1973 — №3

5 Лыков А.В., Теория сушки // Энергия — М.: 1968.

6 Потапов Ю.М., Магницкий С.Н., Мышалов С.В., Разработка и внедрение новой технологии ускоренной сушки и тепловой обработки для литья по выплавляемым моделям // Материалы семинара «Перспективы развития производства по выплавляемым моделям» МФНТП 1975.

7 Жуков А.А., Клементьева Н.А., Воздвиженский В.М., Добродеев В.В., Анализ и оптимизация процесса вакуумно — аммиачной сушки керамических форм // Сб. науч. пр. «Современные проблемы литейного производства», МАТИ РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002

8 Литье по выплавляемым моделям. / В.Н. Иванов, С.А. Казеннов, Б.С. Курчман и др.; под общ. ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. — М.: Машиностроение, 1984. — 408 с., ил.

9 Производство стальных отливок: Учебник для вузов / Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. и др. / под ред. Л.Я. Козлова. — М.: МИСИС, 2003. — 352 с.

10 Методы подобия и размерностей в литейной гидравлике / В.В. Чистяков. — М.: Машиностроение, 1990. — 224 с.: ил.

11 Основы процессов химической технологии. Учебник для вузов / Кривршеев Н.П. / Мн., «Вышейш. школа», 1972.

12 Процессы и аппараты химической промышленности: Учебник для техникумов / П.Г. Романков, М.И. Курочкина, Ю.Я. Мозжерии и др. — Л.: Химия, 1989. — 560 с. ил.

13 Исследование процессов сушки оболочковых форм // Р/Ж Литейное производство — 2003. — №1. С. 14 — 16.

14 Влияние технологических параметров на качество форм, изготовляемых по выплавляемым моделям // Р/Ж Литейное производство — 2002. — №4. — С. 19 — 20.

15 Расчет технико-экономических показателей проектируемого литейного цеха. Учебное пособие. / В.И. Бойцова. РГАТА. 2001. — 135 с.