RU2602314C2 - Block mold for ship propellers blades casting from titanium alloys - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, preferably, to large-sized ship propellers blades from titanium alloys casting into block mold. Block mold comprises working cavity 6, gating system with riser 3, heads 4, 5 and feeder 11. Block mold is made with vertical connector, passing along blade edges screw line, and horizontal connector 10. Outside mold closure belt 9 in form of collar is made along screw line, which width is less than wall thickness and is equal to 2-2.5 of blade edge casting radii, and height makes 0.3-0.4 of belt width. After closure belt in block mold connection point cavity is made filled with moulding mixture. Horizontal connector plane separates block mold into two parts, passes through blade axis and divides pitch angle between blade first and last radial sections in two. Block mold wall thickness in places of blade and hub implementation makes 0.6-0.8 and 0.4-0.5 of casting wall thickness, and in head system shaping points is 0.7-0.9 of feeder thickness.

EFFECT: invention allows to increase block mold service life, reduce its warpage and increase castings quality.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к литейному производству кокильных отливок, преимущественно к конструкции кокиля для литья массивных отливок из титановых сплавов для крупногабаритных лопастей корабельных гребных винтов.The invention relates to foundry of chill castings, mainly to the design of a chill mold for casting massive castings of titanium alloys for large-sized blades of ship propellers.

Известны следующие устройства кокилей, близкие по принципам конструкции предлагаемому сборному кокилю, такие как кокиль для заливки по новой технологии (журнал "Литейное производство", 2003 г., №12, статья "Конструкция и технология литья алюминиевых лопастных колес гидротрансформаторов", автор Джафаров Н.М. МГТУ им. Баумана, стр. 23).The following chill devices are known that are close in design principles to the proposed prefabricated chill mold, such as a chill mold for pouring according to new technology (Foundry Production magazine, 2003, No. 12, article "Design and casting technology of aluminum rotor wheels of torque converters", by Jafarov N .M. MSTU named after Bauman, p. 23).

Литейная форма для получения модифицированных отливок по а.с. №1438918 (БИ 1988 г. №43), кокиль для изготовления чугунных отливок с выступами по а.с. №1409407 (БИ 1988 г., №26).A mold for producing modified castings according to A.S. No. 1438918 (BI 1988 No. 43), a chill mold for the manufacture of cast iron castings with protrusions on No. 1409407 (BI 1988, No. 26).

Сборный кокиль, содержащий элементы, формирующие литейную полость, по а.с.№1212693 (БИ за 1986, №7).Prefabricated chill mold containing the elements forming the casting cavity, according to A.S. No. 1212693 (BI for 1986, No. 7).

Кокиль по патенту Японии № JP 01-237068, опубл. 21.09.1989 г.The chill mold of Japanese patent No. JP 01-237068, publ. 09/21/1989

Кокиль по патенту РФ №2260496 С2, опубл. 20.09.2005 г.Chill on the patent of the Russian Federation No. 2260496 C2, publ. September 20, 2005

Наиболее близким по назначению и конструкции к предлагаемому кокилю является выбранная в качестве прототипа металлическая форма (кокиль) для отливки лопасти рабочего колеса гидротурбин (книга "Литье в металлические формы", выпуск 7, A.M. Липницкий, Ленинград; "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1980 г., стр. 59-60).The closest in purpose and design to the proposed chill mold is a metal mold (chill mold) chosen as a prototype for casting the blades of a turbine impeller (book "Casting in metal molds", issue 7, AM Lipnitsky, Leningrad; "Engineering", Leningrad Branch, 1980 g., pp. 59-60).

Известная металлическая форма состоит из подвижной и неподвижной створок (полуформ). Подвижная створка снабжена двумя гидравлическими цилиндрами.Known metal form consists of a movable and fixed sash (half-form). The movable leaf is equipped with two hydraulic cylinders.

На рабочей поверхности стенки металлической формы, оформляющей отливку в виде лопасти, выполнены небольшие круглые металлические площадки, расположенные в шахматном порядке. Пространство между площадками в процессе подготовки формы к заливке заполнено огнеупорной смесью так, что поверхности металлических площадок и футеровочного состава расположены в одной плоскости. Сифонная литниковая система для подвода расплавленного металла к отливке оформлена в шамотных трубах. Прибыли расположены в тщательно футерованной огнеупорной смесью верхней части формы. Прототип имеет следующие недостатки. При использовании в прототипе металлической формы кокиля для литья крупногабаритных лопастей из титановых сплавов вследствие его больших габаритных размеров, особенно по длине (размеры лопасти 4500×2300 мм), повышается интенсивность нагрева плоской стенки. Стенка кокиля в виде полуформ целиковая, имеющая большую длину, что увеличивает термические напряжения в ней, приводит к ее деформации и не позволяет полностью разгрузить элемент стенки кокиля путем поперечного и продольного расчленения. Это приводит к увеличению коробления кокиля вследствие увеличения деформации и возрастанию опасности образования горячих трещин.On the working surface of the wall of the metal form, which forms the casting in the form of a blade, small round metal pads arranged in a checkerboard pattern are made. The space between the pads in the process of preparing the mold for filling is filled with a refractory mixture so that the surfaces of the metal pads and the lining composition are located in the same plane. The siphon gating system for supplying molten metal to the casting is framed in chamotte pipes. Profits are located in a carefully lined refractory mixture of the upper part of the mold. The prototype has the following disadvantages. When the metal mold of the mold is used in the prototype for casting large-sized blades made of titanium alloys due to its large overall dimensions, especially along the length (blade dimensions 4500 × 2300 mm), the intensity of heating of a flat wall increases. The chill wall in the form of half-shapes is whole, having a large length, which increases thermal stresses in it, leads to its deformation and does not allow to completely unload the chill wall element by transverse and longitudinal dismemberment. This leads to an increase in warping of the chill mold due to an increase in deformation and an increase in the danger of the formation of hot cracks.

У прототипа пониженная стойкость, т.е. способность сохранять рабочие свойства, определяемая числом заливок, которое выдерживает кокиль до выхода из строя, так как увеличивается обрамление кокиля (часть стенки по контуру рабочей полости, т.е. часть формы, соприкасающейся с отливкой), что приводит к увеличению напряжения в стенке. Составная стенка у прототипа, состоящая из маленьких круглых металлических площадок и большого количества огнеупорной смеси между ними, образующих общую плоскость, сложна при изготовлении и при заливке титановых сплавов вследствие высокой температуры заливки и высокой активности титанового расплава происходит загрязнение поверхности титановой отливки, непосредственно контактирующей с футеровкой стенки, из-за проникновения материалов огнеупорной смеси в расплав. Это приводит к образованию альфированного слоя в титановых отливках и значительному снижению их качества. Конструкция прототипа нерациональная сложная и не может быть применена для плавки и заливки в кокиль отливок из титановых сплавов для лопастей корабельных винтов, так как их проводят в вакуумной печи, где при вакууме работа подвижной полуформы кокиля (створки) с помощью гидравлических цилиндров требует специального вакуумного уплотнения из-за необходимости их размещения внутри вакуумной системы плавильной печи и может привести к браку титановых отливок вследствие возможных протечек гидравлической жидкости и возможному попаданию ее паров и выделений в жидкий расплав титанового сплава.The prototype has reduced durability, i.e. the ability to maintain working properties, determined by the number of fillings that withstands the chill mold before failure, as the frame of the chill mold increases (part of the wall along the contour of the working cavity, i.e. part of the mold in contact with the casting), which leads to an increase in stress in the wall. The composite wall of the prototype, consisting of small round metal pads and a large amount of refractory mixture between them, forming a common plane, is difficult to manufacture and when casting titanium alloys due to the high pour temperature and high activity of the titanium melt, the surface of the titanium casting is directly in contact with the lining walls, due to the penetration of materials of the refractory mixture into the melt. This leads to the formation of an alpha layer in titanium castings and a significant decrease in their quality. The prototype design is irrational complex and cannot be used for melting and pouring titanium alloy castings into the chill molds for ship propeller blades, as they are carried out in a vacuum furnace, where under vacuum the work of the movable mold of the chill mold (sash) using hydraulic cylinders requires a special vacuum seal due to the necessity of their placement inside the vacuum system of the melting furnace and can lead to the rejection of titanium castings due to possible leaks of the hydraulic fluid and its possible hit ares and precipitates in the molten liquid of the titanium alloy.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стойкости кокиля, уменьшения его коробления, повышение качества отливок, простая и рациональная конструкция.The technical result of the invention is to increase the resistance of the chill mold, reduce its warpage, improve the quality of castings, a simple and rational design.

Указанный технический результат достигается, тем, что в заявляемом кокиле, состоящем из кокиля ступицы с частью лопасти и кокиля концевой части лопасти, стояка, стержней прибыли и стояка, литниковой системы, узлов центровочных, крепления и кантования расчленение на полуформы (полукокили) исполнено по вертикальному криволинейному разъему, который выполнен по винтовой линии кромок лопасти, геометрия которой определяется изменяющимся шагом лопасти, а вдоль этой винтовой линии с наружной стороны входящей и выходящей кромок лопасти по всему периметру стенки кокиля расположены равномерно в литых пазах узлы крепления и проходящий по линии изменения шага лопасти поясок смыкания в виде буртика шириной, меньшей толщины стенки кокиля и равной от 2,0 до 2,5 радиусов кромки отливки лопасти, высотой, составляющей от 0,3 до 0,4 от ширины пояска, и длиной, равной длине винтовой линии криволинейного вертикального разъема. За пояском смыкания продолжение части кокиля формирует углубление длиной, равной длине пояска смыкания, глубиной от 0,4 до 0,5 от ширины пояска, шириной от 0,5 до 0,6 от ширины пояска, которое после сборки половин кокиля заполняется формовочной смесью (керамической массой), что гарантирует не только надежную герметизацию и защиту от прорыва жидкого металла, но и позволяет компенсировать терморасширение кокиля и снизить его коробление в процессе заливки. Выполнение вертикального разъема криволинейным по винтовой линии кромок лопасти, геометрия которой определяется изменяющимся шагом лопасти, а вдоль этой винтовой линии с наружной стороны входящей и выходящей кромок лопасти по всему периметру стенки кокиля расположены равномерно в литых пазах узлы крепления, и проходящий по линии изменения шага лопасти поясок смыкания в виде буртика обеспечивает не только отливку лопасти максимально по точности, приближенной к чертежу лопасти, хорошую чистоту поверхности отливок и минимальные припуски на обработку, но и обуславливает наиболее полную разгрузку элемента стенки кокиля. Расчленение выполнено также по горизонтальному обрабатываемому разъему, который разделяет предлагаемый кокиль на примерно две равные части так, что рабочая полость кокиля занимает такое положение, при котором горизонтальная плоскость этого разъема, проходящая через ось лопасти, делит шаговый угол между первым и последним радиальным сечением лопасти пополам. Это необходимо для обеспечения удобной и рациональной сборки, чтобы одна часть кокиля при сборке не смещалась относительно другой от собственной массы и чтобы центровочные отверстия, по которым собирается кокиль, были на одной горизонтальной линии для обеспечения правильной установки установочных болтов (штырей) с целью точной фиксации половин кокиля при его сборке (фиг. 1). Вертикальный криволинейный и горизонтальный разъемы за счет комбинированного расчленения и строго определенного геометрического расположения снижают термические напряжения в кокиле, уменьшают склонность к короблению, повышают стойкость кокиля и обеспечивают высокое качество отливок.The specified technical result is achieved by the fact that in the inventive chill mold, consisting of a chill of the hub with part of the blade and chill of the end part of the blade, riser, rods of profit and riser, gating system, alignment nodes, fasteners and tilting, the dismemberment into half-molds (semi-cockles) is performed in vertical curved connector, which is made along the helical line of the edges of the blade, the geometry of which is determined by the changing pitch of the blade, and along this helical line from the outside of the incoming and outgoing edges of the blade throughout attachment points and a closing belt in the form of a shoulder with a width smaller than the thickness of the chill wall and equal to 2.0 to 2.5 radii of the edge of the casting of the blade, with a height of 0.3 up to 0.4 of the width of the girdle, and a length equal to the length of the helix of the curved vertical connector. Behind the closure belt, the continuation of the part of the chill mold forms a recess with a length equal to the length of the closure girdle, with a depth of 0.4 to 0.5 of the width of the girdle, a width of 0.5 to 0.6 of the width of the girdle, which after assembly of the halves of the chill mold is filled with molding sand ( ceramic mass), which guarantees not only reliable sealing and protection against breakthrough of liquid metal, but also allows you to compensate for the thermal expansion of the chill mold and reduce its warping during pouring. The execution of the vertical connector curved along the helical line of the edges of the blade, the geometry of which is determined by the changing pitch of the blade, and along this spiral line from the outside of the incoming and outgoing edges of the blade along the entire perimeter of the chill wall are the attachment points evenly located in the cast grooves, and the blades passing along the line of change the collar in the form of a shoulder ensures not only casting of the blade as accurate as possible, close to the drawing of the blade, good cleanliness of the surface of the castings and minimal allowance and handling, but also causes the most complete discharge of the mold wall element. The dismemberment is also performed by the horizontal machined connector, which divides the proposed chill mold into approximately two equal parts so that the working cavity of the chill mold occupies a position in which the horizontal plane of this plug, passing through the axis of the blade, divides the step angle between the first and last radial section of the blade in half . This is necessary to ensure convenient and rational assembly so that one part of the chill mold during assembly does not move relative to the other from its own mass and that the centering holes along which the chill mold is assembled are in the same horizontal line to ensure the correct installation of the installation bolts (pins) in order to accurately fix half of the chill mold during its assembly (Fig. 1). Due to the combined dismemberment and strictly defined geometric arrangement, the vertical curved and horizontal connectors reduce the thermal stresses in the chill mold, reduce the tendency to warp, increase the resistance of the chill mold and ensure high quality castings.

Оптимальная толщина стенки кокиля определяется из уравнения теплового баланса, учитывающего теплообмен между отливкой и формой при равенстве температуры контакта, t_к и средней калориметрической температурой системы t_к0:The optimum wall thickness of the chill mold is determined from the heat balance equation, taking into account the heat transfer between the casting and the mold when the contact temperature, t _к, and the average calorimetric temperature of the system t _к0 :

где t_зал - температура заливки формы, °C;where t _hall - pouring temperature, ° C;

ρ₁ - скрытая теплота затвердевания металла отливки, ккал;ρ ₁ - latent heat of solidification of the casting metal, kcal;

C₁ - теплоемкость металла отливки, ккал/кг×°C;C ₁ - heat capacity of the casting metal, kcal / kg × ° C;

t_2нач - температура кокиля, °C;t _2nach is the temperature of the chill mold, ° C;

m - критерий массы системы.m is the criterion for the mass of the system.

где G₂ - масса кокиля, - С₂ теплоемкость металла кокиля;where G ₂ is the mass of the chill mold, - C _{2 the} heat capacity of the metal of the chill mold;

G₁ - масса отливки, кг; C₁ - теплоемкость металла отливки.G ₁ - casting mass, kg; C ₁ - the heat capacity of the metal casting.

где

- критерий теплоаккумулирующей способности кокиля b2 и отливки b1.Where

- criterion for the heat storage capacity of chill mold b2 and casting b1.

С - удельная теплоемкость в ккал/кг×°C;C is the specific heat in kcal / kg × ° C;

λ - коэффициент теплопроводности в ккал/м×час×°C;λ is the coefficient of thermal conductivity in kcal / m × hour × ° C;

γ - удельный вес в кг/м³;γ is the specific gravity in kg / m ³ ;

ρ - удельная теплота кристаллизации в ккал/кг.ρ is the specific heat of crystallization in kcal / kg.

Поясок смыкания, проходящий по линии изменения шага лопасти, обеспечивает надежную герметизацию закрытия формы и ее ремонтоспособность. В случае коробления кокиля, при его эксплуатации и необходимости ремонта сваркой легче ремонтировать узкий поясок в виде буртика, чем толстую стенку кокиля по всей толщине. Кроме того, поясок смыкания является резервом при корректировке размеров рабочей полости кокиля в случае изменения геометрических параметров лопасти в процессе длительной эксплуатации кокиля при изготовлении большого количества отливок, тем самым обеспечивая их требуемую точность и высокое качество. Высота пояска смыкания, составляющая от 0,3 до 0,4 от ширины пояска, оптимальна с точки зрения удержания формовочной магнезитовой смеси.The closing belt, passing along the line of change of the pitch of the blade, provides reliable sealing of the closing of the form and its maintainability. In the case of warpage of the chill mold, during its operation and the need for repair by welding, it is easier to repair a narrow girdle in the form of a shoulder than the thick wall of the chill mold over its entire thickness. In addition, the closing belt is a reserve when adjusting the dimensions of the working cavity of the chill mold in case of changing the geometric parameters of the blade during the long-term operation of the chill mold in the manufacture of a large number of castings, thereby ensuring their required accuracy and high quality. The height of the closing belt, comprising from 0.3 to 0.4 of the width of the belt, is optimal from the point of view of holding the molding magnesite mixture.

Уменьшение ширины пояска смыкания менее 2,0 радиусов кромки отливки лопасти приводит к ухудшению устойчивости кокиля при сборке и затруднению подгонки сопрягаемых частей кокиля по пояску смыкания, а значит к ухудшению герметизации закрытия формы и повышению вероятности прорыва жидкого металла через разъем.Reducing the width of the clamping belt less than 2.0 radii of the edge of the casting of the blade leads to deterioration of the stability of the chill mold during assembly and the difficulty of fitting the mating parts of the chill mold to the clamping belt, which means that the sealing of the mold closure is worsened and the likelihood of molten metal breaking through the connector increases.

Увеличение ширины пояска смыкания более 2,5 радиусов кромки отливки лопасти приводит к утяжелению конструкции кокиля и усложнению при ремонте сваркой. Толщина стенки рабочей полости кокиля должна составлять в местах оформления лопасти от 0,6 до 0,8, в местах оформления ступицы от 0,4 до 0,5 от толщины стенки отливки, а в местах, оформляющих литниковую систему, толщина стенки кокиля должна составлять от 0,7 до 0,9 от толщины питателя. Указанные диапазоны толщины стенки кокиля оптимальны, так как обеспечивают заданный режим охлаждения отливки, достаточную жесткость кокиля, минимальное его коробление при нагреве теплом залитого титанового расплава, стойкость против растрескивания. Стенка рабочей полости кокиля и питатель показаны соответственно на фиг. 3 и 1.An increase in the width of the closure belt of more than 2.5 radii of the edge of the casting of the blade leads to a heavier construction of the chill mold and complicates the repair by welding. The thickness of the wall of the working cavity of the chill mold should be from 0.6 to 0.8 at the places of registration of the blade, from 0.4 to 0.5 of the thickness of the casting wall at the places of the hub, and at the places forming the gate system, the chill wall thickness should be from 0.7 to 0.9 of the thickness of the feeder. The indicated ranges of the chill wall wall thickness are optimal, as they provide the specified cooling mode for the casting, sufficient chill stiffness, its minimum warping when heated by cast titanium melt, and resistance to cracking. The wall of the working cavity of the chill mold and the feeder are shown in FIG. 3 and 1.

При затвердевании отливок из титановых сплавов уменьшение толщины стенки кокиля в местах оформления лопасти и ступицы соответственно менее 0,6 и 0,4 от толщины стенки отливки, в местах, оформляющих литниковую систему, менее 0,7 от толщины питателя приводит к значительному повышению температуры внешней поверхности кокиля, перегреву стенки и увеличению термических напряжений.During the hardening of castings from titanium alloys, a decrease in the thickness of the chill wall at the points of registration of the blade and hub, respectively, is less than 0.6 and 0.4 of the thickness of the wall of the casting, in places forming the gating system, less than 0.7 of the thickness of the feeder leads to a significant increase in the external temperature the surface of the chill mold, overheating of the wall and an increase in thermal stresses.

Увеличение толщины стенки кокиля в местах оформления лопасти, ступицы и литниковой системы соответственно более 0,8 и 0,5 от толщины стенки отливки и 0,9 от толщины питателя уменьшает скорость затвердевания титановых отливок, усложняет и утяжеляет конструкцию кокиля.An increase in the wall thickness of the chill mold at the places of registration of the blade, hub and gating system, respectively, is more than 0.8 and 0.5 of the wall thickness of the casting and 0.9 of the thickness of the feeder reduces the solidification rate of titanium castings, complicates and aggravates the design of the chill mold.

Литниковая система выполнена так, что ось стояка и ось прибыли (место подвода металла в прибыль) находятся на оси размещения заливочных желобов и центра заливочной камеры, а расстояние между центрами отверстий этих желобов должно быть равно сумме расстояний от центра отверстия заливочного желоба стояка до центра заливочной камеры и от центра заливочного желоба прибыли до центра заливочной камеры, а подвод металла через стояк осуществляется по разъему в нижнюю часть формы (кокиля), подвод металла через прибыль осуществляется в верхнюю часть формы (фиг. 2 и 4). Причем соотношение площадей элементов литниковой системы должно быть следующим:The gating system is designed so that the axis of the riser and the axis of profit (the place of supply of metal to profit) are located on the axis of placement of the casting grooves and the center of the casting chamber, and the distance between the centers of the holes of these grooves should be equal to the sum of the distances from the center of the opening of the casting groove of the riser to the center of the casting the chamber and from the center of the casting trough arrived to the center of the casting chamber, and the metal is fed through the riser through the connector to the lower part of the mold (chill mold), the metal is fed through the profit to the upper part be shaped (Figs. 2 and 4). Moreover, the ratio of the area of the elements of the gate system should be as follows:

F_л.в.:F_ст.:F_п.=1:1,1:1,15,F _lv : F _Art. : F _p. = 1: 1.1: 1.15,

где F_л.в. - площадь сечения литниковой воронки желоба;where F _lv - cross-sectional area of the gate funnel of the gutter;

F_ст. - площадь сечения стояка;F _Art. - cross-sectional area of the riser;

F_п. - площадь сечения питателя.F _p - the cross-sectional area of the feeder.

Размещение на одной оси стояка, прибыли, центра заливочной камеры и заливочных желобов в соответствии с указанными расстояниями гарантирует минимальное расстояние от тиглей до заливочных отверстий, что обеспечивает минимальные потери тепла в жидком металле при заливке. Применение в предлагаемом кокиле расширяющейся литниковой системы с соотношением F_л.в.:F_ст.:F_п.=1:1,1:1,15 повышает качество отливок, обеспечивая спокойное, плавное поступление расплава в рабочую полость формы, способствуя направленному затвердеванию и питанию отливки. Для получения качественных отливок скорость движения расплава в форме должна убывать от сечения стояка к питателю и обеспечивать ее заполнение без образования в отливке неслитин и спаев.Placing the riser, profit, center of the casting chamber and casting troughs on one axis in accordance with the indicated distances guarantees the minimum distance from the crucibles to the casting holes, which ensures minimal heat loss in the molten metal during casting. The use in the proposed chill mold of an expanding gate system with a ratio of F _l.v. : F _Art. : F _p = 1: 1.1: 1.15 improves the quality of the castings, providing a calm, smooth flow of the melt into the working cavity of the mold, contributing to the directional solidification and nutrition of the casting. To obtain high-quality castings, the speed of movement of the melt in the mold should decrease from the cross section of the riser to the feeder and ensure its filling without the formation of neslin and junctions in the casting.

В предлагаемом кокиле места для узлов крепления выполнены в виде литых пазов, располагаемых ниже поверхности вертикального криволинейного разъема, перпендикулярно к касательной винтовой линии вертикального разъема, равномерно через равные промежутки по периметру вертикального разъема, причем расстояния между узлами крепления должны соответствовать соотношениюIn the proposed chill mold, the locations for the attachment points are made in the form of cast grooves located below the surface of the vertical curved connector, perpendicular to the tangent of the vertical connector’s helical line, evenly at regular intervals along the perimeter of the vertical attachment, and the distances between the attachment points must correspond to the ratio

где Р - периметр (длина) вертикального криволинейного разъема кокиля, в мм;where P is the perimeter (length) of the vertical curvilinear connector of the chill mold, in mm;

n - количество узлов (мест) крепления кокиля.n is the number of nodes (places) fastening the chill mold.

Указанное соотношение

является оптимальным, так как обеспечивает максимальное время содержания кокиля в заневоленном состоянии, что предотвращает изменение размеров кокиля при нагреве и остывании и соответственно получение отливок высокого качества.Indicated ratio

It is optimal, as it provides the maximum time for keeping the chill mold in a non-worn state, which prevents the chill from changing its dimensions during heating and cooling and, accordingly, obtaining high-quality castings.

В случае $$\frac{П}{n}<200$$

повышаются внутренние напряжения в отливках, которые могут привести к появлению трещин.When $$\frac{P}{n}<200$$

internal stresses in the castings increase, which can lead to cracking.

Если отношение $$\frac{П}{n}>250$$

, то из-за высоких термических напряжений, возникающих при заливке и остывании кокиля, возможно нарушение целостности креплений и преждевременное раскрывание кокиля.If the ratio $$\frac{P}{n}>250$$

, then due to the high thermal stresses that occur during pouring and cooling of the chill mold, a violation of the integrity of the fasteners and premature opening of the chill mold are possible.

Крепление предлагаемого кокиля (фиг. 3) производят с помощью болтов и шпилек с применением совместно сдвоенных мягких (алюминиевых) и жестких (стальных) шайб. Совмещение жестких (стальных) и мягких (алюминиевых) шайб необходимо для демпфирования (смягчения) высоких напряжений, возникающих в процессе нагревания и затем остывания кокиля в местах креплений кокиля и, значит обеспечения нормальной разборки кокиля. Причем в узле крепления с обоих сторон к головке болта и гайке сначала устанавливается мягкая шайба, а затем жесткая. Мягкая шайба выполнена из мягкого деформирующего материала - алюминия, силумина или красной меди, а жесткая шайба из стали. В случае применения только жестких шайб уровень напряжений такой, что при разборке кокиля практически невозможно раскрепить крепления (открутить гайки) и часто приходится их разрезать газовой резкой, что приводит к повреждению кокиля в местах креплений. В случае применения только мягких шайб ввиду большой массы соединяемых кокилей при сборке и транспортировке кокиля, возможно их срезание из-за их низкой сопротивляемости нагрузкам на срез и соответственно несанкционированное разъединение частей кокиля.The fastening of the proposed chill mold (Fig. 3) is carried out using bolts and pins with the use of combined twin soft (aluminum) and hard (steel) washers. The combination of hard (steel) and soft (aluminum) washers is necessary for damping (softening) the high stresses that occur during heating and then cooling of the chill mold in the mountings of the chill mold and, therefore, ensure normal dismantling of the chill mold. Moreover, in the mount on both sides of the bolt head and nut, a soft washer is first installed, and then a rigid washer. The soft washer is made of a soft deforming material - aluminum, silumin or red copper, and the hard washer is made of steel. In the case of using only rigid washers, the stress level is such that when dismantling the chill mold it is almost impossible to unfasten the fasteners (unscrew the nuts) and often they have to be cut by gas cutting, which leads to damage to the chill mold in the fastener places. In the case of using only soft washers due to the large mass of chill molds being connected during assembly and transportation of the chill mold, it is possible to cut them because of their low resistance to shear stresses and, accordingly, unauthorized separation of the chill mold parts.

Конструкция предлагаемого кокиля простая и рациональная, не вызывает затруднений при его изготовления, обеспечивает его рациональную сборку и нормальную работу при заливке, охлаждении и разборке.The design of the proposed chill mold is simple and rational, does not cause difficulties in its manufacture, ensures its rational assembly and normal operation when pouring, cooling and disassembling.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на котором показан предлагаемый сборный кокиль.The invention is illustrated in FIG. 1, which shows the proposed prefabricated chill mold.

Предлагаемый кокиль состоит из кокиля ступицы с частью лопасти 1, кокиля концевой части лопасти 2, стояка 3, стержней стояка и прибыли 4 и 5, рабочей полости 6, узлов крепления 7 и центровочных отверстий 8. Предлагаемый кокиль имеет вертикальный криволинейный разъем, выполненный по винтовой линии кромок лопасти, геометрия которой определена изменяющимся шагом лопасти, а вдоль этой винтовой линии с наружной стороны входящей и выходящей кромок лопасти по всему периметру стенки кокиля расположены равномерно в литых пазах узлы крепления и проходящий по линии изменения шага лопасти поясок смыкания 9, за которым продолжение части кокиля формирует углубление, заполненное формовочной смесью, а также горизонтальный разъем 10, разделяющий кокиль на две примерно равные части и питатель 11.The proposed chill mold consists of a chill mold of the hub with a part of the blade 1, the chill mold of the end part of the blade 2, the riser 3, the riser rods and profits 4 and 5, the working cavity 6, the attachment points 7 and the centering holes 8. The proposed chill mold has a vertical curvilinear connector made by screw line of blade edges, the geometry of which is determined by the varying pitch of the blade, and along this helical line from the outside of the incoming and outgoing edges of the blade along the entire perimeter of the chill wall are the attachment points and passage evenly in the cast grooves conductive lines for blade pitch change clamping band 9, after which the mold part forms a continuation of the recess filled moldable mixture, as well as a horizontal slot 10 separating the metal mold into two approximately equal parts and the feeder 11.

На фиг. 2 указана схема размещения предлагаемого кокиля 1 в заливочной камере 12 вакуумной плавильной печи (печь типа "Нева-5"). На фиг. 2 показано, что литниковая система кокиля выполнена так, что ось стояка 13, центр заливочной камеры 14 и место подвода металла в прибыль (ось прибыли) 15 расположены на оси 18 размещения заливочных желобов стояка 16 и прибыли 17.In FIG. 2 shows the layout of the proposed chill mold 1 in the casting chamber 12 of the vacuum melting furnace (furnace type "Neva-5"). In FIG. 2 shows that the gating system of the chill mold is made so that the axis of the riser 13, the center of the casting chamber 14 and the place of supply of metal to profit (profit axis) 15 are located on the axis 18 of the placement of the casting grooves of the riser 16 and profit 17.

На фиг. 3 показаны конструкции разъема кокиля со стенкой 19 и пояском смыкания 9, углублением с заделкой из керамической массы 20, узлов кантования 21 и крепления 7, состоящем из болта 22, гайки 23, шайб алюминиевой 24 и стальной 25.In FIG. 3 shows the design of the connector of the chill mold with the wall 19 and the closure belt 9, a recess with a seal of ceramic mass 20, canting assemblies 21 and fasteners 7, consisting of a bolt 22, nut 23, washers aluminum 24 and steel 25.

На фиг. 4 указана схема заливки лопасти гребного винта в вакуумной печи (печь типа "Нева-5"). На фиг. 4 показаны кокиль ступицы с частью лопасти 1, кокиль концевой части лопасти 2, стояк 3, стержень стояка 4, стержень прибыли 5, рабочая полость 6, узел крепления 7, центровочное отверстие для сборки кокиля 8, поясок смыкания 9, горизонтальный разъем 10, заливочный желоб прибыли 17, заливочный желоб стояка 16, заливочная камера 12, промежуточный стол 26, тигель 1-27, тигель 2-28, расплавленный металл 29, вакуумная печь 30.In FIG. 4 shows the pattern of casting the propeller blades in a vacuum furnace (furnace type "Neva-5"). In FIG. 4 shows the chill of the hub with part of the blade 1, the chill of the end part of the blade 2, the riser 3, the stem of the riser 4, the stem of profit 5, the working cavity 6, the attachment 7, the center hole for assembling the chill mold 8, the girdle of closure 9, the horizontal connector 10, fill the trough arrived 17, the casting trough of the riser 16, the casting chamber 12, the intermediate table 26, the crucible 1-27, the crucible 2-28, the molten metal 29, the vacuum furnace 30.

Общий вид предлагаемого кокиля (половины кокиля) представлен на фиг. 5. На фиг. 5 указаны поясок смыкания 9, поверхность вертикального криволинейного разъема по пояску смыкания 31, ребра жесткости 32, литые пазы для узлов крепления 33, узлы кантования 21.A general view of the proposed chill mold (half of the chill mold) is shown in FIG. 5. In FIG. 5 shows the closure belt 9, the surface of the vertical curved connector along the closure belt 31, stiffeners 32, cast grooves for attachment points 33, canting nodes 21.

Работа предлагаемого кокиля заключается в следующем.The work of the proposed chill mold is as follows.

В заливочную камеру литейной вакуумной печи (типа "Нева-5") устанавливают кокиль с таким расчетом, чтобы при заливке струя жидкого металла титанового сплава попадала в центр заливочных желобов, установленных в стояке и прибыльной части кокиля (фиг. 4). Заливочную камеру с кокилем закатывают под печь и прижимают домкратом к горизонтальной плите корпуса. Схема размещения предлагаемого кокиля в вакуумной плавильной печи (печь типа "Нева-5") указана на фиг. 2. Проверив качество вакуумных уплотнений, закрывают люки на корпусе печи. Насосами откачивают воздух из печи до остаточного давления 10^-2 мм рт.ст. Затем включают питание установки и проводят дуговую плавку титанового сплава (типа ВТ-1) в двух тиглях.A chill mold is installed in the casting chamber of a casting vacuum furnace (Neva-5 type) so that when pouring a stream of liquid metal of a titanium alloy gets into the center of the casting grooves installed in the riser and the profitable part of the chill mold (Fig. 4). A pouring chamber with a chill mold is rolled under the oven and pressed with a jack to the horizontal plate of the body. The layout of the proposed chill mold in a vacuum melting furnace (Neva-5 type furnace) is shown in FIG. 2. After checking the quality of the vacuum seals, close the hatches on the furnace body. Pumping air from the furnace to a residual pressure of 10 ^-2 mm RT.article Then they turn on the power of the installation and conduct arc melting of a titanium alloy (VT-1 type) in two crucibles.

Перед заливкой выключают ток соленоида и наклоняют тигель в положение "слив". Сначала осуществляют слив максимального количества металла из одного тигля в кокиль через стояк для заполнения основного объема отливки лопасти и затем заливку необходимого количества металла для заполнения оставшегося объема кокиля из второго тигля через прибыльную часть отливки, формируемую керамическим стержнем. Заливку производят сначала с одного тигля через стояк, а потом со 2-го тигля в прибыльную часть, что дает осуществление принципа направленного затвердевания отливки лопасти, позволяющее повысить качество отливки (усадочную раковину смещает в верхнюю часть прибыли). После окончания заливки тигли медленно возвращают в вертикальное положение. Схема заливки лопасти гребного винта в вакуумной печи представлена на фиг. 4.Before filling, turn off the solenoid current and tilt the crucible to the "drain" position. First, the maximum amount of metal is drained from one crucible to the chill mold through the riser to fill the main volume of the casting of the blade and then the required amount of metal is filled to fill the remaining volume of the chill mold from the second crucible through the profitable part of the casting formed by the ceramic rod. Pouring is carried out first from one crucible through the riser, and then from the 2nd crucible to the profitable part, which gives effect to the principle of directional solidification of the casting of the blade, which improves the quality of the casting (the shrink shell shifts to the top of the profit). After filling, the crucibles slowly return to the vertical position. The casting of the propeller blade in a vacuum furnace is shown in FIG. four.

Положение кокиля для отливки при заливке выбирается в зависимости от размеров отливки с учетом необходимости создания условий направленного затвердевания и питания, а также геометрических параметров заливочного пространства вакуумной плавильной печи. Наиболее рациональным положением при заливке является такое положение, при котором ось лопасти расположена вертикально. В случае, когда высота рабочего пространства печи не позволяет расположить отливку вертикально, допускается ее выполнение в наклонном положении (до 18°) по отношению к оси лопасти. При этом наклон лопасти должен быть таким, чтобы обеспечить ее надежное питание и всплывание газовых и неметаллических включений.The position of the chill mold for casting during casting is selected depending on the size of the casting, taking into account the need to create conditions for directional solidification and nutrition, as well as the geometric parameters of the casting space of the vacuum melting furnace. The most rational position when pouring is a position in which the axis of the blade is located vertically. In the case when the height of the working space of the furnace does not allow to position the casting vertically, it is allowed to perform it in an inclined position (up to 18 °) with respect to the axis of the blade. In this case, the inclination of the blade should be such as to ensure its reliable power and the emergence of gas and non-metallic inclusions.

Заливку кокиля следует проводить, не прерывая струи жидкого металла. Движение металла в литниковых каналах и в рабочей полости кокиля должно осуществляться компактным потоком без разбрызгивания, пульсации и разрыва струи. После окончания заливки выключают ток дуги, а тигель медленно возвращают в исходное положение. После остывания отливки в печь впускают атмосферный воздух, открывают камеру и разгружают печь. Затем залитый кокиль охлаждают до температуры 150°C и ниже и производят разборку кокиля и выбивку отливки.Chill pouring should be carried out without interrupting the jet of liquid metal. The movement of metal in the gate channels and in the working cavity of the chill mold should be carried out in a compact stream without spraying, pulsation and rupture of the stream. After pouring, the arc current is turned off, and the crucible is slowly returned to its original position. After cooling the castings, atmospheric air is let into the furnace, the chamber is opened and the furnace is unloaded. Then the filled chill mold is cooled to a temperature of 150 ° C and lower and the chill mold is disassembled and the casting is knocked out.

Предлагаемый кокиль проверен в заводских условиях. В результате после разливки и охлаждения полученной отливки произведена разборка кокиля, которая показала, что раскрепление узлов крепления (болтов и шпилек), соединяющих части кокиля, простая и удобная.The proposed chill mold is factory tested. As a result, after casting and cooling the resulting casting, the chill mold is disassembled, which showed that the fastening of the attachment points (bolts and studs) connecting the chill mold parts is simple and convenient.

Извлечение отливки за стояк и прибыль, удаление стержней, отрезка стояка и прибыли, очистка отливок не вызвало технических затруднений и произведена в соответствии с нормами, указанными в технических условиях на отливку.Extraction of the casting for riser and profit, removal of rods, length of riser and profit, cleaning of castings did not cause technical difficulties and was carried out in accordance with the standards specified in the technical conditions for casting.

Разметка полученной отливки лопасти гребного винта, произведенная с помощью навесного шагомера, показала ее соответствие данным паспорта геометрии отливки и чертежу.The marking of the obtained propeller blade casting, carried out using a mounted pedometer, showed its compliance with the data of the casting geometry passport and the drawing.

Результаты измерений первой отливки свидетельствуют о годности предлагаемого кокиля и его допуску к запуску для дальнейшего производства отливок. Ультразвуковой и радиографический контроль лопасти по литой поверхности показал высокое качество отливки и соответствие нормам контроля. Следов коробления кокиля не обнаружено. При дальнейшей эксплуатации кокиль показал высокую стойкость (после производства 20 отливок лопасти). Конструкция кокиля простая и рациональная, не вызывающая заметных затруднений при его сборке, заливке и охлаждении, разборке и выбивке отливок лопасти.The measurement results of the first casting indicate the suitability of the proposed chill mold and its admission to launch for further production of castings. Ultrasonic and radiographic inspection of the blade over the cast surface showed high quality casting and compliance with control standards. No traces of warping of the chill mold were found. During further operation, the chill mold showed high resistance (after the production of 20 blade castings). The design of the chill mold is simple and rational, without causing noticeable difficulties when assembling, pouring and cooling, disassembling and knocking out the castings of the blade.

У прототипа при тех же условиях качество отливок неудовлетворительное (может образоваться альфированный слой на поверхности лопасти). Могут появиться следы коробления кокиля, снижается его стойкость, так как стенка выполнена без расчленения, а уровень термических напряжений высокий. Конструкция прототипа сложная и нерациональная из-за составной стенки, состоящей из круглых металлических площадок и большого количества огнеупорной смеси, также требуется проведение дополнительных работ по вакуумному уплотнению гидравлической системы открывания подвижной полуформы кокиля.The prototype under the same conditions, the quality of the castings is unsatisfactory (may form an alpha layer on the surface of the blade). Traces of warping of the chill mold may appear, its resistance decreases, since the wall is made without dismemberment, and the level of thermal stresses is high. The design of the prototype is complex and irrational due to the composite wall consisting of round metal pads and a large amount of refractory mixture, additional work is also required to vacuum seal the hydraulic system for opening the movable mold of the mold.

Технико-экономический результат изобретения по сравнению с прототипом выразится в снижении себестоимости титановых отливок за счет повышения стойкости срока службы кокиля, уменьшении его коробления, более рациональной конструкции, повышении качества отливок лопастей корабельных гребных винтов.The technical and economic result of the invention in comparison with the prototype is expressed in reducing the cost of titanium castings by increasing the durability of the mold, reducing its warpage, more rational design, improving the quality of castings of the blades of ship propellers.

Claims (5)

1. Кокиль для литья лопастей корабельных гребных винтов из титановых сплавов, содержащий рабочую полость, ребра жесткости, узлы крепления и кантования и литниковую систему с заливочными желобами, стояком, прибылью и питателем, отличающийся тем, что он выполнен с вертикальным и горизонтальным разъемами, при этом вертикальный разъем кокиля выполнен по винтовой линии кромок лопасти, а с наружной стороны кокиля вдоль винтовой линии выполнен поясок смыкания кокиля в виде буртика, ширина которого меньше толщины стенки кокиля и равна от 2 до 2,5 радиусов кромки отливки лопасти, высота составляет от 0,3 до 0,4 ширины пояска, а длина равна длине винтовой линии криволинейного разъема, причем за пояском смыкания в месте разъема кокиля сформировано заполняемое формовочной смесью углубление, высота которого составляет от 0,4 до 0,5 ширины пояска смыкания, ширина - от 0,5 до 0,6 ширины пояска смыкания, а длина равна длине пояска смыкания, плоскость горизонтального разъема кокиля разделяет его на две части, проходит через ось лопасти и делит шаговый угол между первым и последним радиальными сечениями лопасти пополам, причем толщина стенки кокиля в местах оформления лопасти и в местах оформления ступицы составляет соответственно от 0,6 до 0,8 и от 0,4 до 0,5 толщины стенки отливки, а в местах, оформляющих литниковую систему, составляет от 0,7 до 0,9 от толщины питателя.1. Chill for casting the blades of ship propellers made of titanium alloys, containing a working cavity, stiffeners, fastening and tipping units and a gating system with casting grooves, riser, profit and feeder, characterized in that it is made with vertical and horizontal connectors, with the vertical connector of the chill mold is made along the helical line of the edges of the blade, and on the outside of the chill mold along the helical line there is a girdle for closing the chill mold in the form of a collar, the width of which is less than the thickness of the chill wall and is from 2 to 2.5 ra of the blades of the casting edge of the blade, the height is from 0.3 to 0.4 of the width of the girdle, and the length is equal to the length of the helix of the curved connector, and behind the closure girdle in the place of the chill connector, a depression is formed that is filled with the molding mixture, the height of which is from 0.4 to 0 5, the width of the closing belt, the width is from 0.5 to 0.6 of the width of the closing belt, and the length is equal to the length of the closing belt, the plane of the horizontal connector of the chill mold divides it into two parts, passes through the axis of the blade and divides the step angle between the first and last radial sections and the blades in half, and the wall thickness of the chill mold in the places of registration of the blade and in the places of registration of the hub is respectively from 0.6 to 0.8 and from 0.4 to 0.5 of the wall thickness of the casting, and in the places forming the gating system, is from 0.7 to 0.9 of the thickness of the feeder. 2. Кокиль по п. 1, отличающийся тем, что ось стояка и ось прибыли расположены на одной оси с заливочными желобами, при этом соотношение площадей элементов литниковой системы составляет
F_л.в.:F_ст.:F_п.=1:1,1:1,15,
где F_л.в. - площадь сечения литниковой воронки желоба;
F_ст. - площадь сечения стояка;
F_п. - площадь сечения питателя.2. A chill mold according to claim 1, characterized in that the axis of the riser and the axis of profit are located on the same axis with the casting grooves, while the ratio of the areas of the elements of the gate system is
F _lv : F _Art. : F _p. = 1: 1.1: 1.15,
where F _lv - cross-sectional area of the gate funnel of the gutter;
F _Art. - cross-sectional area of the riser;
F _p - the cross-sectional area of the feeder. 3. Кокиль по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между узлами крепления соответствует соотношению

где P - длина вертикального криволинейного разъема кокиля, мм,
n - количество узлов крепления кокиля,
при этом узлы крепления состоят из болтов или шпилек, гаек и сдвоенных мягких и жестких шайб, причем под головкой болта и гайкой установлена мягкая шайба.3. Chill mold according to claim 1, characterized in that the distance between the attachment points corresponds to the ratio

where P is the length of the vertical curvilinear connector of the chill mold, mm,
n is the number of mounts of the chill mold,
wherein the attachment points consist of bolts or studs, nuts and double soft and hard washers, and a soft washer is installed under the bolt head and nut. 4. Кокиль по п. 3, отличающийся тем, что мягкая шайба выполнена из алюминия, силумина или красной меди, а жесткая шайба - из стали.4. The chill mold according to claim 3, characterized in that the soft washer is made of aluminum, silumin or red copper, and the hard washer is made of steel. 5. Кокиль по п. 1, отличающийся тем, что прибыль и стояк выполнены из периклазовых стержней. 5. The chill mold according to claim 1, characterized in that the profit and riser are made of periclase rods.

Images