способ и устройство жидкой штамповки для литья химически активных металлов с использованием метода индукционного удержания расплава

Формула изобретения

1. Способ жидкой штамповки, включающий получение расплава в проплавляемой дисковой заготовке, фиксирование момента расплавления дисковой заготовки датчиком, перемещение расплава в штамп, воздействие на расплав при перемещении в штамп и при кристаллизации избыточным давлением, отличающийся тем, что получение расплава осуществляют путем нагрева и плавления дисковой заготовки индуктором, при этом дисковую заготовку устанавливают нижним торцем на пуансон, а верхнюю часть дисковой заготовки располагают ниже индуктора, после нагрева верхней части дисковой заготовки до заданной температуры, контролируемой датчиком, ее перемещают внутрь индуктора со скоростью, обеспечивающей синхронное со скоростью перемещения образование плоского фронта расплава, до момента расплавления дисковой заготовки, при этом расплавленную боковую поверхность дисковой заготовки удерживают от растекания за счет сил поверхностного натяжения электромагнитного воздействия индуктора.

2. Устройство для жидкой штамповки, содержащее камеру плавления с проплавляемой дисковой заготовкой, установленной на пуансоне, перемещаемом силовым поршнем, штамп, и бесконтактные датчики, отличающееся тем, что камера плавления выполнена из кварцевого стекла, а индуктор расположен в центральной части камеры плавления или в расположенном в ней медном концентраторе магнитного поля и выполнен с возможностью плавления дисковой заготовки и удержания ее расплавленой боковой поверхности во взвешенном состоянии.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что штамп закреплен на скользящей раме, которая в процессе образования расплава расположена в верхней части устройства, а в момент штамповки расплава опущена к индуктору и зафиксирована в нижнем положении.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вертикально перемещающийся штамп герметизируется посредством гофрированной трубы, закрепленной к корпусу устройства.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные.

В качестве аналога предлагаемого изобретения принят способ [1], где получение расплава производится в проплавляемой заготовке с последующим воздействием на него повышенного давления для перемещения его в штамп, находящийся на некотором расстоянии ниже заготовки, при этом штамп перемещают на встречу падающему расплаву до соударения с заготовкой. Данный аналог позволяет обрабатывать любые металлы, включая тугоплавкие и химически активные.

Наиболее близким техническим решением, в качестве прототипа, является способ индукционной плавки металла во взвешенном состоянии, при котором происходит хорошее усреднение расплава, его очистка от легких и тяжелых примесей, а при литье образуется бездефектная кристаллическая структура. Способ включает приготовление расплава в специальном индукторе с последующим его сливанием и кристаллизацией в изложнице или кристаллизаторе [2]. Методы плавки во взвешенном состоянии с отливкой слитков обеспечивают высокую плотность слитков, однородный химический состав, высокую чистоту металла и достаточно однородную кристаллическую структуру. Данный способ нашел применение для изготовления круглых и плоских слитков небольшого сечения [2].

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счет снижения энергозатрат, сокращения производственного цикла, увеличения массы металла при плавлении, уменьшения габаритов оборудования.

Поставленная задача достигается тем, что способ жидкой штамповки, который включает получение расплава в проплавляемой дисковой заготовке, фиксирование момента расплавления дисковой заготовки датчиком, перемещение расплава в штамп, воздействие на расплав при перемещении в штамп и при кристаллизации избыточным давлением, отличающийся тем, что получение расплава осуществляют путем нагрева и плавления дисковой заготовки индуктором, при этом дисковую заготовку устанавливают нижним торцом на пуансон, а верхнюю часть дисковой заготовки располагают ниже индуктора, после нагрева верхней части дисковой заготовки до заданной температуры, контролируемой датчиком, ее перемещают внутрь индуктора со скоростью, обеспечивающей синхронное со скоростью перемещения образование плоского фронта расплава, до момента расплавления дисковой заготовки, при этом расплавленную боковую поверхность дисковой заготовки удерживают от растекания за счет сил поверхностного натяжения электромагнитного воздействия индуктора. Устройство для жидкой штамповки, содержащее камеру плавления, штамп, пуансон, перемещаемый силовым поршнем, проплавляемую дисковую заготовку, установленную на пуансоне и бесконтактные датчики, отличающееся тем, что камера плавления выполнена из кварцевого стекла, а индуктор расположен в центральной части камеры плавления или в медном концентраторе магнитного поля и выполнен с возможностью плавления дисковой заготовки и удержания расплавляемой ее боковой поверхности во взвешенном состоянии. Штамп закреплен на скользящей раме, которая в процессе образования расплава в верхней части устройства, а в момент штамповки расплава - опущена к индуктору и зафиксирована в нижнем положении. Вертикально перемещающийся штамп герметизируется посредством гофрированной трубы, закрепленной к корпусу установки.

Предложенный способ реализует установка, представленная на чертеже.

Установка включает камеру плавления 1, в которой размещен охлаждаемый индуктор 2, в который снизу постепенно поступает проплавляемая заготовка (диск) 3. Индуктор может быть одновитковым или многовитковым, а также с раздельным питанием витков. Диск 3 установлен непосредственно на охлажденном пуансоне 4. Диск 3 установлен на пуансон 4 таким образом, что его торцевая нижняя часть опирается на торцевую верхнюю часть пуансона, а боковая часть находится открытой и ничем не экранируется. Плавление заготовки 3 происходит сверху вниз до момента достижения расплавом нижней части заготовки, после чего происходит штамповка расплава в штамп 5, небольшая часть диска 3 остается в виде шайбы на пуансоне 4. Индуктор 2 охватывает расплав металла таким образом, что способен удержать его боковую поверхность в полувзвешенном состоянии, при этом весь объем расплава не может покинуть своего места плавления, пока не расплавится основная часть диска 3.

Скорость нагрева и момент штамповки расплава регулируется за счет бесконтактных датчиков слежения 6. В момент штамповки расплава на него воздействует давление пуансона 4, который движется за счет поршня 7, а в штампе 5 создается вакуум, через патрубок 8.

Последовательность работы установки следующая. В корпус 9 установки, который открыт сверху, устанавливается штамп 5. Для того чтобы штамп 5 не нагревался от индуктора 2, он установлен на скользящей раме 10 и загерметизирован гофрой 11. В момент достижения расплавом заданного объема пуансон 4 идет вверх, а штамп вместе с рамой идут вниз.

Место фиксации штампа в верхнем и нижнем положении осуществляется за счет фиксатора 12. После того как осуществилась штамповка металла в штамп, открываются эксцентрики 13 и штамп достается вверх. На пуансон 4 устанавливается новый диск 3, который отводится в нижнее положение, сверху устанавливается штамп 5, при этом закрываются эксцентрики 13. После чего откачивается вакуум через патрубок 8 и снова происходит процесс нагрева заготовки до ее заштамповки в штамп.

Для того чтобы был контроль за процессом плавления и для того чтобы индуктор не терял своей мощности, камеру 1 можно выполнить из кварцевого стекла. Если сделать индуктор с концентрическим выводом, в виде охлаждаемой трубы, внутри которой проходит меньшая охлаждаемая труба, к которым и подключается индуктор, а вокруг него охлаждаемое медное кольцо, соединенное с охлаждаемой трубой, то рабочее пространство также изменится. При этом плотность магнитного поля внутри индуктора также увеличится. То есть охлаждаемое кольцо и труба, развернутые вокруг индуктора, будут представлять из себя концентратор магнитного поля.

Данный способ и устройство позволяют очень эффективно получать необходимый расплав металла и перемещать его в полость штампа. Данное изобретение особенно эффективно для применения его при штамповке сложных деталей из химически активных металлов. Установка, созданная для его осуществления, очень компактна, за счет чего в ее внутренней полости достаточно легко создать вакуум и достаточно быстро ее можно подготовить к новой штамповке. Широко применяемые в промышленности центробежные установки, при создании в их полости вакуума, требуют значительных энергетических и временных затрат, так как их внутреннее пространство превышает пространство установки жидкой штамповки в десятки раз. Кроме того, конструктивно достаточно сложно обеспечить их герметизацию из-за большой площади сопряженных камер и наличии в установке деталей вращения. Силовое воздействие, которое обеспечивает центробежное устройство, в переводе на давление газа составляет 0,5-2 атм, при этом динамика его воздействия на расплав металла, при поступлении в форму, достаточно плавная, а именно максимальное давление от вращения достигается через достаточно большой промежуток времени.

В случае использования способа жидкой штамповки динамика воздействия на расплав при его поступлении в штамп достаточно высокая, так как на расплав непосредственно действует давление прессования. Следовательно, при одинаковом силовом воздействии на расплав в данном случае можно обеспечить получение изделий более сложной формы. Кроме того, если потребуется, давление прессования может достигать нескольких тонн на см², что позволит качественно заполнять не только керамические формы, но и медные холодные формы и штампы.

Особенностью способа является то, что он обеспечивает получение плоского фронта расплава в заготовке, который движется сверху вниз, что позволяет с высоким КПД использовать энергию индуктора на плавление заготовки, при этом излишне не нагревая пуансон, включая металлический штамп и форму. Использование гофрированных сильфонов для перемещения рамы со штампом и формой резко повышают надежность устройства, снижают внутреннее рабочее пространство и уменьшают количество необходимых деталей установки.

Использование кварцевого колпака в качестве камеры плавления также резко упрощает конструкцию установки, снижает время откачки вакуума, потери в индукторе и упрощает систему слежения за процессом плавления.

Если сравнивать заявленное изобретение с известным способом плавления во взвешенном состоянии и способом [1], то оно энергетически более эффективно.

В отличие от прототипа [2], где расплав полностью удерживается во взвешенном состоянии индуктором, в предлагаемом изобретении у расплава удерживается только его боковая поверхность, при этом основной столб жидкости опирается на охлаждаемый пуансон. Данное отличие позволяет удерживать в полувзвешенном состоянии очень большие массы металла, превосходящие прототип, при равных мощностях индуктора, в десятки раз. Что в значительной степени снижает затраты на оборудование и производство изделий, а кроме того, увеличивает массу и скорость выплавки расплава.

В связи с этим предлагаемое изобретение может считаться полезным и эффективным для применения в производстве, снижая себестоимость оборудования и производимой продукции, при этом позволяя получать не только полуфабрикаты, но и изделия повышенной сложности с высоким качеством структуры металла.

В отличие от аналога и прототипа предлагаемое изобретение обеспечивает:

- получение изделий особосложной формы высокого качества;

- компактность устройства и высокую экономию электроэнергии;

- автоматическую организацию штамповки расплава из расплавляемой заготовки в кристаллизаторы, формы и т.п.;

- интенсивное охлаждение расплава при его кристаллизации и воздействии на него давления прессования;

- надежную автоматизацию и управление процессом. Поэтому предлагаемое изобретение целесообразно считать полезным для применения в промышленности, при получении сложных высококачественных изделий из титана, ниобия, циркония и т.п. металлов.

ЛИТЕРАТУРА

[1]. А.Е.Волков - Патент RU 2194595 С2, B22D 18/02, 27.12.2001 г.

[2]. А.А Фогель - Индукционный метод удержания жидких металлов во взвешенном состоянии, - Л.: Из-во "Машиностроение". 1989 г.

[3]. Фрэнк У. Уилсон - Высокоскоростное деформирование металлов, - М.: Из-во "Машиностроение". 1966 г.