Ливарна одноразова модель і спосіб її збирання

1. Ливарна одноразова модель, яка підлягає деструкції в піщаній формі, зібрана з елементів, що повторюються у вигляді комірчастих структур, яка відрізняється тим, що ці елементи виконані у вигляді багатогранників з відкритими крізними порожнинами, причому розташування цих багатогранників відповідає геометричній формі ближнього порядку розташування частинок структур кристалічних тіл. 2. Модель за п. 1, яка відрізняється тим, що вона зібрана з елементів однієї геометричної форми. C2 2 (19) 1 3 мним розташуванням одного металу в іншому металі чи матеріалі, та ін. Відоме виготовлення сталевої піни з відкритими порами литтям по випалюваних моделях, промислова придатність такої піни проілюстрована, зокрема теплообмінниками (X. Моуала и др. Стальная пена с открытыми порами - изготовление и свойства. Металлургия машиностроения, 2006, №6, с.29-33). Комірчасті матеріали розширюють існуючий спектр властивостей, оскільки вони на 50-90% легші за компактні матеріали, а сталева піна має мінімальну пористість 80%, проте використання пінополіуретанової піни як моделі з розміром пор не більше 2,5 мм сильно обмежує розміри і якість отримуваної металевої піни. Виготовляти таку модель складно в умовах ливарного цеху, тим більше з розміром пор більших вищезгаданого, що обмежує сфери застосування металевої піни, не дозволить збільшити її розміри до просторових несучих конструкцій. Крім того, не описані способи отримання фасонних виробів з подібних до піни матеріалів способом лиття. Найбільш близькою по технічній суті і ефекту, що досягається, є газифікована модель, яка виготовляється з елементів, що повторюються (нормалізованих), при вирізуванні їх з блоків (Литье по газифицируемым моделям. Монография под ред. Ю.А. Степанова. М., Машиностроение, 1976, с.43). По описаних конструкціях моделей передбачено отримання монолітних виливків. Моделі для отримання стільникових та каркасних металевих структур у вигляді просторових конструкцій важко виготовити, оскільки існуючі способи збирання елементів при великій їх кількості вельми трудомісткі. Задача винаходу - зменшення трудомісткості збірки комірчастих моделей, по яких отримують литі комірчасті конструкції. Поставлена задача досягається тим, що в ливарній одноразовій моделі яка підлягає деструкції в піщаній формі, зібрана з елементів, що повторюються, в комірчасті структури, згідно винаходу, ці елементи виконані у вигляді багатогранників з відкритими, крізними порожнинами, причому розташування цих багатогранників відповідає геометричній формі ближнього порядку розташування частинок структур твердих тіл. Модель може бути зібрана з елементів однієї геометричної форми, наприклад, з багатогранників у вигляді п'яти типів правильних поліедрів Бернала і/або у вигляді поліедрів Вороного. При цьому окремі багатогранники з крізними порожнинами можуть мати не менше ніж дві будь-які грані з отворами, а інші їх грані виконано суцільними. Спосіб зібрання вказаної моделі з елементів у вигляді багатогранників, згідно винаходу, полягає в тому, що ці елементи поміщають у мішок з синтетичної плівки, яким обмежують зовнішні контури моделі та придають їм фасонну поверхню розміщенням цього мішка у вигляді формоутворювальній ємності, вакуумують порожнину мішка з попередньою її герметизацією і тим самим фіксують елементи шляхом притиснення їх один до одного перепадом тиску повітря зовні над тиском усередині мішка. Крім того, елемен 92163 4 ти можуть подавати насипом у формоутворювальну ємність, яка розташована у піщаній формі. При цьому на елементи у формоутворювальній ємності після засипання її ними можуть встановлювати вантаж і ущільнювати контакти між цими окремими елементами, а також для цього можуть використовувати вібрацію. У конструкції моделі використана аналогія з мікроструктурою таких конденсованих середовищ, для яких характерне неврегульоване розташування атомів в просторі, зокрема, аморфних металевих сплавів (АМС). Вони мають більш менш чітко визначуваний на відстані двох-трьох сусідніх атомів так званий ближній порядок (С.Ф. Солодовников. Основные термины и понятия структурной кристаллографии и кристаллохимии. Новосибирск. ИНХ СО РАН, 2005. С.13). Якщо в кристалічних матеріалах структура ґраток утворюється в результаті багатократного повторення в трьох напрямах одиничної елементарної комірки з розташуванням атомів, подібним нескінченним рядам, названим дальнім порядком, то в аморфних структурах елементарна комірка (ближній порядок) зберігається, але при стиковці елементарних комірок в просторі порядок їх порушується, і стрункість рядів, характерна для дальнього порядку, відсутня. Не дивлячись на те, що щільність АМС на 1-2 % нижче за щільність кристалічних аналогів, міцність їх вище в 5-10 разів з характерною ізотропією багатьох властивостей. Це пов'язано в основному з відсутністю в структурі АМС дислокацій і меж зерен, властивих кристалічному стану. Тривимірні зв'язки в структурі АМС представляють у вигляді багатогранників (К. Судзуки и др. Аморфные металлы. М.: Металлургия, 1989. С.81), зокрема з 5 типів правильних поліедров Бернала, показаних на фіг. 1 в табл. 1. Крім того, атомні конфігурації описують у вигляді поліедрів Вороного (у окремих джерелах їх називають «Дирихле-Вороного»), найчастіше з п'ятикутними гранями у вигляді ікосаедров, 3 приклади таких поліедров представлено на фіг. 2 в табл. 2. За даними кристалографії багатогранники Бернала і Вороного заповнюють оптимально простір структури без пропусків, а аморфна структура є безперервним рядом, мозаїчним узором, складеним з багатогранників, які характерні для кристалічних і некристалічних структур, що і узяте за принцип побудови ливарної моделі по цьому винаходу. На фіг.3 показаний приклад простого елементу моделі, що повторюється, у вигляді тетраедра, виконаного з матеріалу, що піддається деструкції в піщаній формі, наприклад з пінопласту. Всі або окремі грані цього багатогранника виконують з отворами, які утворюють відкриту крізну порожнину. Подібні модельні елементи, можна отримувати на пластавтоматах. На фіг.4 показаний один з прикладів виготовлення моделі 1 у формоутворювальній ємності 2, у вигляді піщаної форми, порожнину якої покривають синтетичною плівкою 3 герметичного мішка. Модель 1 з елементів, що повторюються, навантажена вантажем 4, а порожнина мішка затиском 5 5 герметично сполучена через патрубок 6 до вакуумного насоса. Приклад здійснення винаходу полягає в наступному. Заздалегідь виготовлені багатогранники, подібні показаним на фіг. 1-2, розмірами від декількох до десятків, сотень міліметрів і більше з відкритими крізними порожнинами як на фіг. 3 засипають або укладають у формоутворювальну ємність 2 (фіг.4). Заздалегідь туди поміщають мішок з синтетичної плівки 3, після засипки цих елементів, що повторюються, вакуумують порожнину мішка з попередньою її герметизацією за допомогою затиску 5 і тим самим фіксують ці елементи шляхом притиснення їх один до одного перепадом тиску повітря зовні і усередині мішка. Тим самим модель виконана в зборі. В якості формоутворювальної ємності може бути використана форма із піску зі зв'язуючим, наприклад, рідким склом. Ця ємність має функцію кондуктора для монтажу збірної моделі (подібно до прес-форми для виготовлення одноразових моделей) і в загальному випадку являється багаторазовою для серійного збирання моделей з багатогранників, коли зібрану модель з неї виймають та потім формують вже в піщаній ливарній формі. Але у випадку, коли вона є одноразовою, то тоді її можуть (крім кондуктора) застосувати в якості ливарної форми, виконавши відповідні допоміжні операції. По зібраній моделі 1 у вакуумованому мішку виготовляють ливарну піщану форму, наприклад, з самотвердіючої наливної або насипної формувальної суміші або іншими відомими способами. Причому, в процесі формування після ущільнення цієї суміші зовні моделі, мішок відкривають і також заповнюють його формувальною сумішшю, яка проникає по крізних порожнинах елементів, що повторюються. Потім модель поєднують з ливниковою системою відомими способами. Для порожнин багатогранників розмірами до 30-40 мм доцільно застосовувати метод попереднього випалювання моделі, наприклад, при 400-500°С для пінополістиролу, аналогічно зазначеного способу отримання литої піни. Для крупніших порожнин в багатогранниках з товщиною перегородок понад 6-10 мм можна лити метал відомими способами лиття по газифікованих моделях. Як варіант, модельні багатогранники можна засипати у формоутворювальну ємність, яка виконана в ливарній формі і/або є частиною робочої порожнини ливарної форми, а друга частина, наприклад, заповнена суцільною газифікованою моделлю, останнє в процесі лиття дасть комбінований комірчасто-монолітний виливок. Після засипки багатогранників доцільне їх ущільнення шляхом застосування вантажу і/або вібрації, що дозволяє гострим кромкам ребер і вершин частково врізати 92163 6 ся в поряд розташовані багатогранники, а граням щільніше стикатися. Після ущільнення моделі в її щілисті крізні отвори подають формувальну суміш і завершують виготовлення форми відомими способами формування. Для отримання в заданому місці пористої моделі об'ємів чи ділянок з підсиленими чи більш масивними ребрами (точніше, гранями) багатогранників, 2-3 ребра кількох багатогранних елементів (кожного окремо чи двох-трьох одночасно) обмотують синтетичною плівкою, запобігаючи доступу в пори піску, водночас не порушуючи принцип крізної пористості елементів. Застосування вантажу і/або вібрації гарантовано ущільнює багатогранники, які за своєю конструкцією мають здатність заповнювати простір без проміжків, виключає можливість недостатнього їх контактування і гарантує заповнення металом кожного елемента зібраної моделі з отриманням каркасного виливка. Збірка моделі для отримання фасонних металевих виробів шляхом подачі елементів насипом без застосування клею і інших видів з'єднання дає зменшення трудомісткості збірки комірчастих моделей. Наприклад, значення трудомісткості виготовлення пінопластової моделі експериментальних виливків каркасної арматури бетонної опори при виготовленні її з багатогранників порівнювали з виготовленням рівноцінної моделі з окремих елементів у вигляді стовпчиків-граней комірчастої моделі, як описано за патентом UA 87782 (МПК В22С7/00. - Опубл. 2009, Бюл. № 15). Підсумовуючи і усереднюючи виміряні затрати часу (в годинах) праці в розрахунку на одного модельника, при виготовленні окремих модельних елементів стовпчиків зайняло 32, багатогранників - 40, збірка елементів в конструкцію склеюванням при просторовому орієнтуванні по шаблонах - 24, насипом ари застосуванні вакуумування 2. Сумарно 56/42=1,33. Зниження на 33% трудомісткості виготовлення каркасної моделі для одноразового виливка збільшиться при серійному виробництві каркасних моделей завдяки застосуванню напівавтоматів. А їх конструкція, що нагадує мікроструктуру аморфних металів, атомна конфігурація яких представлена у вигляді вказаних багатогранників як найбільш щільної упаковки, запозиченої у природи за даними кристалографії, дає можливість перенести деякі властивості, наприклад, ізотропію (однаковість фізичних властивостей в усіх напрямках, на противагу анізотропії більшості фізичних властивостей кристалів), на литі металеві комірчасті конструкції. Застосування модельних елементів - багатогранників з можливістю отримання їх на пластавтоматах спростять конструювання комірчастих фасонних виробів, які все частіше відносять до матеріалів майбутнього. 7 92163 8 9 92163 10 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 92163 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601