Оптимизация процесса вибрационного уплотнения формовочных и стержневых смесей

Слово вибрация происходит от латинского Vibratio, что значит – колебание, дрожание.

Одним из этапов получения отливки является изготовление форм и стержней. Для их изготовления в настоящее время применяется огромное количество формовочных и стержневых машин. Их применение основано на различных методах изготовления форм и стержней для изготовления литого изделия требуемого качества (точности размеров, поверхности и так далее).

Здесь надо отметить, что в большинстве случаев, когда говорят о качестве форм и стержней, подразумевают достижение требуемой плотности смеси. К сожалению не всегда учитывают такой фактор качества формы и стержня, как заполняемость. Именно этот фактор показывает качество достижения требуемой конфигурации полости формы и стержня, что существенно влияет на точность изготовления литого изделия. В случае использования холоднотвердеющих (ХТС) и жидкостекольных смесей, обладающих малой живучестью и высокой прочностью, необходимо, в первую очередь, учитывать заполняемость.

Выделяют следующие три группы методов изготовления форм и стержней: уплотнение прессованием, динамические методы, комбинированные методы.

Одним из динамических методов является вибро-прессовый метод уплотнения. Впервые таким способом получили формы на обычных прессовых машинах, оснащенных вибраторами для расталкивания моделей при съеме формы. Было обнаружено, что при включении вибратора в процессе прессования плотность формы увеличивалась. Позже появились так называемые вибропрессовые формовочные машины с вмонтированными в прессовые поршни специальными пневмовибраторами ударного действия. Частота ударов и, следовательно, частота вынужденных колебаний оснастки на этих машинах достигала 25 – 35 1/с, но масса ударника и кинетическая энергия были небольшими. Многочисленные исследования показали, что по сравнению с процессом прессования вибропрессование позволяет несколько увеличить плотность формы и равномерность распределения плотности по сечениям формы . Однако существенное изменение характера процесса уплотнения начинается при частотах вынужденных колебаний, превышающих 50 1/с. При любой частоте колебаний при увеличении амплитуды стола машины плотность и прочность формы увеличивались, а газопроницаемость уменьшалась. По мнению исследователей, оптимальное значение амплитуды колебаний 0,8 – 1 мм.

В настоящее время вибропрессование не вышло из экспериментальной стадии. Одним из разновидностей этого метода уплотнения смеси является вибрационный метод уплотнения.

Одним из важных недостатков всех методов уплотнения смеси является низкий коэффициент полезного действия процесса уплотнения.

Вибрационный метод основан на использовании энергии колебаний вибрационной установки, прилагаемых к формовочной и стержневой оснастке. Резонансный режим колебательного процесса является тем методом, при котором возможен процесс увеличения КПД процесса уплотнения, так как при резонансном режиме увеличивается амплитуда колебания, которая, в свою очередь, является параметром работы колебаний, то есть с ростом амплитуды увеличивается работа колебаний без дополнительных энергетических затрат.

Резонансный режим возникает при условии приближения собственной частоты смеси к вынужденной частоте. Собственная частота смеси зависит от ее жесткости – параметра, характеризующего упругие свойства смеси.

Проведенные исследования показали, что собственная частота смеси имеет степенную зависимость от ее плотности и выражается уравнением:

где W0 – собственная частота смеси; p – плотность смеси; K и n – коэффициенты, определяемые экспериментально (методом аппроксимации).

Эксперименты показали, что смесь при плотности 1,55 г/см^3 имеет собственную частоту около 6000 рад/с или 955 Гц. Применение вибрационных установок, способных создавать вибрационные нагрузки при частоте до 4000 Гц, позволяют создать резонансный режим, при котором происходит псевдоожижение смеси, то есть снижаются силы взаимодействия связующего и наполнителя (на примере ХТС). Это увеличивает вероятность изменения расположения частиц смеси в полости оснастки, при которой улучшается заполняемость, плотность.