RU171198U1

RU171198U1 - INSTALLATION FOR RESEARCH OF POWER INTERACTION OF CASTING METAL WITH THE FORM MATERIAL WHEN CASTING IS HARD

Info

Publication number: RU171198U1
Application number: RU2016125691U
Authority: RU
Inventors: Евгений Олегович Ольховик; Владимир Владимирович Десницкий
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-05-23

Abstract

Полезная модель относится к области металлургии и литейного производства. Технический результат от использования полезной модели заключается в расширении области исследования свойств сплавов за счет возможности измерения силового взаимодействия между металлом отливки и материалом формы при затвердевании отливки. Установка, так же как и прототип, содержит: основание, на котором установлены две металлические опоки, заполненные песчаной литейной формой, при этом в песчаной форме верхней опоки выполнен литниковый канал, а нижней - полость для отливки, измерительные устройства - для измерения температуры отливки в виде термопары, установленной в полости, и для измерения величины усадки отливки, причем выходы измерительных устройств подключены к аналого-цифровому преобразователю, встроенному в персональный компьютер. В отличие от прототипа в песчаную форму нижней опоки добавлена вторая полость - для второй отливки, идентичная первой полости, при этом нижняя опока снабжена двумя парами захватов с возможностью двустороннего захвата каждой отливки, из них два захвата с одной стороны полостей закреплены на опоке неподвижно, а вторые два захвата с противоположной стороны полостей - с возможностью осевого перемещения, в свою очередь установка снабжена дополнительным измерительным устройством - для измерения усилия усадки отливки. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to the field of metallurgy and foundry. The technical result from the use of the utility model is to expand the field of study of the properties of alloys due to the possibility of measuring the force interaction between the casting metal and the mold material during casting solidification. The installation, as well as the prototype, contains: a base on which two metal flasks are installed, filled with a sand casting mold, while in the sand form of the upper flask a sprue channel is made, and the lower one has a cavity for casting, measuring devices for measuring the temperature of the cast a thermocouple installed in the cavity and for measuring the shrinkage of the casting, the outputs of the measuring devices being connected to an analog-to-digital converter built into a personal computer. In contrast to the prototype, a second cavity was added to the sand mold of the lower flask - for the second casting, identical to the first cavity, while the lower flask is equipped with two pairs of grippers with the possibility of bilateral capture of each casting, of which two grippers are fixed on the flask on one side of the cavities, and the second two grips on the opposite side of the cavities - with the possibility of axial movement, in turn, the installation is equipped with an additional measuring device for measuring the shrinkage force of the casting. 3 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области металлургии и литейного производства, а именно к установкам для исследования свойств литейных сплавов, и может быть использована для определения параметров силового взаимодействия металла отливки с формовочным материалом при затвердевании отливки.The utility model relates to the field of metallurgy and foundry, namely, to installations for studying the properties of cast alloys, and can be used to determine the parameters of the force interaction of the casting metal with the molding material during casting solidification.

Известно устройство по патенту РФ №69071, МПК С22С 1/02, опубл. 10.12.2007, содержащее датчик измерения температуры, блок измерения усадки, аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ, блок измерения термоэдс, состоящий из двух металлических электродов, погруженных в расплав, и программного обеспечения, позволяющего интерпретировать полученные данные в ЭВМ. Недостатком данного устройства является невозможность измерения параметров силового взаимодействия между металлом затвердевающей отливки и материалом формы при усадке отливки.A device is known according to the patent of the Russian Federation No. 69071, IPC С22С 1/02, publ. December 10, 2007, containing a temperature measuring sensor, a shrinkage measuring unit, an analog-to-digital converter, a computer, a thermopower measuring unit, consisting of two metal electrodes immersed in the melt, and software that allows you to interpret the data obtained in the computer. The disadvantage of this device is the impossibility of measuring the parameters of the force interaction between the metal of the hardened casting and the mold material during shrinkage of the casting.

Из известных решений наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства по технической сущности и назначению является устройство по патенту РФ №88353, МПК С22С 1/02, опубл. 29.06.2009, содержащее основание и металлическую опоку, в полость песчано-глинистой формы которой заливается расплав. Для измерения изменения размеров отливки (усадки) при ее кристаллизации устройство снабжено тягой, пластиной и датчиком малых перемещений. Хромель-алюмелевая термопара позволяет измерять термические характеристики расплава. Электрические сигналы от хромель-алюмелевой термопары и датчика малых перемещений поступают в аналого-цифровой преобразователь, обрабатываются и передаются в ЭВМ.Of the known solutions, the closest analogue (prototype) of the proposed device according to the technical nature and purpose is the device according to the patent of the Russian Federation No. 88353, IPC С22С 1/02, publ. 06/29/2009, containing a base and a metal flask, into the cavity of a sandy-clay form of which the melt is poured. To measure the change in the size of the casting (shrinkage) during its crystallization, the device is equipped with a rod, plate and a sensor for small displacements. A chromel-alumel thermocouple measures the thermal characteristics of the melt. Electrical signals from a chromel-alumel thermocouple and a small displacement sensor are fed to an analog-to-digital converter, processed and transmitted to a computer.

Устройство позволяет оценивать структурные изменения в процессе кристаллизации и усадки сплавов, обусловленные воздействием различных технологических факторов, но при этом оно не учитывает силовое взаимодействие между металлом отливки и материалом формы.The device allows you to evaluate structural changes in the process of crystallization and shrinkage of alloys, due to the influence of various technological factors, but it does not take into account the force interaction between the casting metal and the mold material.

Технический результат от использования полезной модели заключается в расширении области исследования свойств сплавов, за счет возможности измерения силового взаимодействия между металлом отливки и материалом формы при затвердевании отливки.The technical result from the use of the utility model is to expand the field of study of the properties of alloys, due to the possibility of measuring the force interaction between the casting metal and the mold material during casting solidification.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: установка для исследования силового взаимодействия металла отливки с материалом формы при затвердевании отливки, содержащая, также как и прототип, основание, на котором установлены две металлических опоки, заполненные песчаной формовочной смесью, в верхней из которых выполнен литниковый канал, а в нижней - первая полость для металлической отливки, и измерительные устройства для измерения температуры металлической отливки в виде установленной в полости песчаной формы термопары и для измерения усилия усадки металлической отливки, выходы которых подключены к аналого-цифровому преобразователю, встроенному в персональный компьютер, в отличие от прототипа в песчаной форме нижней опоки выполнена вторая полость - для второй металлической отливки, идентичная первой полости, при этом в нижней опоке установлены две пары захватов, выполненные с возможностью двустороннего захвата каждой металлической отливки, при этом два захвата с одной стороны полостей закреплены на опоке неподвижно, а вторые два захвата с противоположной стороны полостей - с возможностью осевого перемещения, при этом установка снабжена дополнительным измерительным устройством - для измерения усилия усадки второй металлической отливки, выход которого подключен к упомянутому аналого-цифровому преобразователю. При этом измерительное устройство для измерения усилия усадки может быть выполнено в виде тензометрического кольцевого динамометра. Для повышения точности измерений за счет исключения влияния сил трения измерительное устройство для измерения усилия усадки выполнено в виде ультразвукового бесконтактного дальномера. Для возможности повторного и многократного использования установки поверхности захватов покрыты термостойкой краской, препятствующей свариванию захватов с отливкой.To achieve the specified technical result, the following set of essential features is used: an installation for studying the force interaction of the casting metal with the mold material during casting solidification, containing, like the prototype, a base on which two metal flasks are installed filled with a sand molding mixture, in the upper of which a sprue channel is made, and in the bottom - the first cavity for metal casting, and measuring devices for measuring the temperature of the metal casting in in the form of a thermocouple installed in the cavity of the sand form and for measuring the shrinkage force of the metal casting, the outputs of which are connected to an analog-to-digital converter built into a personal computer, in contrast to the prototype, the second cavity is made in the sand form of the lower flask - for the second metal casting identical to the first cavity at the same time, two pairs of grippers are installed in the lower flask, made with the possibility of two-sided gripping of each metal casting, while two grippers are fixed on one side of the cavities it is stationary on the flask, and the second two grips on the opposite side of the cavities are axially movable, while the installation is equipped with an additional measuring device for measuring the shrinkage force of the second metal casting, the output of which is connected to the aforementioned analog-to-digital converter. In this case, the measuring device for measuring the shrinkage force can be made in the form of a tensometric ring dynamometer. To increase the accuracy of measurements by eliminating the influence of friction forces, the measuring device for measuring the shrinkage force is made in the form of an ultrasonic non-contact range finder. For the possibility of repeated and repeated use of the installation, the surfaces of the grippers are coated with heat-resistant paint, which prevents the welding of grippers with casting.

Сущность полезной модели состоит в возможности экспериментального определения не только деформационных, но и силовых характеристик взаимодействия металла затвердевающей отливки и материала формы. Причем измерения как линейной усадки, так и усилия усадки выполняются одновременно на двух однотипных образцах, расположенных в одинаковых полостях одной литейной формы, что обеспечивает достоверность проводимых исследований. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет дополнительно фиксировать температурную зависимость измеряемых характеристик. В результате появляется возможность объективного сравнения величин температурной усадки металла за счет сопоставления экспериментальных данных в условиях свободной и затрудненной усадки литейного сплава. Полученные зависимости деформации и усилия от температуры металла или температуры формы, в свою очередь, позволяют решать комплекс научно-технических задач, направленных на разработку литейных технологий, обеспечивающих минимальные усадочные напряжения литого металла, снижение остаточных напряжений в отливке и предотвращение коробления отливок, горячих разрывов и трещин, которые могут возникнуть из-за силового торможения затвердевающего металла материалом литейной формы.The essence of the utility model consists in the possibility of experimental determination of not only deformation, but also strength characteristics of the interaction of the metal of the hardened casting and the mold material. Moreover, measurements of both linear shrinkage and shrinkage forces are performed simultaneously on two samples of the same type located in the same cavities of the same mold, which ensures the reliability of the studies. In addition, the proposed technical solution allows you to additionally fix the temperature dependence of the measured characteristics. As a result, it becomes possible to objectively compare the values of the temperature shrinkage of the metal by comparing the experimental data under conditions of free and difficult shrinkage of the cast alloy. The obtained dependences of deformation and force on the metal temperature or the mold temperature, in turn, make it possible to solve a set of scientific and technical problems aimed at developing casting technologies that provide minimum shrink stresses of the cast metal, reduce residual stresses in the casting and prevent warping of castings, hot ruptures and cracks that may occur due to force braking of the hardened metal by the mold material.

Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - расширение области исследования свойств сплавов, за счет возможности измерения силового взаимодействия между металлом отливки и материалом формы при затвердевании отливки - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».A comparison of the proposed device and the prototype showed that the task is to expand the field of study of the properties of alloys, due to the possibility of measuring the force interaction between the casting metal and the mold material when the casting hardens, is solved as a result of a new set of features, which proves that the proposed utility model meets the patentability criterion of “novelty” ".

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых приведено схематическое изображение заявляемой установки:The essence of the utility model is illustrated by drawings, which show a schematic representation of the inventive installation:

на фиг. 1 - вид сверху,in FIG. 1 is a top view

на фиг. 2 - вид сбоку.in FIG. 2 is a side view.

Разработанная установка содержит сварное основание из двутавровых балок 1, на котором крепятся нижняя опока 2 и верхняя опока 3 с помощью двух центрующих штифтов 4. Исследуемые отливки (образцы) 5 расположены в нижней опоке 2, заполненной песчаной литейной формой 6, где также расположены четыре силовых захвата 7 с обоих концов каждой отливки. Подвижность и центровку силовых захватов обеспечивают направляющие цилиндрические втулки 8, запрессованные в нижнюю опоку 2. Единая литниково-питающая система и прибыль для питания двух экспериментальных отливок расположена в песчаной форме верхней опоки 3. Силовые захваты 7 с одной стороны отливок неподвижно крепятся клиновыми штифтами в опорных кронштейнах 9, тем самым предотвращается возможность линейного перемещения экспериментальных образцов с указанной стороны. С другой стороны захваты служат: один для измерения свободного перемещения конца экспериментального образца путем контроля расстояния ультразвуковым бесконтактным датчиком 10, второй через кольцевой тензорезистивный динамометр 11 для определения усилия, возникающего при затвердевании отливки. Две термопары 12 и 13 осуществляют измерение температуры затвердевающего металла и формовочного материала. Персональный компьютер 14 со встроенным аналого-цифровым преобразователем электрических сигналов соединен с измерительными датчиками установки кабелями 15, что позволяет регистрировать все измеряемые параметры в режиме реального времени. Регулятор предварительного натяжения 16 для выбирания слабины тензорезистивного динамометра 11 выполнен по схеме болт-гайка. Отражающий экран 17 для бесконтактного измерения линейной усадки отливки (образца) 5 выполнен в виде пластины, жестко соединенной с подвижным захватом 7.The developed installation contains a welded base of I-beams 1, on which the lower flask 2 and the upper flask 3 are attached using two centering pins 4. The studied castings (samples) 5 are located in the lower flask 2, filled with a sand casting mold 6, where four power grab 7 from both ends of each casting. The guiding cylindrical bushings 8, pressed into the lower flask, provide mobility and centering of the power grips 2. The single gate-feeding system and the profit for feeding the two experimental castings are located in the sand form of the upper flask 3. The power grips 7 on one side of the castings are fixedly fixed with wedge pins in the support the brackets 9, thereby preventing the possibility of linear movement of the experimental samples from the specified side. On the other hand, the grips serve: one to measure the free movement of the end of the experimental sample by monitoring the distance with an ultrasonic proximity sensor 10, the second through an annular strain-resistant dynamometer 11 to determine the force that occurs when the casting hardens. Two thermocouples 12 and 13 measure the temperature of the hardened metal and molding material. A personal computer 14 with a built-in analog-to-digital converter of electrical signals is connected to the measuring sensors of the installation by cables 15, which makes it possible to register all measured parameters in real time. The pre-tension regulator 16 for selecting slack of the strain gauge dynamometer 11 is made according to the bolt-nut scheme. The reflecting screen 17 for non-contact measurement of linear shrinkage of the casting (sample) 5 is made in the form of a plate rigidly connected to the movable gripper 7.

Установка работает следующим образом.Installation works as follows.

Нижняя опока 2 с установленными захватами 7, которые центрируются в опоке посредством запрессованных втулок 8, заполняется песчаной формовочной смесью, при этом образуется литейная форма 6 с полостью для двух экспериментальных отливок 5. Дополнительно в форму 6 устанавливаются две термопары 12 и 13: одна для измерения температуры затвердевающей отливки в ее рабочей части, вторая для измерения температуры прогрева формы (на заданном расстоянии от отливки). Верхняя опока 3 также заполняется песчаной формовочной смесью 6, образуя при этом литниково-питающую систему для заливки экспериментальных образцов (отливок). Далее производится сборка двух опок 2 и 3 на сварном двутавровом основании 1 и их крепление направляющими штифтами 4. Силовые захваты 7 с одной стороны фиксируются в опорных кронштейнах 9 клиньями для предотвращения линейного перемещения экспериментальных образцов при усадке во время затвердевания, с противоположной стороны один захват шарнирно соединен с кольцевым тензорезистивным динамометром 11, свободное перемещение (слабина) которого при сборке выбирается регулятором натяжения 16. Второй захват 7 на втором образце 5 (отливке) может свободно линейно перемещаться в направляющей втулке 8 по направлению действия свободной усадки образца. При этом линейное перемещение измеряется по бесконтактной схеме, предотвращающей влияние трения за счет использования компактного ультразвукового дальномера 10 и отражающего экрана 17, соединенного с захватом 7. После сборки установки и проверки измерительных приборов производится заливка экспериментальных образцов жидким металлом. По мере затвердевания отливок 5 происходит их температурная усадка, один из образцов сокращается свободно, а его линейное перемещение фиксируется ультразвуковым дальномером 10. Усадку второго образца сдерживает кольцевой тензометрический динамометр 11, который измеряет усилие усадки в затвердевающем образце. Информация с измерительных устройств - 10, 11, 12, 13 через электрические кабели 15 поступает в персональный компьютер 14, который имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь для хранения и дальнейшей математической обработки электрических сигналов.The lower flask 2 with mounted grippers 7, which are centered in the flask by means of pressed sleeves 8, is filled with a sand molding mixture, and a mold 6 with a cavity for two experimental castings 5 is formed. Additionally, two thermocouples 12 and 13 are installed in mold 6: one for measurement temperature of the hardened casting in its working part, the second for measuring the temperature of the mold heating (at a given distance from the casting). The upper flask 3 is also filled with a sand molding mixture 6, forming a gate-feeding system for pouring experimental samples (castings). Next, two flasks 2 and 3 are assembled on a welded I-beam base 1 and secured with guide pins 4. The force grippers 7 are fixed on one side in the support brackets 9 with wedges to prevent linear movement of the experimental specimens during shrinkage during solidification; on the opposite side, one grip is articulated connected to a ring strain gauge dynamometer 11, the free movement (slack) of which during assembly is selected by the tension regulator 16. The second grip 7 on the second sample 5 (casting) can one linearly movable in the guide sleeve 8 in the direction of action of the sample free shrink. In this case, linear displacement is measured by a non-contact scheme, which prevents the effect of friction due to the use of a compact ultrasonic range finder 10 and a reflective screen 17 connected to the gripper 7. After assembly of the installation and verification of measuring instruments, the experimental samples are filled with liquid metal. As the castings 5 harden, they undergo temperature shrinkage, one of the samples shrinks freely, and its linear movement is recorded by an ultrasonic range finder 10. The second sample is held back by the ring tensometric dynamometer 11, which measures the shrinkage force in the hardened sample. Information from the measuring devices 10, 11, 12, 13 through electric cables 15 enters a personal computer 14, which has a built-in analog-to-digital converter for storing and further mathematical processing of electrical signals.

Предлагаемое устройство было разработано специалистами кафедры «Основ инженерного проектирования» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и кафедры «Материалы, технологии и оборудование литейного производства» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» в составе научно-исследовательских работ кафедр. Были произведены лабораторные испытания установки, показавшие возможность оценивать с ее помощью структурные изменения в процессе кристаллизации и усадки сплавов, обусловленные воздействием различных технологических факторов, в том числе силового взаимодействия между металлом отливки и материалом формы. В результате экспериментальных исследований были получены совмещенные кинетические зависимости изменения температуры металла, температуры материала формы, свободной линейной усадки и усилия, возникающего при торможении усадки. Весь массив данных является достаточным для оценки склонности к развитию деформационных и силовых усадочных процессов, коробления, образования разрывов и трещин.The proposed device was developed by specialists of the department "Fundamentals of Engineering Design" FSBEI HE "State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarova ”and the department“ Materials, technologies and equipment of foundry ”of St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great as part of the research work of the departments. Laboratory tests of the installation were performed, which showed the ability to evaluate structural changes in the process of crystallization and shrinkage of alloys, due to the influence of various technological factors, including the force interaction between the casting metal and the mold material. As a result of experimental studies, combined kinetic dependences of changes in the temperature of the metal, the temperature of the mold material, free linear shrinkage, and the force arising from the braking of the shrinkage were obtained. The entire data set is sufficient to assess the propensity for the development of deformation and force shrinkage processes, warpage, the formation of gaps and cracks.

Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «промышленная применимость».The above allows us to conclude that the utility model meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. Installation for studying the force interaction of the casting metal with the mold material during casting hardening, containing a base on which two metal flasks are installed, filled with a sand molding mixture, in the upper of which a sprue channel is made, and in the lower - the first cavity for metal casting, and measuring devices for measuring the temperature of the metal casting in the form of a thermocouple installed in the sand cavity and for measuring the shrinkage force of the metal casting, the outputs of which are connected to an analog-to-digital converter built into a personal computer, characterized in that a second cavity is made in the sand form of the lower flask - for the second metal casting, identical to the first cavity, while two pairs of grippers are installed in the lower flask, made with the possibility of bilateral capture of each metal castings, while two grippers on one side of the cavities are fixed on the flask fixedly, and the second two grips on the opposite side of the cavities with the possibility of axial movement, nabzhena additional measuring device for measuring the shrinkage force of the second metal casting, the output of which is connected to said analog-to-digital converter.

2. Installation according to claim 1, characterized in that therein a measuring device for measuring the shrinkage force is made in the form of a tensometric ring dynamometer.

3. Installation according to claim 1, characterized in that therein a measuring device for measuring the shrinkage force is made in the form of an ultrasonic range finder.

4. Installation according to claim 1, characterized in that the surfaces of the grippers are coated with heat-resistant paint.