Исследованиями установлено [1,2,3], что при намагничивании тела формы (без полости) внешним двухполюсным однородным магнитным полем с индукцией B_е в замкнутой магнитной цепи индукция В_i в теле практически одинакова и превышает B_е в тем большей степени, чем выше m _д ферромагнитного формовочного материала (ФФМ). Напряженность Н_i определяется по формуле Н_i=H_д-N_дJ_д. При намагничивании же в незамкнутой магнитной цепи тело магнитной формы (МФ) становится магнитным диполем с неравномерным распределением индукции В_i, а напряженность Н_i определяется уже по другой формуле: Н_i=Н_e-(N_p+N_д)J_д. Поэтому намагничивание в незамкнутой магнитной цепи более энергоемко и его следует избегать, для чего немагнитный зазор между полюсами намагничивающего устройства и телом МФ должен быть минимальным (1...5 мм). При намагничивании тела формы в плоскопараллельном неоднородном магнитном поле индукция В_i распределяется всегда неравномерно, а внутреннее магнитное поле плоскопараллельно. Твердость плоской поверхности разъёма (ПР), полученной с помощью двухполюсных намагничивающих устройств в виде электромагнита (ЭМ), имеет неравномерное распределение, что обусловлено неодинаковым направлением и величиной вектора B_e у лада этих намагничивающих устройств, а именно: у кромок полюсных пластин величины B_e и твердости наибольшие, а угол B_e^ПР¹ 0, в средине же между полюсами величины B_e и твердости наименьшие, а угол B_e^ПР=0. Причем неравномерность распределения твердости выражена заметно в меньшей степени, чем индукции.

Выявлено, что вид деформации тела двухполюсной формы (без полости) с горизонтальной поверхностью разъёма зависит от его толщины: при малой толщине t_т до 0,31l_раб или до 0,5h_п имеет место прогиб тела; при t_т » 0,47l_раб (или 0,75h_пп) - опускание всего тела вдоль полюсов, а при t_т=0,62l_раб (или 1,0h_пп) - разделение на две части с обрушением нижней части. При этом значение индукции, при которой начинается деформация, уменьшается с увеличением толщины слоя. Здесь l_раб - межполюсное расстояние; h_пп - высота полюсной пластины намагничивающего устройства.

 

Подтверждено, что существует пороговое значение индукции B_е, до которого давление двухполюсной формы на поверхность П_ф модели, вызванное силами магнитного происхождения, не регистрируется. Дополнительно показано, что это давление и удельное трение модели о МФ зависят от угла Be^П_ф , а именно: при угле Be^П_ф =90° оно максимально и уменьшается до минимума с изменением угла Be^П_ф до 0° . Давление и трение увеличиваются с повышением индукции B_e и толщины t_ф слоя ФФМ между полюсом намагничивающего устройства и поверхностью П_ф. Они уменьшаются с увеличением толщины t_м модели, ширины b_п полости МФ и отношения t_м/t_ф. Давление и трение на плоских поверхностях больше, чем на криволинейных, и являются результатом зарождения флокул.

Впервые определено, что значения индукции В_iм, намагниченности J и проницаемости m _д на фронтальной поверхности П_ф двухполюсной формы и разность (В_iп-В_iм) значений индукции у полюсов и у модели увеличивается с повышением магнитной проницаемости m _д ФФМ. Эта разность приводит к появлению градиента В_i, пондеромоторной силы F_п и магнитного натяжения Т_м, направленных к полюсу тела МФ и уменьшающих флокулизацию. Величины В_i, J, m _д и градиента В_i на поверхности П_ф являются минимальными и увеличиваются по мере приближения к полюсу. Значение индукции В_iм всегда уменьшается с увеличением ширины b_п полости и уменьшением толщины t_ф слоя ФФМ и отношения t_ф /b_п , приближаясь по величине к индукции B_e внешнего магнитного поля. Это уменьшение наиболее заметно в ФФМ с повышенными J и m _д. Поэтому поверхность П_ф полости формы рекомендовано приближать к полюсу намагничивающего устройства, создающего неоднородное магнитное поле, а формы изготовлять из ФФМ с повышенными J и m _д. Ширина b_фл зоны флокулизации цилиндрической полости диаметром d_п определяется как b_фл=d_п· sin(j /2), где j <40⁰ - центральный угол, опирающийся на дугу с хордой, равной b_фл. Специальные меры (например, применение многополюсного магнитного поля чередующейся полярности и выпуклых полюсных наконечников треугольного сечения) по увеличению пондеромоторной силы позволяют уменьшить и даже устранить флокулизацию. Так, уменьшение угла треугольного сечения полюсных наконечников со 120⁰ до 30⁰ приводит к увеличению град.В_е и силы F_п в 2 раза.

Т.о., впервые показано, что флокулизация двухполюсных форм является результатом преобладания сил виртуального перехода, отталкивания и (или) вращающего момента над силами притяжения в поверхностных и приповерхностных слоях флокулоопасной (фронтальной) поверхности П_ф при следующих условиях: неплотной укладке частиц, направлении векторов В_i и В_e под углом 70...90° к этой поверхности, минимальных значениях намагниченности поверхностных частиц, функции В_i=f(х) и ее производной (градиента). Эти величины также являются граничными условиями для математических расчётов.

Проведенные исследования позволили разработать технологии изготовления магнитных стержней, полых разъёмных магнитных форм и магнитных форм с магнитными стержнями, суть которых заключается в следующем. При изготовлении неразъёмной полой формы или полуформ немагнитную модель помещают в рабочий объём намагничивающего устройства или опоку, известным способом окружают её сыпучим ФФМ и уплотняют его до величины коэффициента заполнения K_v=0,57...0,68 или плотности 4,2...4,7 г/см³. В качестве ФФМ рекомендуется стальная литая дробь с размером частиц 0,3...0,8 мм, имеющая в уплотненном состоянии газопроницаемость 145...1000 см³/с; m _д³ 8; намагниченность J_sд³ 1000 кА/м; индукцию B_sд³ 1,6 Тл. При уплотнении в опоке ударные нагрузки не воздействуют на намагничивающее устройство, которое в это время может быть задействовано на других операциях. Затем опоку (если она применяется) совмещают с намагничивающим устройством, включают намагничивающее устройство и создаваемое им двух- или многополюсное магнитное поле с необходимыми параметрами мгновенно упрочняет ФФМ. После чего модель удаляют. При изготовлении стержней намагничивающее устройство в виде I-образного электромагнита помещают в немагнитную стержневую оснастку, известным образом окружают его полностью или частично сыпучим ФФМ и уплотняют ФФМ. Затем включают намагничивающее устройство и создаваемое им магнитное поле с необходимыми параметрами упрочняет слой ФФМ, после чего стержень удаляют из оснастки. При необходимости на рабочую поверхность формы или стержня наносят противопригарное покрытие. Особо отметим, что длительность изготовления формы и стержня мало отличается. Для соединения частей формы (полуформ и стержней) необходимо обеспечивать примерное равенство индукций в соприкасающихся или близко расположенных точках соединяемых частей и параллельное или под углом 0...140° направление векторов B_e в этих точках. Это обеспечивает слабое отталкивание частей. В противном случае они разрушаются. При соединении частей формы значение индукции в этих точках увеличивается в результате сложения магнитных полей этих частей. Это увеличивает их прочность и позволяет экономить электроэнергию. Экспериментально установлено, что полые разъёмные двухполюсные формы (в опоках) можно перемещать в двухполюсном же магнитном поле при условии примерно одинакового направления векторов B_e в полуформах и этого магнитного поля. При этом два индивидуальных намагничивающих устройства для каждой полуформы можно заменить на одно для обеих полуформ, что уменьшит число намагничивающих устройств на операциях заливки формы и охлаждения отливки.

Разработанный принцип расчёта магнитного поля в изделиях из ФФМ заключается в следующем: 1) исходя из параметров отливки определяют расчётом или по термограммам минимальную толщину t_ф слоя ФФМ между отливкой и частями намагничивающего устройства для предупреждения их перегрева; 2) определяют необходимую прочность s _сж (твёрдость Т) всех поверхностей изделия из ФФМ для противостояния воздействию расплава или суспензии и по графикам Т=f(H_e) или s _сж=f(H_e) находят для определённого ФФМ значение Н_е на поверхности, отстоящей от элемента намагничивающего устройства на величину t_ф; 3) по этим значениям Н_е определяют конфигурацию внешнего магнитного поля с учётом того, что величины Н_е соответствуют касательной составляющей Н_et=H_ecos(0...70° ) этого магнитного поля на поверхности П изделия. В ряде случаев следует учитывать величину градиента Н_е; 4) исходя из необходимой конфигурации магнитного поля и значений Н_е (B_e) проектируют намагничивающее устройство, имеющее минимальные энергозатраты, габариты и массу и удовлетворяющее требованиям технологии и эргономики.

При нецелесообразности создания специального намагничивающего устройства можно получать сложные отливки в двухполюсных намагничивающих устройствах, в которых трудно выполнить условие В_e^П<70° по отношению ко всем поверхностям изделия. Поэтому для предупреждения флокул рекомендуются меры немагнитного происхождения: 1) упрочнение флокулоопасных участков быстротвердеющим связующим с помощью разработанных способов; 2) выполнение флокулоопасных участков поверхности изделия вставками из огнеупорных или тугоплавких материалов (вместо ФФМ).

Подавляющее большинство известных магнитных систем (особенно на постоянных магнитах) не могут быть использованы без изменений в качестве намагничивающего устройства для изготовления форм и стержней и требуют адаптации в соответствии с литейными требованиями. Их предложено разделить на три группы по преимущественной локализации рабочего магнитного поля: у торцевых поверхностей полюсов в открытом пространстве (с Ш-образным магнитопроводом); в закрытом пространстве между полюсами (с О-, Ф-образными магнитопроводами и катушкой); универсальные (с U-, П-, I-, С-об-разными магнитопроводами). Отличительными особенностями литейных двухполюсных намагничивающих устройств с U-, П-, С-, Н-, О-образными магнитопроводами являются значительные размеры рабочего объёма V_р, сопоставимые с размерами самих намагничивающих устройств, и практическое равенство длин l_раб (между полюсами) и l_сд сердечника магнитопровода, что обуславливает существенно повышенное магнитное поле рассеяния по сравнению с магнитными системами другого назначения, имеющими магнитопровод этого типа. Установлено, что коэффициент рассеяния О-образных намагничивающих устройств составляет К_рас» 3, а U-,П-,С-,Н-образных - К_рас» 4. Их магнитное поле неоднородно с градиентом индукции В_е, направленным от средины межполюсного расстояния l_раб к полюсам намагничивающего устройства. Эта неоднородность повышается с увеличением отношения l_раб/h_пп. Поэтому между полюсами двухполюсного намагничивающего устройства следует располагать меньший (а не больший) размер тела прямоугольной МФ. Наименьшее магнитное поле рассеяния среди двухполюсных намагничивающих устройств с U-, П-, С-, Н-, О-образными магнитопроводами имеют: у нерабочих торцов - намагничивающее устройство с катушкой, выступающей за пределы полюсной пластины с трех сторон; в целом - намагничивающее устройство с О-образным магнитопроводом. Выполнение скосов на торцах полюсных пластин, примыкающих к катушке, позволяет уменьшить магнитное поле рассеяния и увеличить индукцию В_ср в рабочем объёме намагничивающего устройства. Магнитное поле рассеяния уменьшается и при использовании шарнирных намагничивающих устройств, имеющих общую катушку на две полуформы.

Показано, что свойства, конструкция и область применения форм и стержней в значительной мере определяются видом применяемых намагничивающих устройств. Это необходимо учитывать при разработке технологии конкретной отливки. Формы и стержни могут содержать одно, два или большее число перечисленных систем. Так, для двухполюсных разъёмных форм реальны сочетания следующих магнитных систем: П+U; C+C; O+O; U+O; ЭК+ЭК; Н+Н, причём их взаимное расположение зависит от вида поверхности разъёма: горизонтальный или вертикальный. В многополюсных намагничивающих устройствах наиболее целесообразна совокупность П-, U-, Ш- или I-образных магнитных систем, каждая из которых позволяет создать локальное магнитное поле с необходимым направлением вектора В_е в небольшом объёме слоя ФФМ (рис.2, 3). На рисунках приняты сокращения: ЭК - электрическая катушка; ЭЭК - экранированная ЭК; МПр - магнитопровод; ПМ - постоянный магнит; ЭМ – электромагнит; МФ – магнитная форма; НУ – намагничивающее устройство; МСт – магнитный стержень.

При соединении намагничивающих устройств, полуформ и стержня с полуформами их магнитное поле в области поверхностей соприкосновения складывается, что приводит к увеличению индукции в рабочем объёме V_р и этих областях, а при соединении полуформ с круглым центровым стержнем необходимо поддерживать близкие значения индукции в соприкасающихся точках полуформ и стержня. Наиболее эффективно (автоматически) это выполняют разработанные шарнирные намагничивающие устройства с общей катушкой для двух полуформ. Определение коэффициентов К_рас позволило разработать методики аналитического и упрощённого расчетов магнитных, геометрических и электрических параметров двухполюсных намагничивающих устройств с U-, П-, С-, О-, I-об-разными магнитопроводами, основанные на теории магнитных цепей и реализованные на ЭВМ. При этом использована совокупность методов расчета: по участкам и коэффициентам рассеяния. Сущность аналитического расчета заключается в следующем [4,5,6].

Сначала по габаритам тела формы (опоки) определяют размеры рабочего объёма намагничивающего устройства: V_p=l_пh_пl_раб, где l_п - размер полюса в направлении от катушки, h_п - размер перпендикулярно b_п. Затем задаются необходимой твердостью Т или прочностью s _сж для получения конкретной отливки и, исходя из зависимостей Т=f(H_e) или s _сж=f(H_e) для конкретного ФФМ, определяют напряженность H_e=H_c в средине между полюсами намагничивающего устройства. Из соотношения Н_п=(1,1...1,4)Н_с определяют напряженность Н_п на полюсе намагничивающего устройства и соответствующую индукцию В_п=m ₀Н_п. При этом большее значение коэффициента (1,1...1,4) соответствует большему отношению l_раб/h_п. Рассчитывают средние значения напряженности Н_ср и индукции В_ср в объёме V_p. Находят падение м.д.с. на участке l_раб: F_раб=Н_срl_раб и рабочий магнитный поток Ф_раб=В_срS_п. Определяют предварительную толщину полюсной пластины t_пп=К_расФ_раб/(К_исВ_sh_п), где К_ис - коэффициент использования магнитной индукции в материале пластины. Для О-образных намагничивающих устройств в знаменатель вводят 2. Определяют площади поперечного сечения пластин и сердечника, соответственно: S_пп=t_ппh_пп; S_сд=(1,3...1,5)S_пп. Затем предварительно рассчитывают м.д.с.: для U-, П-, С- образных намагничивающих устройств с помощью экспоненциальной зависимости Jw₁=f(V_p, B_ср), а для О-образного намагничивающего устройства по эмпирическому соотношению

Jw₂=(25...60)10³V_pB_ср/2.

Также предварительно намечают толщину обмотки катушки: t_k=Jw/ (15...25)10⁵l_k, где l_k - длина катушки.

Затем определяют размеры поперечного сечения сердечника и размер пластины l_пп в направлении размера l_п. По методу Ротерса рассчитывают проводимости всех воздушных элементарных путей магнитного потока между полюсными пластинами: рабочего потока l ₁; в виде полуцилиндра l ₂ и полукольца l ₃ между торцевыми гранями пластин размером l_пп (или l_п); в виде сферического квадранта l ₄ и квадранта сферической оболочки l ₅ по четырем (или двум) углам пластин; в виде полуцилиндра l ₆ и полукольца l ₇ между торцевыми гранями пластин с размером h_пп; между внешними параллельными гранями пластин размером h_ппxl_пп.

Общий суммарный поток равен: S Ф=Ф_раб+Ф’_рас+Ф’’_рас, где Ф_раб - рабочий поток;

Ф’_рас - поток рассеяния, проходящий по пластинам и замыкающийся в общем случае по путям с проводимостями l ₂...l ₈ (для U-, П-, С-образных намагничивающих устройств) и l ₂, l ₃, l ₈ (для О-образных намагничивающих устройств); Ф’’_рас - поток рассеяния, не совпадающий по направлению с Ф_раб и замыкающийся в общем случае по путям с проводимостями l ₄...l ₇. Поэтому определяют суммарные проводимости l ’_рас и l ’’_рас соответствующих путей потоков Ф’_рас и Ф’’_рас. При этом учитывают выступание или невыступание катушки за пределы пластин. Так, для U-, П-, С-образных намагничивающих устройств с невыступающей катушкой:

l ’_рас=2(l ₂+l ₃+l ₄+l ₅)+l ₆+l ₇+l ₈; l ^’’_рас=2l ₄+2l ₅+l ₆+l ₇, а с выступающей катушкой l ^’’_рас=0. Для 0-образного намагничивающего устройства с невыступающей катушкой l ^’_рас=2(l ₂+l ₃)+l ₈; l ^’’_рас=4(l ₄+l ₅)+2(l ₆+l ₇), а с выступающей катушкой l ’’_рас=0.

Затем рассчитывают соответствующие коэффициенты рассеяния К’_рас=l ’_рас/l _раб; К’’_рас=l ’’_рас/l _раб и потоки рассеяния Ф’_рас=К’_расФ_раб; Ф’’_рас=К’’_расФ_раб. Определяют поток Ф_пп в пластине: Ф_пп=Ф_раб+Ф’_рас и индукцию: В_пп=Ф_пп/S_пп - для U-, П-, С-образных намагничивающих устройств; В_пп=Ф_пп/(2S_пп) - для О-образных намагничивающих устройств, а из зависимости B_i=f(H_i) для материала пластины - напряженность Н_пп. Затем рассчитывают поток Ф_сд в сердечниках: Ф_сд=Ф_раб+ _ГФ’_рас+ Ф’’_рас и индукцию в одном сердечнике: В_сд=Ф_сд/S_сд - для U-, П-, С-образного намагничивающих устройств или В_сд=Ф_сд/(2S_сд) - для О-образного устройства, а из зависимости В_i=f(H_i) для материала сердечника находят напряженность Н_сд в материале сердечника.

Определяют падение м.д.с. на соответствующих путях магнитного потока F’_рас=Ф’_рас/l ’_рас; F’’_рас=Ф’’_рас/l ’’_рас F_пп=H_ппl_пп; F_сд=2H_сдl_сд - для О-образного намагничивающего устройства или F_сд=H_сдl_сд для U-, П-, С-образных устройств. Рассчитывают полную м.д.с.: Jw₂=F_раб+F’_рас+F’’_рас+F_пп+F_сд. Если значение Jw₂ существенно (>5...10%) отличается от предварительно принятого Jw₁, то проводят соответствующую корректировку и расчет повторяют.

Многочисленные расчеты и эксперименты показали, что Jw₂=(2,3...2,5)F_раб. Это позволило упростить расчет за счет исключения определения проводимостей. Т.о., аналитический расчет позволяет оптимизировать конструкцию намагничивающего устройства, а упрощенный имеет весьма малую трудоёмкость. Установлено, что для рационально спроектированных намагничивающих устройств зависимость В_е=f(J_нw) должна быть прямо пропорциональной в диапазоне индукции от 0 до В_ср. В многополюсных намагничивающих устройствах толщина t_ф упрочненного слоя ФФМ находится в пределах t _ф³ 0,5(l _раб...l_ср) и может достигать толщины t_ну намагничивающего устройства (или превышать её в лучших конструкциях). Для устранения флокул в среднем сечении полюса они должны создавать grad.B_e до 4...7мТ/мм и более.

Разработанный инженерный расчет двухполюсных намагничивающих устройств имеет малую трудоёмкость и может быть проведен с помощью предложенного критерия удельной магнитной энергоёмкости К_м=J_нw/(V_рВ_ср), который устанавливает четкую связь между м.д.с. J_нw, рабочим объемом V_р двухполюсных намагничивающих устройств с U-, П-, С-образным и экранным магнитопроводом и средним значением индукции В_ср, а его зависимость от V_р является экспоненциальной. Предложенные критерии удельной линейной К_l=J_нw/(V_рl_раб) и поверхностной К_s=J_нw/(B_cpS_п) магнитной энергоёмкости и удельной объёмной электрической энергоёмкости К_э=P_н/(V_рВ_ср), где P_н - номинальная мощность намагничивающего устройства, а также соотношения: площадей сечения сердечника и полюсной пластины S_сд/S_пп; толщины t_пп и размера h_пп полюсной пластины t_пп/h_пп; межполюсного расстояния l_раб и размера h_п полюса l_раб/h_п могут применяться для сравнения и расчета однотипных намагничивающих устройств. Оптимальной величиной отношения S_сд/S_пп является 1,3...1,5. Электрические формы и полуформы могут перемещаться обычным транспортом, получая электроснабжение с помощью гибких кабелей или троллеев и токосъёмников. Для этого разработаны схемы токоподвода и определены его характеристики.

Полые магнитные формы и магнитные формы с магнитным стержнем целесообразны для отливок: из черных (сталь, чугун) сплавов массой до 50...100 кг с толщиной стенки d до 20...30 мм; из медных сплавов массой до 100...150 кг и d до 30...40 мм; из алюминиевых и цинковых сплавов без ограничения массы и размеров; конструктивно склонных к трещинам или изготовленных из нетрещиностойких сплавов; гидро- и газоплотных; склонных к браку по газовым раковинам, особенно из-за водорода; типа “шапка изолятора”, “мелющие шары”, “била молотковых мельниц”, “гильза цилиндров”, “втулка”, “токарный резец”, “звено гусеницы” и т.п. в серийном и массовом производстве; анатомических моделей в протезировании и т.д. Отливки или образцы, полученные в магнитных формах, имеют (по сравнению с сырой песчано-глинистой формой) повышенные: прочность и твердость (на 10...15%) за счет измельчения структуры и плотность (на 4...6%), особенно в тонких сечениях; линейную усадку (на 30...50%) и пониженные газосодержание (в 1,5...2 раза) и усадочную пористость. Регулированием податливости возможно изменять деформации и остаточные напряжения в 1,5...2 раза [7].

 г.

 е.

З.

Рисунок 2 - Схемы некоторых разъёмных МФ с различными НУ:

а - ЭЭК+ЭЭК с опокой; б - U+U;

в - П+U; г - С_г+С_г с диагональным расположением ЭК; д - С_г+С_г с одно-сторонним расположением ЭК;

а.б.в.

г

д.

Рисунок 3 - Схемы некоторых МФ и МСт с различными НУ: а - О+О; б - МСт с I-образным МПр; в - МФ с МСт; г - О-образное НУ с ПМ и шунтами (слева включено, справа выключено); д, е, ж - многополюсные МФ с Ш-образными ЭМ (д), с П-образными ЭМ (е), с ПМ и шунтами (ж); з - МФ с троллейным токоподводом. 1 - ЭК или ПМ; 2 - МПр; 3 - ФФМ; 4 - опока; 5 - шунт; 6 - токосъёмник