МЕХАНИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ СТАНОК ДЛЯ ЛИТЬЯ Российский патент 1997 года по МПК B22D27/08 

Изобретение относится к механическим вибрационным станкам вообще и к механическим вибростанкам, применяемым в литейном производстве, в частности.

Известны различные механические вибрационные станки и встряхивающие платформы с возможным применением их в литейном и металлургическом производстве для активного воздействия на кристаллизующийся металл в залитой форме с целью повышения качества литья по различным параметрам: измельчение зерна в структуре металла; устранение газовой и межкристаллитной пористости; устранение газовых и усадочных раковин; устранение химической и структурной неоднородности металла и т.п.

Характеристика разнообразных вибростанков указанного назначения достаточно подробно изложена в книге А.А. Романова "Литье стали в вибрирующие формы", Машгиз, 1959 г.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, с типичной для существующих вибростанков кинематической схемой, является инерционный вибростанок (вибратор), описанный на стр. 57 в указанной выше книге.

Этот инерционный вибростанок имеет прямоугольную платформу (стол), на которую устанавливаются литейные формы для заливки металлом под воздействием вибрации.

Платформа опирается по углам на четыре пружины, которые создают условия для колебания. Пружины закреплены на массивном основании.

Колебания платформы происходят только в одной вертикальной плоскости за счет центробежной силы вращающегося дисбаланса (движителя вибрации), закрепленного на специальных кронштейнах снизу платформы.

Характеристики вибрации частота и амплитуда колебания платформы, а, значит, и литейной формы, установленной на ней, зависят от скорости вращения дисбаланса.

Указанный вибростанок может быть использован во многих случаях с целью улучшения качества литья: для кокильного фасонного литья; для кокильного литья слитков; для фасонного литья в корковые формы и т.д.

Наиболее существенным недостатком этого вибростанка, как и всех известных инерционных вибраторов, является невозможность получить устойчивые, однозначные характеристики вибрации амплитуду и частоту колебания.

Частота и особенно величина амплитуды колебания стола вибростанка с подпружиненной платформой зависят не только от динамики движения дисбаланса - возмущающей силы, но и от величины нагрузки на платформу, т.е. от веса объекта вибрации.

Устойчивость характеристик вибрации нарушает также резонанс, что является характерным для вибраторов такой кинематической схемы работы.

Кроме того, фактор подпружиненной опоры вибростанка способствует отклонению вектора силы и ускорения в динамике колебания платформы и литейной формы, это придает характеристикам колебания еще и рассеянный характер.

Неустойчивый и рассеянный характер динамики колебания инерционного вибростанка не позволяет получать и стабильных положительных результатов по качеству фасонного литья.

По этой причине инерционные вибростанки не находят применения в производственной литейной технологии.

Описанное здесь изобретение отличается от прототипа тем, что кинематика колебаний осуществляется механическим устройством, позволяющим получать характеристики вибрации (колебания) стабильными и однозначными; колебание рабочей платформы станка осуществляется одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Задачей изобретения является создание вибростанка более совершенной конструкции с кинематикой движения, способной выдавать на рабочую платформу динамику сложного колебания, стабильные и устойчивые характеристики вибрации для более эффективного воздействия на качество кристаллизующегося металла отливки.

Решение задачи достигается тем, что в общем устройстве вибростанка, состоящего из основания (станины), приводных валов, движителей вибрации, переходных подшипников, рабочей платформы, имеется две взаимосвязанные линии вибрации как составные части единого механизма, работающего для большей маневренности от двух приводных валов, совмещенных соосно один в другом.

Обе линии вибрации в процессе работы одновременно и совместно выдают на рабочую платформу свои компоненты (составляющие) сложной вибрации в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (вертикальной и горизонтальной) с устойчивой динамикой движения и стабильными характеристиками колебания за счет детальных движителей вибрации: для составляющей в вертикальной плоскости это рельефная кольцевая рабочая поверхность (дорожка) с профилем синусоиды, для составляющей в горизонтальной плоскости это эксцентрик на верхнем конце приводного вала. Взаимосвязь и согласованная работа линий вибрации обусловлена наличием в конструкции станка специальных переходных шарикоподшипников, выполняющих роль подвижных зон раздела и связи линий вибрации.

Выполнение поставленной задачи благодаря стабильной и устойчивой динамике сложной вибрации предлагаемого вибростанка позволяет значительно повысить эффективность воздействия вибрации на залитую литейную форму с целью устранения дефектов структуры литья.

Поэтому новая конструкция вибростанка найдет широкое промышленное применение в литейном производстве.

Технических решений с признаками, сходными с отличительными признаками заявляемого изобретения, не обнаружено. Это позволяет сделать вывод, что оно обладает существенными отличиями.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого вибростанка; на фиг.2 узел I (в увеличенном масштабе); на фиг.3 узел II (в увеличенном масштабе); на фиг. 4 схема рельефной поверхности 7 (в увеличенном масштабе); на фиг. 5 - схема движения отдельной материальной точки при сложной вибрации (в увеличенном масштабе).

Примечание: в описании не упоминаются некоторые детали по фиг.1, не относящиеся к существу изложения.

На фиг. 1 можно наглядно разобрать конструктивные особенности станка для получения сложной вибрации за счет одновременного совмещения динамики движения двух линий вибрации в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в вертикальной плоскости вертикальная составляющая сложной вибрации (вертикальная вибрация), в горизонтально плоскости -горизонтальная составляющая сложной вибрации (горизонтальная вибрация).

Вся компоновка станка осуществлена на относительно массивной неподвижной станине 9 (основание), которая закрепляется на фундаменте. Станок имеет два электропривода D₁, D₂ (не показаны). Привод D₁ обеспечивает крутящий момент на валу 2, привод D₂ обеспечивает крутящий момент на валу 1.

Для большей маневренности при работе вместо одного ступенчатого (фигурного) приводного вала вся динамика движения вибростанка проводится посредством этих двух валов, скомпонованных соосно один в другом с помощью двух радиально-упорных шарикоподшипников. Внутренний вал 1 относится к линии горизонтальной вибрации, а наружный вал 2 относится к линии вертикальной вибрации. Вал 2 с фланцем является основной подвижной несущей деталью, которая воспринимает все статические и динамические нагрузки.

Подвижность и устойчивость движения вала 2 обеспечивается тремя шарикоподшипниками, один из которых упорный. Стол 10 (в виде фасонной плиты) жестко скреплен со ступицей 11, и они образуют общую рабочую платформу 10-11, на которую в итоге выходит (подается) сложная вибрация работающего механизма станка.

На эту рабочую платформу устанавливается и закрепляется на столе 10 объект вибрации: литейная форма, кокиль, изложница и т.д.

Своеобразной особенностью общей конструкции станка являются переходные шарикоподшипники 4 и 5, которые конструктивно необходимы из-за совместной и одновременной работы в едином устройстве двух линий вибрации. Переходные подшипники 4 и 5 это своеобразные подвижные зоны раздела и в то же время подвижные зоны связи линий вибрации, благодаря которым обе линии вибрации могут одновременно и совместно работать и выдавать на рабочую платформу 10-11 свои составляющие общей сложной вибрации.

Линия вертикальной вибрации состоит из приводного вала 2, опорных роликов 6, промежуточного кольца 8. На фланце вала 2 жестко и равномерно по окружности закреплены опорные ролики 6 строго в горизонтальной плоскости. На опорные ролики 6 опирается промежуточное кольцо 8, движение которого возможно только в вертикальном направлении . Нижняя поверхность этого промежуточного кольца 8, поверхность соприкосновения с опорными роликами 6, выполняется рельефной (волновой) по профилю синусоиды.

В конструкции предлагаемого станка профиль рабочей поверхности 7 (дорожки) выполнен по синусоиде: , фиг.4. Рельефная рабочая поверхность 7 (дорожка) это движитель в кинематике вертикальной вибрации. Колебания рабочей платформы 10-11 в вертикальной плоскости возможны благодаря наличию в конструкции станка переходного скользящего шарикоподшипника 4, имеющего цилиндрическую форму.

Процесс работы. Крутящий момент от привода D₁ посредством клиноременной передачи раскручивает приводной вал 2 до заданной угловой скорости w. Опорные ролики 6, связанные жестко с фланцем вала 2, с той же угловой скоростью пробегают прижатую к ним силы тяжести рельефную рабочую поверхность 7 (дорожку) и, накатываясь на выступы рельефа, производят силовой подъем промежуточного кольца 8 и всей массы нагрузки, опирающейся на него, на высоту h, где h 2a, фиг.4.

Пройдя интервал подъема, ролики 6 затем проходят интервал спада до следующего подъема и т.д. В интервале спада происходит самопроизвольное опускание всей массы нагрузки.

Движение по принципу силовой подъем нагрузки и ее опускание под действием силы тяжести создает процесс получения вертикальной составляющей сложной вибрации рабочей платформы 10-11 с заданной частотой (Гц) и размахом - h (мм). Частота колебания зависит от угловой скорости вращения вала 2 и от скорости свободного опускания массы нагрузки.

Время свободного опускания нагрузки (падения) ставит критерий на максимальную частоту колебания, который определяется по формуле:

Линия горизонтальной вибрации состоит из приводного вала 1, эксцентриковой втулки 3, радиальных шарикоподшипников 12. Верхний конец приводного вала 1 выполнен эксцентрично с эксцентриситетом r мм. На фиг.1,2 показано, что эксцентричность верхнего конца вала 1 в данном случае выполнена втулкой 3, жестко скрепленной с валом.

Процесс работы. Крутящий момент от привода D₂ посредством клиноременной передачи раскручивает приводной вал 1 до заданной угловой скорости w. Вращаясь заодно с валом, эксцентриковая втулка 3 в силу наличия эксцентриситета r мм создает циклические круговые колебания каждой материальной точке плоскости и передает динамику этих колебаний через радиальные шарикоподшипники 12, переходной скользящий подшипник 4 на рабочую платформу 10-11 в качестве горизонтальной составляющей сложной вибрации.

Колебания рабочей платформы 10-11 в горизонтальной плоскости возможны благодаря наличию в конструкции станка переходного опорного шарикоподшипника 5, имеющего кольцевую форму.

Таким образом, конструктивной особенностью единого механизма предлагаемого вибростанка является кинематика получения сложной вибрации на рабочей платформе 10-11.

Крутящие моменты от электроприводов D₁ и D₂ раскручивают одновременно приводные валы 1 и 2 до некоторой определенно заданной по техпроцессу угловой скорости каждый.

В результате начинают работать одновременно и совместно обе линии вибрации и рабочая платформа 10-11 станка, а, значит, и объект вибрации на ней получают динамику сложного колебания с компонентами (составляющими) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Если рассмотреть траекторию движения отдельно взятой материальной точки за один цикл колебания при сложной вибрации, то это будет замкнутая пространственная кривая линия.

На фиг. 5 показаны три схемы а, б, в пространственных кривых траекторий движения материальной точки М для трех конкретных соотношений частот (из множества возможных) вертикальной и горизонтальной составляющих сложной вибрации. Действительное движение материальной точки М при сложной вибрации будет проходить по поверхности воображаемого цилиндра, высота которого равна h мм, а основание описывается радиусом равным эксцентриситету r мм (поэтому производственное назначение станка: станок объемной вибрации СОВ). Справа показана развертка на плоскость пространственной кривой траектории движения точки М. В развертке на плоскость кривая будет того же класса что и профиль рельефной дорожки 7.

Возможное множество соотношений между частотами колебания вертикальной и горизонтальной вибрации создает такое же множество пространственных траекторий движения материальных точек. Этим объясняются большие возможности динамики сложной вибрации, используя которые можно повысить положительный эффект воздействия сложной вибрации настолько, что качество литья будет сопоставимо с ковкой и штамповкой.

Но данный вибростанок со стабильно высокими кинематико-динамическими характеристиками может найти и иное применение, например: быстрое и тонкое смешивание растворов, суспензий, красок и т. п. как испытательный стенд проверки надежности приборов.

Изобретение предназначено к промышленному применению в литейном производстве для активного воздействия вибрацией на кристаллизующийся металл в залитой форме с целью значительного улучшения структуры литья. Механический вибрационный станок для литья содержит основание, приводной вал, рабочую платформу для объекта вибрации, вибровозбудитель колебаний в вертикальной плоскости и вибровозбудитель колебаний в горизонтальной плоскости, выполненный в виде приводного вала с экцентриситетом в его верхней части, взаимодействующим через радиальный и переходный подшипники с рабочей платформой, при этом вибровозбудитель колебаний в вертикальной плоскости выполнен в виде промежуточного кольца, установленного под рабочей платформой с помощью переходного подшипника и выполненного с нижней рабочей стороны в виде кольцевого копира с волнообразным рельефом по профилю синусоиды, взаимодействующего с опорными роликами, жестко и равномерно закрепленными на торце фланца приводного вала, а приводной вал вибровозбудителя колебаний в вертикальной плоскости выполнен полым, оба приводных вала скомпонованы соосно один в другом и смонтированы на станине с помощью радиально-упорных шарикоподшипников. 5 ил.

Механический вибрационный станок для литья, содержащий основание, приводной вал, рабочую платформу для объекта вибрации, вибровозбудитель колебаний в вертикальной плоскости, отличающийся тем, что он снабжен вибровозбудителем колебаний в горизонтальной плоскости, выполненным в виде приводного вала с эксцентриситетом в его верхней части, взаимодействующим через радиальный и переходный подшипники с рабочей платформой, при этом вибровозбудитель колебаний в вертикальной плоскости выполнен в виде промежуточного кольца, установленного под рабочей платформой с помощью переходного подшипника и выполненного с нижней рабочей стороны в виде кольцевого копира с волнообразным рельефом по профилю синусоиды, взаимодействующего с опорными роликами, жестко и равномерно закрепленными на торце фланца приводного вала, а приводной вал вибровозбудителя колебаний в вертикальной плоскости выполнен полым, оба приводных вала скомпонованы соосно один в другом и смонтированы на станине с помощью радиально-упорных шарикоподшипников.