СПОСОБ ЛИТЬЯ И ЛИТЕЙНАЯ ФОРМА СО СПЕЦИАЛЬНЫМ ПИТАЮЩИМ КАНАЛОМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ, В ЧАСТНОСТИ, БЛОКОВ ЦИЛИНДРОВ И ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ Российский патент 2017 года по МПК B22C9/02 

Изобретение относится к способу литья для изготовления литых деталей, в котором расплавленный металл подается посредством питателя или отдельных литников, либо литниковых каналов в литейную форму, которая ограничивает гнездо, определяющее конфигурацию изготавливаемой детали, и содержит формующие элементы, определяющие контур литой детали.

Изобретение также относится к литейной форме для изготовления литых деталей, которая ограничивает гнездо, определяющее конфигурацию отливаемой детали, и содержит формующие элементы, определяющие контур детали, отливаемой из расплавленного металла, который подается в гнездо литейной формы посредством питателя или отдельных литников, либо литниковых каналов.

Указанные способ и литейная форма разработаны специально для гравитационной отливки деталей.

К литейным металлам относятся, в частности, легкие металлы и их сплавы, конкретнее алюминий и его сплавы.

При отливке деталей, в частности, блоков цилиндров, проблемой является обеспечение оптимальных свойств в каждой из областей изготавливаемой детали. В связи с вышесказанным охлаждение разных областей изготавливаемой детали необходимо проводить с разной скоростью. Точнее говоря, для обеспечения быстрого затвердевания определенных областей необходимо специальное охлаждение. Указанное охлаждение связано с риском нарушения общего процесса затвердевания детали. Недостатком является то, что невозможно обеспечить направленное затвердевание. Кроме того, подвергается риску надежность снабжения расплавом тепловых узлов во внутренних областях отливаемой детали.

Таким образом, задача изобретения состоит в том, чтобы с учетом недостатков известного уровня техники разработать способ литья и литейную форму для изготовления функциональных деталей без дефектов, возникающих в описанных выше условиях.

Задача изобретения, относящаяся к способу литья, решена на основе идеи, которая отражена в п. 1 формулы изобретения.

Задача изобретения, относящаяся к литейной форме, решена на основе идеи, которая отражена в п. 3 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения и будут объясняться подробно ниже наряду с идеей изобретения.

В основе изобретения лежит идея использования соединенного с питателем или литником, либо литниковым каналом специального питающего канала, через который расплавленный металл подается в гнездо литейной формы для изготовления литых деталей. Согласно изобретению реализован специальный питающий канал, который проходит через формующие элементы, определяющие конфигурацию литой детали, в частности проходит через несколько плоскостей отливаемой детали.

В способе литья согласно изобретению расплавленный металл заливается известным образом посредством питателя или отдельных литников, либо литниковых каналов в литейную форму, которая ограничивает гнездо, определяющее конфигурацию литой детали, и содержит формующие элементы, определяющие контур отливаемой детали. Согласно изобретению расплавленный металл подается посредством по меньшей мере двух соединительных каналов в по меньшей мере две области гнезда литейной формы, которые соответствуют разным плоскостям отливаемой детали, причем по меньшей мере один из соединительных каналов является вспомогательным каналом и проходит через один из формующих элементов, не влияя на контур отливаемой детали.

Согласно изобретению для изготовления литых деталей из расплавленного металла литейная форма ограничивает гнездо, которое определяет форму отливаемой детали, и содержит формующие элементы, определяющие контур отливаемой детали, при этом расплавленный металл в процессе заливки подается в гнездо литейной формы посредством питателя или отдельных литников, либо литниковых каналов. Согласно изобретению питатель или литники, либо литниковые каналы связаны посредством по меньшей мере двух соединительных каналов с по меньшей мере двумя областями гнезда литейной формы, которые соответствуют разным плоскостям отливаемой детали, причем по меньшей мере один из соединительных каналов является вспомогательным каналом и проходит через один из формующих элементов, не влияя на контур отливаемой детали.

Таким образом, при осуществлении способа согласно изобретению и при использовании литейной формы согласно изобретению из питателя или литников, либо литниковых каналов, которые, по существу, известны, расплавленный металл подается посредством соединительных каналов в определенные области гнезда литейной формы, благодаря чему в процессе отливки детали формируются соответствующие участки. Согласно изобретению расплавленный металл может поступать в гнездо литейной формы через по меньшей мере один дополнительный соединительный канал, который является вспомогательным и, не влияя на контур отливаемой детали, проходит через один из формующих элементов, которые определяют контур литой детали.

Литейная форма содержит формующие элементы, определяющие контур литой детали и которые имеют соответствующую конструкцию, обеспечивающую непосредственную связь температурных узлов внутренней части детали с питателем, соединенным с литейной формой. Точнее говоря, дополнительные питающие каналы, проходящие через формующие элементы, определяющие контур отливаемой детали, связаны с критическими областями детали, отливаемой в гнезде, определяющем конфигурацию детали.

Под словосочетанием «формующие элементы, определяющие контур детали» в данном контексте следует понимать все элементы литейной формы, используемые для формирования литой детали определенной конфигурации. В число указанных элементов входят, в частности, литейные стержни, вставляемые в литейную форму для формирования в отливаемой детали выемок, полостей и т.п.

Литейная форма может представлять собой песчаную, то есть одноразовую литейную форму, либо постоянную литейную форму.

Литейная форма связана с питателем, вмещающем объем расплавленного металла, который требуется для заполнения литейной формы. Питатель, разработанный по типу так называемой «питающей колонки», может располагаться на литейной форме, вблизи литейной формы, либо может быть интегрирован в литейную форму. «Питающая колонка» может быть сконструирована таким образом, что вмещает требуемый объем расплавленного металла с учетом компенсации усадки, а также содержит питающий контур, обеспечивающий распределение расплавленного металла в гнезде литейной формы. Как правило, «питающая колонка» сконструирована таким образом, что быть установленной сверху литейной формы.

Таким образом, в изобретении предлагается способ литья и литейная форма, обеспечивающие изготовление литых деталей в литейной форме, ограничивающей гнездо, которое заполняется расплавленным металлом и определяет конфигурацию отливаемой детали, а также содержит формующие элементы, определяющие контур отливаемой детали.

Изобретение относится к способам гравитационного литья, включая все традиционные способы литья и способы кокильного литья в условиях динамического воздействия, а также способы литья под низким давлением.

Следует отметить, что изобретение применимо для всех способов литья независимо от расположения питателя относительно литейной формы. Фактически изобретение обеспечивает требуемый эффект при проведении разных способов литья, которые имеют аналогичную проблему, состоящую в ограничении доступа расплавленного металла к определенным секциям литейной формы в результате более раннего затвердевания металла в одной из смежных секций литейной формы.

При изготовлении литых деталей расплавленный металл поступает в литейную форму и затвердевает в условиях действия силы тяжести. Таким образом, с учетом направления силы тяжести, питатель, как правило, располагают на верхней стороне литейной формы. Литейная форма может иметь одну или несколько областей, в которых необходимо значительно увеличить скорость затвердевания расплавленного металла относительно других областей или секций литейной формы.

Ускоренное охлаждение можно обеспечить известным по своей сути способом при помощи охлаждающих элементов, так называемых «холодильников» или «охлаждающих кокилей», которые размещены в литейной форме и локально увеличивают скорость затвердевания расплавленного металла в определенных областях отливки. Указанный эффект достигается благодаря тому, что охлаждающие элементы обычно изготавливают из материала, теплопроводность которого выше теплопроводности материала литейной формы.

При использовании постоянных литейных форм по меньшей мере наружные части и/или боковые части и основания которых изготовлены из материалов, имеющих высокую теплопроводность, указанные части литейной формы (основание, наружная и/или боковая часть), определяющие конфигурацию детали, по существу, представляют собой охлаждающие элементы, обеспечивающие преждевременное затвердевание расплава. В связи с вышесказанным представляется целесообразным в литейной форме согласно изобретению иметь по меньшей мере один дополнительный канал, проходящий в обход областей, которые являются критическими в плане затвердевания расплава и вызывают нарушение потока расплавленного металла, благодаря чему гарантируется доставка расплавленного металла в секции гнезда, находящиеся за настоящему изобретению обеспечивается связь питателя с разными плоскостями отливаемой детали соответственно направлению затвердевания расплавленного металла, то есть соответственно направлению, в котором поступающий в литейную форму расплавленный металл затвердевает.

Конкретнее говоря, в литейной форме согласно изобретению предусмотрены питающие каналы или каналы подачи расплава, не влияющие на контур отливаемой детали, по которым расплав может достигать определенных секций или областей гнезда литейной формы.

Согласно изобретению питающие каналы или каналы подачи расплава могут проходить через формующие элементы, которые определяют контур отливаемой детали. К тому же питающие каналы или каналы подачи расплава могут проходить через другие формующие элементы литейной формы. Таким образом, определенные каналы могут проходить через наружные части литейной формы, снабжая расплавленным металлом надлежащие области гнезда литейной формы, определяющие конфигурацию литых деталей.

В формующих элементах, которые определяют контур детали, могут быть предусмотрены охлаждающие элементы, чтобы в конкретной зоне влияния охлаждающих элементов происходило ускоренное затвердевание расплавленного металла.

Чтобы предотвратить преждевременное затвердевание расплавленного металла в питающих каналах или каналах подачи расплава, между конкретным охлаждающим элементом и конкретным питающим каналом или конкретным каналом подачи расплава может быть предусмотрена перегородка из материала с более низкой теплопроводностью, которая обеспечивает теплоизоляцию между охлаждающим элементом и питающим каналом. В частности, перегородка может быть выполнена из формовочного песка, из которого также сформирован конкретный формующий элемент, который определяет контур детали.

Если в литейной форме предусмотрены охлаждающие элементы, питающие каналы или каналы подачи расплава, выполненные в по меньшей мере одном из формующих элементов, определяющих контур детали, направлены к областям более медленного затвердевания поступающего расплавленного металла и проходят в обход областей гнезда литейной формы, в которых конкретный охлаждающий элемент вызывает ускоренное затвердевание расплавленного металла. Таким образом, в гнезде литейной формы область медленного затвердевания расплава надежно снабжается расплавленным металлом даже в том случае, если она находится между питателем и соответствующей областью ускоренного охлаждения и создается опасность, что затвердевший металл может затруднить прохождение потока дополнительного расплавленного металла в область более медленного затвердевания расплава.

Благодаря изобретению можно изготовить литые детали сложной конфигурации, причем в разных областях отливаемой детали обеспечивается разная скорость затвердевания расплавленного металла без существенного усложнения конструкции литейной формы. Изобретение наиболее подходит для изготовления литых деталей, таких как головки цилиндров и блоки цилиндров для двигателей внутреннего сгорания.

Благодаря изобретению гарантируется бездефектное изготовление литых деталей сложной конструкции, в частности блоков цилиндров, к которым предъявляются повышенные требования относительно прочности в области коренных подшипников и в области вала цилиндра.

Ниже изобретение будет описываться более подробно на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 - первый вариант литейной формы в вертикальном разрезе.

Фиг. 2 - второй вариант литейной формы в вертикальном разрезе.

Питающая колонка 1 каждой из литейных форм G1, G2 функционирует как гравитационный питатель и расположена на верхней стороне соответствующей литейной формы G1, G2. Питающая колонка 1 окружает питатель 2, из которого расплавленный металл поступает в гнездо 3, ограниченное литейной формой G1, G2 соответственно. Заполнение литейных форм G1, G2 может осуществляться известным в настоящее время способом, то есть через отдельные литники или литниковые каналы.

В каждой из литейных форм G1, G2 предусмотрены формующие элементы 4а, 4b, 4с, которые определяют контур детали. К тому же литейная форма G1 имеет формующий элемент 5, определяющий контур детали, а литейная форма G2 имеет формующий элемент 6, определяющий контур детали.

Формующие элементы 4а-4с и 5 и 6 в каждой из литейных форм изготовлены известным способом и представляют собой литейные стержни, сформированные из литейного песка. Они размещены в гнезде 3 литейной формы, которое ограничивается соответствующими наружными формующими элементами 7 литейной формы G1, G2 и формируют выемки, полости и каналы отливаемой детали. Следует отметить, что формующие элементы 4а-4c и 5, 6, то есть литейные стержни, после удаления из литейной формы G1, G2 разрушаются. В то время как формующие элементы 4а-4c и 5, 6 определяют внутренний контур отливаемой детали, наружные элементы 7 литейной формы определяют конфигурацию отливаемой детали.

Формующие элементы 5, 6 расположены по центру конкретного гнезда 3 конкретной литейной формы G1, G2, при этом верхняя сторона каждого из указанных формующих элементов граничит с конкретной «питающей колонкой» 1. Таким образом, формующие элементы 5, 6 разграничивают в гнезде 3 литейной формы две боковые области 8, 9, например определяют боковые стенки отливаемой детали.

В каждой из литейных форм G1, G2 образована дополнительная секция 10, располагаемая ниже формующих элементов 5, 6 относительно направления S действия силы тяжести, в которой размещены другие формующие элементы 4а-4c, определяющие контур детали.

В описанных вариантах осуществления изобретения верхняя сторона каждого из соответствующих формующих элементов 5, 6, обращенная к соответствующему питателю 2, формирует донный участок питателя 2. Следовательно, при проведении литейной операции расплавленный металл, находящийся в питателе 2, распределяется вокруг соответствующего формующего элемента 5, 6. В практической конструкции питателя 2 предусмотрен специальный донный участок, обозначенный на фиг. 1 пунктирной линией, в котором выполнены сквозные отверстия, соответствующие отверстиям боковых областей 8, 9, таким образом, расплавленный металл, проходящий в процессе заливки через сквозные отверстия, поступает в указанные боковые области.

После заполнения соответствующей литейной формы G1, G2 расплавленный металл, контактирующий с поверхностью охлаждающего элемента 11, благодаря эффективному отводу тепла затвердевает быстрее, чем расплавленный металл, находящийся наверху. Следовательно, затвердевание расплавленного металла, заполняющего гнездо 3 литейной формы, происходит в направлении, противоположном направлению S действия силы тяжести.

В литейной форме G1 охлаждающие элементы 12, 13 расположены на боковых сторонах формующих элементов 5, соответствующих областями 8, 9 и приближены к нижнему краю указанных элементов относительно направления S действия силы тяжести.

Кроме того, в литейной форме G1 имеются дополнительные охлаждающие элементы 14, 15, расположенные на противоположных сторонах наружного формующего элемента 7, соответствующих областям 8, 9. Следовательно, расплавленный металл, поступающий в секции K1, K2, расположенные между соответствующими охлаждающими элементами 14, 12 и/или 15, 13, затвердевает быстрее, чем расплавленный металл, находящийся выше и ниже указанных секций K1, K2 относительно направления S действия силы тяжести.

Чтобы секция 10 гнезда 3 литейной формы, которая находится ниже секций K1, K2, надежно снабжалась расплавленным металлом, накопленным в питателе 2, в формующем элементе 5 литейной формы G1 выполнен питающий канал 16, при этом питающий канал 16 проходит в вертикальном направлении от верхней стороны формующего элемента 5, которая обращена к питателю, к нижней стороне указанного элемента, которая соответствует нижней секции 10 гнезда 3 литейной формы.

В соответствии с вариантами осуществления изобретения питающий канал проходит непосредственно от питателя 2. Поскольку практическая конструкция питателя уже упоминалась выше со ссылкой на фиг. 1, где пунктирной линией обозначен специальный донный участок питателя 2, необходимо отметить, что в донном участке питателя 2 сформировано соответствующее сквозное отверстие, обеспечивающее согласование горловины указанного питающего канала 16 с питателем 2.

Следовательно, расплавленный металл, накопленный в питателе 2, поступает в секцию 10 гнезда 3 литейной формы G1 не только через боковые области 8, 9, но также и через питающий канал 16, выполненный в формующем элементе 5. Конкретнее говоря, расплавленный металл поступает в гнездо литейной формы через питающий канал 16, минуя критические секции K1, K2, благодаря чему секция 10 непрерывно снабжается расплавленным металлом, даже если в секциях K1, K2 расплавленный металл уже затвердел и служит препятствием для прохождения потока расплавленного металла.

Следует отметить, что в литейной форме G2 охлаждающие элементы 17, 18 расположены на боковых сторонах формующего элемента 6, соответствующих областям 8, 9. В отличие от литейной формы G1, охлаждающие элементы 17, 18 в литейной форме G2 расположены в шахматном порядке и приближены к верхней стороне формующих элементов 6 в направлении, противоположном направлению S действия силы тяжести, причем боковые области 8, 9 имеют сужающиеся секции 19, 20, проходящие к нижней секции 10 гнезда 3 литейной формы G2. Кроме того, имеются дополнительные охлаждающие элементы 21, 22, расположенные, в частности, с противоположных сторон наружных формующих элементов литейной формы G2, соответствующих областям 8, 9.

Следовательно, расплавленный металл, который достигает секций K1', K2', располагаемых соответственно между охлаждающими элементами 17, 22 и/или 18, 21, затвердевает быстрее, чем расплавленный металл, который находится выше и ниже указанных секций K1', K2' относительно направления S действия силы тяжести.

Чтобы секции 10, 19, 20 гнезда 3 литейной формы G2, которые находятся ниже секций K1', K2', надежно снабжались расплавленным металлом, накопленным в питателе 2, в формующем элементе 6 литейной формы G2 сформирован питающий канал 23, проходящий в верхней секции в вертикальном направлении от верхней стороны формующего элемента 6, которая обращена к питателю 2, до точки разветвления, в которой канал разделяется на чередующиеся ответвления 24, 25. Само собой разумеется, что каждое из ответвлений 24, 25 также может быть соединено с питателем 2 посредством отдельного питающего канала 23, который сформирован в формующем элементе 6.

Ответвления 24, 25 проходят в поперечном направлении к одной из сторон формующего элемента 6, которые соответствуют областям 8, 9. Ответвление 24 проходит к секции 19 боковой области 8, в то время как ответвление 25 проходит к секции 20 боковой области 9. Таким образом, секции 19, 20, расположенные ниже критических секций K1' и K2', могут снабжаться расплавленным металлом до момента затвердевания поступившего в них расплавленного металла. Кроме того, нижняя секция 10 гнезда 3 литейной формы, которая находится ниже формующего элемента 6, может снабжаться расплавленным металлом, поступающим в указанную секцию, минуя критические секции K1', K2'.

Следовательно, расплавленный металл, накопленный в питателе 2, может достигать секции 10 гнезда 3 литейной формы G2 не только через боковые области 8, 9, но также и через питающий канал 23 и его ответвления 24, 25. Таким образом, секции 10, 19, 20 литейной формы G2 непрерывно снабжаются расплавленным металлом, даже если в секциях K1', K2' расплавленный металл уже затвердел и служит препятствием для прохождения потока расплавленного металла.

Чтобы во время заливки предотвратить преждевременное затвердевание расплавленного металла, проходящего через конкретный питающий канал 16, 23 литейной формы G1, в литейной форме G1 предусмотрены перегородки 26, 27 между питающим каналом 16 и соответственно охлаждающими элементами 12, 13, а в литейной форме G2 предусмотрены перегородки 28, 29 между питающим каналом 23 и соответственно охлаждающими элементами 17, 18, причем указанные перегородки выполнены из материала, из которого обычно изготавливают формующие элементы 5, 6 и который имеет более низкую теплопроводность по сравнению с материалом охлаждающих элементов 12, 13, 17, 18.

Таким образом, благодаря изобретению обеспечивается надежное снабжение разных областей и секций гнезда литейной формы расплавленным металлом, даже если в других областях расплавленный металл уже затвердел или имеются препятствия для прохождения потока расплавленного металла, связанные с другими причинами. Соответственно в процессе литья для изготовления литых деталей согласно изобретению некоторые области детали могут затвердевать значительно раньше других областей. Например, в вариантах, показанных на чертежах, расплавленный металл в верхней и внутренней областях гнезда, соединенных с питателем через конкретный питающий канал 16, 23, затвердевает медленнее, чем расплавленный металл, находящийся в секциях K1, K2 или K1', K2'. Наряду с этим могут существовать верхние и нижние области гнезда, в которых расплавленный металл затвердевает одновременно.

Преимущество изобретения состоит в том, что питающие каналы предпочтительно сформированы в формующих элементах, определяющих контур детали, которые размещены в гнезде литейной формы, а также состоит в том, что конструкция литейной формы согласно изобретению позволяет высвободить литую деталь в частично затвердевшем состоянии, то есть освободить от наружных частей литейной формы еще не полностью затвердевшую деталь. Таким образом, согласно изобретению имеется возможность извлекать детали из литейной формы даже при условии, что металл в питателе 2 все еще находится в тестообразном состоянии.

Перечень ссылочных позиций

G1, G2 - Литейные формы

K1, K2 - Секции гнезда 3 литейной формы G1, располагаемые соответственно между охлаждающими элементами 14, 12 и 15, 13

K1', K2' - Секции гнезда 3 литейной формы G2, располагаемые соответственно между охлаждающими элементами 17, 22 или 19, 21

S - Направление действия силы тяжести

1 - Питающая колонка

2 - Питатель

3 - Гнездо литейной формы

4а-4c - Формующие элементы

5 - Формующий элемент

6 - Формующий элемент

7 - Наружные формующие элементы

8, 9 - Боковые области гнезда 3 литейной формы

S - Направление действия силы тяжести

10 - Нижняя секция гнезда 3 литейной формы

11 - Охлаждающий элемент

12, 13 - Охлаждающие элементы

14, 15 - Охлаждающие элементы

16 - Питающий канал

17, 18 - Охлаждающие элементы

19, 20 - Сужающиеся секции

21, 22 - Охлаждающие элементы

23 - Питающий канал

24, 25 - Ответвления питающего канала 23

26, 27 - Стенки

28, 29 - Стенки

Изобретение относится к литейному производству. Литейная форма содержит формующие элементы 4-7, определяющие контур отливаемой детали, питатель 2, по меньшей мере два соединительных канала, по меньшей мере один из которых является вспомогательным питающим каналом 16, проходящим через один из формующих элементов и не влияющим на контур отливаемой детали. Расплавленный металл поступает в по меньшей мере две секции 8, 9, 10, которые соответствуют разным плоскостям отливаемой детали в полости 3 литейной формы, посредством питателя 2, отдельных литников или литниковых каналов в полость 3, благодаря охлаждающим элементам 12-15 расплавленный металл в секциях К1, К2 затвердевает быстрее, чем металл, находящийся выше и ниже секций К1, К2. Обеспечивается получение деталей без дефектов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Литейная форма для отливки деталей из расплавленного металла, содержащая

полость литейной формы, формующие элементы, определяющие контур отливаемой детали, питатель, расположенный в направлении действия силы тяжести на верхней стороне литейной формы и действующий как самотечный питатель, отдельные литники, либо литниковые каналы, обеспечивающие во время заливки поступление расплавленного металла в полость литейной формы,

и по меньшей мере два соединительных канала, соединяющих питатель, отдельные литники или литниковые каналы с по меньшей мере первой секцией и второй секцией полости литейной формы, которые соответствуют разным плоскостям отливки,

при этом указанные плоскости отделены друг от друга в направлении действия силы тяжести, при этом по меньшей мере один из соединительных каналов является вспомогательным питающим каналом, проходящим через один из формующих элементов, причем один из формующих элементов имеет по меньшей мере на части своей внешней поверхности по меньшей мере один охлаждающий элемент, причем охлаждающий элемент по меньшей мере частично контактирует с полостью литейной формы и боковой стенкой, определяющей вспомогательный питающий канал, не определяющий ни одну из частей контура отливки,

при этом первая секция, соединенная посредством соединительных каналов, выполнена с возможностью обеспечения более быстрого затвердевания расплавленного металла, входящего в первую секцию, чем расплавленного металла, входящего во вторую секцию посредством соединительных каналов,

при этом вспомогательный питающий канал проходит к плоскости, расположенной ниже охлаждающего элемента в направлении потока расплавленного металла, таким образом, что по меньшей мере две указанные плоскости расположены на расстоянии друг от друга в направлении действия силы тяжести.

2. Литейная форма по п. 1, в которой между охлаждающим элементом и вспомогательным питающим каналом расположена стенка, имеющая более низкую теплопроводность по сравнению с охлаждающим элементом.