Особенности прессовых формовочных машин
Среди формовочного оборудования большое распространение имеют прессовые формовочные машины.
Прессовая формовочная литейная машина это машина, уплотняющая формовочную смесь прессованием.
Машины в зависимости от направления движения смеси относительно опоки подразделяют на машины с верхним и нижним прессованием. По конструкции прессующего элемента различают машины с жесткой прессовой плитой, с профильной плитой, с гибкой диафрагмой, с многоплунжерной головкой. По величине давления прессования (МПа) прессовые формовочные машины можно разделить на машины с низким (до 0,3), средним (0,3¸0,7), повышенным (0,7¸2), высоким (2¸5), очень высоким (свыше 5) давлением. По конструктивному исполнению существуют поршневые, диафрагменные, рычажные, катковые, мундштучные прессовые машины. По роду привода – пневматические, гидравлические, электромагнитные и комбинированные. Если в целях интенсификации процесса уплотнения прессованием применяют вибраторы, то такие машины называют вибро-прессовыми. При прессовании требуется замыкание усилия прессования, поэтому прессовые, а также прессово-встряхивающие машины по конструктивному оформлению бывают трех видов: одно-, двух- и четырехколонными.
Способ уплотнения форм прессованием экономичен. Прессующий механизм прост конструктивно и надежен в эксплуатации. Прессовые формовочные машины легко поддаются автоматизации. Кроме этого прессование легко комбинируется со многими другими способами формовки.
Чтобы представить себе процессы, протекающие в форме при прессовании и выявить преимущества и недостатки прессовых формовочных машин, рассмотрим напряженное состояние формы при прессовании. При этом возможно два случая – опока имеет модель и опока не имеет модели (когда вся отливка располагается в одной полуформе).
Рассмотрим опоку без модели, уплотняемую плоской жесткой прессовой колодкой. На основании экспериментальных данных напряженное состояние формовочной смеси в объеме такой литейной формы характеризуется:
- боковым давлением, которое вызывает трение смеси о стенки опоки при перемещении ее в направлении прессования;
- торцовым трением смеси о прессовую колодку и модельную плиту, фиксирующим прилегающие к ним частицы смеси и препятствующим ее свободному боковому перемещению в этих местах формы.
Рис. 1. Схема к определению pz с учетом бокового трения |
Величина бокового давления формовочных смесей на стенки опоки при прессовании по экспериментальным данным превышает теоретическое значение и составляет 0,30¸0,50 от вертикального сжимающего смесь напряжения.
Трение смеси о стенки опоки при прессовании постепенно снимает часть силы прессования со смеси, и эта часть передается на модельную плиту уже опокой. С удалением от прессовой колодки в глубину формы, вертикальное давление в формовочной смеси прогрессивно уменьшается.
Если допустить для упрощения, что боковое давление смеси на стенки опоки в данном горизонтальном слое формы составляет определенную часть от вертикального прессующего усилия, передаваемого этим слоем, то легко показать, что давление прессования будет уменьшаться с глубиной формы по закону экспоненты.
Пусть вертикальное сжимающее напряжение в слое формы на глубине z под прессовой колодкой (рис. 1) составляет p z и распределяется равномерно. Боковое давление смеси в этом слое p x = x p z где x = const – коэффициент бокового давления для данной смеси в данных условиях. Если f – коэффициент трения смеси о стенки опоки, то условие равновесия сил для данного слоя формы можно написать в следующем виде
, | (1) |
где F – площадь опоки в плане;
U – периметр опоки.
Решив это уравнение и подставив начальное условие, заключающееся в том, что под прессовой колодкой давление прессования равно некоторому известному значению р к, получим экспоненту
, | (2) |
где в коэффициент a собраны все постоянные
. | (3) |
Однако такой закон распределения p z по высоте формы осложняется торцовым трением смеси о прессовую колодку и модельную плиту. Силы трения фиксируют смесь, непосредственно прилегающую к колодке и модельной плите, и не позволяют ей перемещаться к стенкам опоки. Вследствие этого возле прессовой колодки и модельной плиты образуются неподвижные объемы плотной смеси, так называемые конусы или пирамиды деформации, не принимающие участия в развитии бокового давления на стенки опоки.
Это подтверждается установленным экспериментально фактом, что боковое давление смеси на стенки опоки при прессовании имеет максимум где-то в середине высоты опоки и падает практически до нуля в верхних слоях формы у прессовой колодки и в нижних слоях у модельной плиты.
Рис. 2. Схема к определению pz с учетом торцового и бокового трения |
Для учета влияния торцового трения смеси при рассмотрении распределения сжимающих напряжений p z по высоте примем следующую упрощенную методику. Предположим, что в зонах формы, содержащих пирамиды (конусы) деформации, боковое давление на стенки опоки не равно x p z, a меньше и составляет k x p z, где коэффициент k < 1 и является переменным по высоте верхней и нижней зон (рис. 2).
При этом примем, что в верхней зоне опоки боковое давление у прессовой колодки равно нулю и в полной мере развивается лишь на уровне вершины конуса деформации. Тогда коэффициент k может быть выражен в виде k 1 = z / h 1, где h 1 – высота конуса деформации (см. рис. 2). Исходное уравнение суммы вертикальных сил для слоя на глубине z от прессовой колодки теперь будет иметь следующий вид
(4) |
и, соответственно, решение
, | (5) |
где
. | (6) |
На глубине h 1 давление p z составит,
, | (7) |
т. е. будет таким же, каким оно было бы на вдвое меньшей глубине при отсутствии торцового трения смеси о колодку.
Аналогично получаем множитель для нижней зоны опоки:
, | (8) |
где H – высота опоки;
h 2 – высота конуса деформации.
Уравнение сил для слоя смеси на глубине z под поверхностью колодки будет иметь следующий вид
, | (9) |
а его решение соответственно
, | (10) |
где p z2 – значение вертикального сжимающего напряжения для глубины (H – h 2) (на уровне вершины нижнего конуса деформации);
c – коэффициент, объединяющий все константы уравнения
. | (11) |
Таким образом, торцовое трение смеси о прессовую колодку и модельную плиту вносит коррективы в распределение вертикальных сжимающих напряжений в прессуемой форме. В верхней зоне формы, на глубине от 0 до h 1 под прессовой колодкой, величина p z изменяется по закономерности (5). На участке формы между вершинами верхнего и нижнего конусов деформации (если такой участок остается) p z должно изменяться в соответствии с основной закономерностью простейшей экспоненты (2) по уравнению
. | (12) |
Наконец в нижней зоне, в пределах значения глубины z от (H – h) до H, величина p z подчиняется закономерности (10).
Распределение средней плотности формовочной смеси d (кг/м3) по высоте опоки при прессовании, полученное экспериментально различными исследователями, соответствует приведенному выше характеру распределения вертикальных сжимающих напряжений p z. В зависимости от условий опыта и мест измерения плотности d кривые имеют небольшие различия. В углах опоки наблюдается непрерывное уменьшение d с глубиной формы (рис. 3, а). У середины стенки опоки наблюдается уменьшение d до некоторой величины, остающейся далее постоянной в нижней части формы (рис. 3, б). В центре сечения формы наблюдается небольшое повторное увеличение d в нижней части формы около модельной плиты (рис. 3, в). Последнее обстоятельство можно, по-видимому, объяснить большей плотностью смеси в конусах деформации по сравнению с областями вне конуса.
Рис. 3. Экспериментальные кривые распределения плотности смеси по высоте формы | Рис. 4. Схема деформации сетки слоев смеси в форме при прессовании |
Вследствие трения формовочной смеси о стенки опоки при прессовании, горизонтальные слои формы у стенок отстают в своем движении вниз от середины слоев и загибаются кверху (рис. 4). Так как боковое давление в прессуемой форме из-за торцового трения развивается главным образом в ее средних по высоте частях, боковая деформация смеси и соответствующее искривление вертикальных слоев наблюдаются в основном в средних горизонтах опоки.