2858.Оборудование литейных цехов учебное пособие

пытывают сопротивление движению под действием трения о вертикальные стенки опоки и наполнительной рамки, но внутреннее кулоново трение движущихся частиц выше, чем внешнее трение о стенки. Это и заставляет приграничный слой частиц двигаться вдоль стенок.

С увеличением градиента давления (скорости нарастания давления воздуха над смесью) деформация смеси резко возрастает. Когда прирост напряжения высок, меньше времени затрачивается на разрыв первичных связей, большую скорость получают частицы, так как с быстрым ростом давления перед частицей уменьшается давление после нее (в «тени»), эффективнее происходит уплотнение (за счет уменьшения замкнутых пор). Все перечисленное в совокупности приводит к возрастанию уплотнения.

Механизм низкоимпульсного уплотнения отличается от механизма уплотнения импульсом высокого давления характером силового уплотняющего воздействия, т.е. величиной dp/dt.

При низком воздушном импульсе силы инерции, действующие в смеси, на порядок выше, чем в установках высокого давления; это обеспечивается значительно большей суммарной площадью проходных сечений клапана и чрезвычайно коротким временем его открытия. Силы фильтрации в установках этого типа выполняют существенно малую роль, даже при наличии вент, что объясняется быстротой протекания процесса низкоимпульсного уплотнения. По этой причине венты в данном процессе не устанавливают вообще.

10.2. Теоретическое обоснование оптимального градиента давления

Выбор оптимального градиента давления теоретически основан на следующих предпосылках. Формовочная смесь при импульсном уплотнении представляет собой колебательную систему, имеющую период собственных колебаний

191

где М0 – масса уплотняемого объема смеси, кг; С – жесткость смеси, н/м.

В этом случае воздействие волны давления сжатого воздуха или газа на формовочную смесь для получения максимального эффекта уплотнения должно быть по длительности таким, чтобы возбудить внейкак колебательной системе собственные колебания.

Поскольку движение слоев смеси при импульсном воздействии на нее волны давления происходит по синусоидальному закону и занимает всего четверть полного периода колебаний, то и взаимодействие со стороны волны давления должно совпадать по времени с одной четвертой периода собственных колебаний уплотняемого объема смеси (явление резонанса).

Учитывая, что жесткость смеси

площадь опоки в свету м2; Но – высота слоя смеси перед уплотнением (высота опоки с наполнительной рамкой), м, то, подставляя это выражение в уравнение (10.1), получим

Исходя из указанных теоретических представлений оптимальное значение градиента давления dp/dt от максимума давления волны р, используя зависимость (10.3), можно получить следующим образом:

192

Выражение (10.4) показывает, что градиент давления dp/dt должен иметь определенное значение, зависящее от реологических параметров смеси, характеризуемых модулем упругости KHo , от габаритов оснастки Fo и Но и от массы смеси М0. Ины-

ми словами, каждой заданной смеси и заданным параметрам оснастки должен соответствовать свой, вполне определенный режим уплотнения, характеризуемый градиентом давления dp/dt и его максимальным значением р.

Величина р в формуле (10.4) означает максимальное давление воздушной волны над смесью в период импульсного воздействия на нее, обычно равное давлению воздуха в ресивере (0,5…0,6 МПа) или меньшее его.

В настоящее время все выпускаемые импульсные формовочные машины, как правило, нерегулируемые, т.е. работают не в оптимальном режиме, согласуемом со смесью и оснасткой. Зависимость (10.4) позволяет производить регулирование режимов работы воздушно-импульсной установки, т.е. регулирование величины dp/dt.

Анализ формулы (10.4) показывает, что регулирование величины dp/dt возможно только двумя параметрами: давлением сжатого воздуха р и высотой уплотняемого столба смеси Но, а точнее, высотой наполнительной рамки.

Поскольку давление воздуха в цеховой магистрали находится в пределах р = 0,5…0,6 МПа, то, естественно, изменять градиент давления можно только в сторону понижения.

Важнейшим направлением повышения эффективности импульсного процесса является уменьшение времени импульса за счет уменьшения времени t1 открытия выпускного отверстия. Уменьшить время t1 открытия выпускного отверстия можно, только увеличив среднюю скорость открытия.

Следовательно, импульсный клапан должен двигаться с достаточно большим ускорением. В момент начала открытия выпускного отверстия скорость клапана может быть равна или

193

не равна нулю. В первом случае для получения приемлемой скорости открытия необходимо придать клапану чрезвычайно большие ускорения. Во втором случае ускорения могут быть значительно меньше, если к моменту открытия клапан уже разогнался и имеет достаточную начальную скорость открытия.

Площадь выпускных окон определяется конструкцией клапана, формой отверстий и их количеством. Самой простой конструкцией и формой является клапан с круглыми отверстием, изображенный на рис. 10.1. Площадь выпускного отверстия у такого клапана определяется зазором между кромкой выпускного отверстия и запорным органом клапана. Поэтому для эффективного истечения площадь этого зазора должна быть соизмерима с площадью выпускного отверстия или даже превышать ее. Площадь зазора определяется периметром выпускного отверстия и ходом клапана. В случае круглого выпускного отверстия диаметром D0 ход клапана h должен быть h > D0/4. Для

и увеличения габаритов, веса и увеличения времени на его открытие. Более целесообразно выпускное отверстие выполнять в виде щелей или множества малых отверстий (перфорированный клапан): чем меньше диаметр отверстий на единице площади, тем больше площадь живого сечения. В плоских клапанах с перфорированным отверстием суммарная площадь выпускных отверстий достигает 20–25 % от площади опоки, обслуживаемой одним клапаном.

10.3.Технологические требования к формовочной смеси

имодельно-опочной оснастке при импульсном уплотнении

При импульсных процессах уплотнения литейных форм используются, как правило, песчано-бентонитные смеси с сырой прочностью на сжатие σсж = 0,16…0,22 МПа. Предпочтительнее смеси с более высоким значением прочности.

194

Вместе с тем на практике используют формовочные смеси и с более низкой прочностью, например σсж = 0,1…0,12 МПа. Это обычно имеет место в неавтоматизированном производстве, где менее значительные динамические нагрузки на форму при движении и кантовке полуформ.

Специальными требованиями к формовочным смесям, характерным для импульсного уплотнения, являются: высокая начальная степень разрыхления смеси, δ0 = 0,75…0,85 г/см3, уплотняемость в пределах 40–45 %, влажность в пределах W = 3,0…3,2 %. Смеси, имеющие более низкие значения влажности, например W ≈ 2,8 %, уплотняются лучше, но в этом случае ухудшаются другие технологические свойства смеси. Низкая насыпная плотность обеспечивается ее аэрированием (разрыхлением) перед подачей из приемного бункера в опоку. Требования импульсных способов к свойствам смеси обусловливают повышенное внимание к системе смесеприготовления и смесеподачи. Наилучшим смесеприготовительным агрегатом для приготовления формовочной смеси импульсного уплотнения являются турбинные смесители, где смесь получается в высшей степени аэрированной. Для успешного применения импульсных способов уплотнения важен также и выбор модель- но-опочной оснастки. Оптимальной высотой опоки считается Но = 200…400 мм, а высота наполнительной рамки Нр должна быть > 2/3 Но [30]. Однако указанные рекомендации относительны, так как все зависит от эффективности импульсного клапана. Так, в работе [22] показано, что в случае применения клапана с градиентом давления dp/dt > 250 МПа и площадью опоки 0,30–0,35 м2 высокую степень уплотнения получили и в опоках высотой 50–100 мм.

При импульсном уплотнении низким воздушным давлением давление смеси на модельную плиту достигает до 2 МПа, а на стенки опоки ~0,8–1,0 МПа [22]. Это предъявляет повышенные требования к жесткости опоки по сравнению с традиционным встряхивающе-прессовым способом: необходима опока повышенной жесткости и чистоты поверхности (не ниже 5-го

195

класса точности, Rz = 2,5) для обеспечения плотного контакта между наполнительной рамкой и импульсной головкой. Усилие прижатия опочной оснастки к импульсной головке значительно и зависит от площади опок. Расчет требуемого усилия прижима ведется как для динамических процессов с необходимым для динамики запасом.

Применение импульсных процессов требует также и большей жесткости модельной оснастки по сравнению с встряхи- вающе-прессовым способом, хотя при единичном изготовлении форм возможно применение деревянных моделей. Для обеспечения качественной вытяжки формы рекомендуется устанавливать венты в узких зазорах моделей при отношении высоты болвана к его ширине < 1:1. При импульсном уплотнении размещение моделей на плите также требует внимания. Величина зазора между моделью и стенкой опоки обычно составляет 40–80 мм. Места расположения вент и их количество, как правило, определяются опытным путем.

10.4. Классификация импульсных клапанов

Импульсные клапаны воздушного давления имеют очень широкое разнообразие по своим конструктивным особенностям.

Как уже отмечалось выше, воздушно-импульсные клапаны и головки высокого давления не нашли широкого развития и отличаются они от клапанов низкого давления только относительно низким быстродействием привода, меньшим объемом ресивера, высоким давлением воздуха и наличием вент.

Воздушно-импульсные установки низкого давления принципиально отличаются друг от друга только конструкцией импульсного клапана и его расположением в ресивере.

По типу привода импульсные клапаны воздушного давления подразделяются:

–на пневматические;

–пневмогидравлические;

–пневморычажные.

196

Клапаны в зависимости от направления движения тарелки при открытии и закрытии выпускногоотверстиямогут двигаться:

–в направлении вектора сжатого воздуха (тарельчатые, диафрагменные);

–в перпендикулярном направлении по отношению к вектору сжатого воздуха (шиберные).

Интенсификация начальной скорости движения тарелки может происходить:

–с применением инертного газа высокого давления;

–с помощью пружины;

–с применением удара;

–с применением хвостовика.

По количеству отверстий для истечения воздуха клапаны подразделяются:

–на клапаны с одним отверстием большого сечения;

–клапаны с множеством отверстий малого сечения (перфорированный клапан).

На рис. 10.2 представлены схемы некоторых конструкций импульсных клапанов. Важнейшими характеристиками любого импульсного клапана являются:

–быстродействие клапана, т.е. длительность времени полного открытия или средняя скорость открытия;

–суммарная площадь выпускных отверстий клапана. Длительность времени полного открытия выпускных от-

верстий клапана должна быть минимальной: чем время открытия отверстий короче, тем импульсный клапан эффективнее.

Площадь выпускных отверстий – вторая важнейшая характеристика клапана – должна быть по возможности максимальной. Для увеличения скорости открытия простейшего клапана (рис. 10.2, а) применяется ударник 4 в клапане, изображенном на рис. 10.2, б. При сбросе воздуха из надклапанной полости В ударник 4 начинает двигаться вверх, разгоняется и ударяет по клапану 1. Это способствует повышению средней скорости клапана и снижает время открытия выпускного отверстия 3. С этой же целью применяют клапан с хвостовиком (рис. 10.2, в).

197

Рис. 10.2. Схемы некоторых конструкций импульсных клапанов

В начале движения выпускное отверстие перекрыто хвостовиком 2, и воздух не поступает в пространство В над смесью. Только после того как клапан пройдет путь, равный длине хвостовика l, и приобретет достаточную скорость, открывается выпускное отверстие 3.

Пружинный клапан с гидроприводом (рис. 10.2, г) работает следующим образом. При подаче жидкости под давлением

198

в гидроцилиндр 3 шток 4 поднимается вверх, сжимая пружину 5. Пружина передает усилие на клапан 1. Когда это усилие превысит давление сжатого воздуха, находящегося в полости А ресивера и прижимающего клапан 1 к седлу 2, клапан откроется под действием упругой силы пружины и будет двигаться с ускорением (как под действием сил упругости пружины, так и под действием движущегося из ресивера сжатого воздуха).

На рис. 10.2, д изображен клапан из двух перфорированных плит с отверстиями или щелями, взаимно перекрывающимися при их совмещении в исходном положении. Наружные размеры такого клапана обычно близки к размерам опоки, что позволяет равномерно подавать сжатый воздух на всю поверхность смеси без рассекателя, а его эффективная площадь проходного сечения составляет до 20–25 % общей площади опоки или ее части, обслуживаемой клапаном. Ход клапана незначительный. Подвижной может быть верхняя или нижняя плита. В первом случае она перемещается внутрь импульсной головки, и для ее открытия нужен более мощный привод. Во втором случае клапан открывается вниз с меньшей затратой энергии, но это требует увеличения «вредного» пространства над смесью, что снижает мощность импульса. Нижняя подвижная плита в этом случае может быть использована для допрессовки верхнего недоуплотненного слоя формы после импульсного уплотнения.

На рис. 10.2, е изображена схема шиберного клапана, состоящего из двух перфорированных плит. Открытие или закрытие клапана может осуществляться перемещением одной (или сразу двух) плит в разных направлениях. Разновидностью шиберных клапанов может служить клапан, представленный на рис. 10.2, ж. У этого клапана верхняя подвижная плита заменена рамкой, служащей запорным элементом клапана. В рамку вмонтированы ролики с резиновой облицовкой, служащей запорным элементом клапана. Шиберные клапаны пока еще не получили распространения.

На рис. 10.2 з представлен тарельчатый клапан с пневморычажным приводом, который открывается в направлении дви-

199

жения воздуха. При подаче воздуха в пневмоцилиндр 6 шток ударяет по верхней части вертикального рычага 5, который отклоняется влево вокруг своей оси. Правое плечо рычага 4 поднимается вверх, а левое вместе с подвижной тарелкой 1 опускается вниз, открывая отверстия для выхода воздуха из ресивера 2.

Принципы работы представленных клапанов, как и в целом их классификация, не могут дать исчерпывающий ответ об эффективности того или иного клапана, поскольку неясен хотя бы косвенный ответ о быстродействии привода клапана и площади выпускных отверстий. В качестве примера рассмотрим несколько конструкций импульсных головок, где не только видна конструкция клапана, но и особенности его привода, а также конструкция выпускных окон.

10.5. Конструктивные типы воздушно-импульсных установок

Воздушно-импульсная установка высокого воздушного дав-

ления. Принципиальная схема воздушно-импульсной установки высокого давления показана на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Воздушно-импульсная установка высокого давления

На пустотелую модельную, плиту 1 с моделью 2 устанавливают опоку 3 с наполнительной рамкой 4, засыпается формо-

200