Введение к работе
Актуальность работы
Конкуренция на автомобильном рынке диктует автопроизводителям жесткие условия по сокращению сроков подготовки новой базовой модели. Одним из основных сдерживающих факторов внедрения новых моделей автомобилей является проектирование и изготовление штамповой оснастки для прототипов и для серийного производства. Традиционные методы изготовления оснастки являются трудоемкими и требуют больших затрат.
Штампы и штамповая оснастка изготавливаются слесарно-механической обработкой поковок и литьем. Изготовление штампов литьем позволяет значительно повысить коэффициент использования металла (КИМ) и снизить трудозатраты на их изготовление. Литейные процессы позволяющие получать литые заготовки штампов, максимально приближенные по размерам, конфигурации, качеству поверхности к готовым изделиям, позволяют не только уменьшить затраты на механическую обработку, но и сократить сроки изготовления штампов, а следовательно ускорить выпуск нового автомобиля.
В настоящее время большое развитие получили технологии изготовления литейных форм, основанные на химических и физических методах затвердевания смесей. Среди них успешно развиваются и применяются смеси на холоднотвердеющих синтетических смолах (ХТС), жидкостекольные пластичные (ПСС) и жидкие смеси (ЖСС). Однако несмотря на значительное совершенствование технологий, процент бракованных отливок остается довольно высоким, велики затраты на исправление поверхности отливок. Следовательно, повышение качества смесей и изготавливаемых из них форм, наряду с совершенствованием технологии, обеспечивающей значительное сокращение цикла производства и количества трудоемких операций, на современном этапе имеет огромное значение.
Известно, что для каждого сплава, с учетом метода изготовления литейной формы, подбирают формовочную смесь с комплексом необходимых технологических и термомеханических свойств. Поэтому необходимо постоянно совершенствовать составы, находить оригинальные решения применительно к конкретной номенклатуре отливок и реальным условиям производства.
Настоящая диссертация посвящена проблеме получения литых штампов из легкоплавких сплавов, обладающих минимальными шероховатостью и припусками, с использованием форм из безводной формовочной смеси.
Актуальность затронутой в диссертации проблемы вызвана невозможностью применения в условиях мелкого и опытного производств традиционных средств и способов изготовления штампов, сложившихся в серийных производствах. Затраты на дорогие и трудоемкие стационарные штампы (чугунные, стальные), отнесенные к небольшим партиям деталей, во много раз увеличивают себестоимость продукции, а их работоспособность используется в незначительной степени. Сроки проектирования и изготовления стационарных штампов оказываются настолько значительными, что многие изделия к моменту окончания периода их освоения становятся морально устаревшими.
В условиях мелкосерийного производства должны применяться специфические конструкции штампов, а также материалы и технологии их получения, позволяющие снизить время и расходы на их изготовление. Так, если традиционные штампы (чугунные, стальные) получают в большинстве случаев литьем в формы из дорогостоящих термореактивных и холоднотвердеющих смесей, то в условиях мелкосерийного производства экономи-
чески оправданным является применение специальных формовочных смесей и сплавов с температурой плавления 80 - 400 С. Такие материалы должны обеспечивать снижение времени и расходов на изготовление штампов и, следовательно, на производство нового автомобиля.
Цель работы
Исследование и разработка технологии изготовления безводной песчано-глинистой смеси и форм для получения высокоточных литых штампов из легкоплавких сплавов, обладающих минимальными шероховатостью и припусками, и их применение в мелкосерийном и опытном производствах легкового автомобилестроения.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Изучить влияние химического состава на физико-механические и технологические свойства легкоплавких сплавов системы Bi-Sn.
Исследовать влияние исходных формовочных материалов на физико-механические и технологические свойства и разработать базовые составы безводных формовочных смесей (БФС).
Исследовать влияние параметров введения и перемешивания исходных компонентов на свойства БФС. Изучить влияние режимов уплотнения на их свойства.
Исследовать влияние качества углеводородных жидкостей на многократность использования (оборачиваемость) БФС и увеличить ресурс их оборачиваемости.
Изучить механизм смесеобразования и упрочнения БФС и сформулировать критерии их оптимизации.
Разработать опытно-промышленные технологии приготовления легкоплавкого сплава и безводной формовочной смеси.
Научная новизна:
Установлено влияние химического состава легкоплавких сплавов на основе системы Bi-Sn на их структуру и механические свойства. Выявлено, что микролегирование сурьмой околоэвтектических сплавов системы Bi-Sn позволяет сформировать в них ярко-выраженную дендритную структуру и повысить их температуру плавления. Показано, что дополнительное легирование данной группы сплавов никелем и/или медью позволяет измельчить их структуру и повысить твердость.
Выявлена зависимость влияния количества органобентонита (ОБ) в составе БФС на ее технологические параметры. Показано, что уплотняемость и прочность БФС растут при увеличении содержания ОБ и после достижения экстремума начинают снижаться, а осыпаемость, наоборот - увеличиваться. Установлена зависимость газопроницаемости БФС от количества ОБ.
Определено влияние параметров исходных формовочных материалов на свойства БФС, в рамках которого оптимизированы параметры формовочного песка - размер зерна, содержание глинистой составляющей, влажность; количества углеводородной жидкости (УВЖ); железо-окисного пигмента; пылевидного кварца; режимов перемешивания. Показано, что величина зерна формовочного песка имеет обратную зависимость от количества связующей добавки.
дрения материалов, экономические расчеты, уведомление из федерального института промышленной собственности.
Основные результаты и выводы по работе
Изучено влияние легирующих элементов Sb, Си, Ni на микроструктуру и физико-механические свойства сплава системы Bi-Sn и определено оптимальное содержание в сплаве этих элементов. Установлено, что увеличение содержания Sb от 0,5 до 1,0 % способствует измельчению эвтектики Bi-Sn и повышает температуру плавления сплава на 2,0 - 3,0 С. Увеличение содержания Си с 0,1 до 1,0 % в составе легкоплавкого сплава приводит к повышению температуры плавления на 3 С и твердости на 15 %. Введение Ni в систему Bi-Sn-Sb в пределах 0,1 - 1,0 % приводит к незначительному увеличению температуры плавления сплава на 2 С и твердости на 10 %. В результате проведенной работы разработан состав легкоплавкого сплава для литья штамповой оснастки в условиях мелкосерийного и опытного производств, являющийся альтернативным материалом легкоплавкому сплаву марки МСР-137 (ф. "НЕК GmbH", Германия) и отличающийся от импортного отсутствием в составе драгоценных и редких металлов.
Изучены влияния исходных материалов на физико-механические и технологические свойства БФС. Определены ключевые характеристики качества исходных материалов (кварцевых песков, органобентонитов, углеводородных жидкостей). Предложены основные критерии оптимизации БФС, заключающиеся в применении исходных материалов следующего качества: кварцевые пески - Г.С < 1 %, W < 0,5 %, органобентониты - фракция 71 - 100 мкм, углеводородные жидкости с комплексом специальных полярных добавок, т.к. олеиновая кислота, диоктилфталат, экстракт селективной очистки ПН-бк, а также в соблюдении рациональной последовательности ввода исходных компонентов и оптимальном время их перемешивания - 20 - 25 мин.
Разработаны и оптимизированы составы БФС с использованием отечественных исходных материалов и специально разработанной углеводородной жидкости марки ЖТ-20 (ТУ 38.4011183-2008). Проведенная оптимизация и использование в составах БФС углеводородной жидкости марки ЖТ-20 позволили повысить прочность смесей на 20 % и исключить их осыпаемость, а также обеспечить стабильность этих свойств при многократном использовании смесей.
Установлено, что добавление в составы БФС мелкодисперсных фракций железоокис-ного пигмента, пылевидного кварца позволяет уменьшить шероховатость поверхности отливок в 1,5 раза. Использование этих добавок в составах БФС, за счет увеличения теплопроводности смесей, а, следовательно, увеличения скорости охлаждения отливок, позволяет получать более мелкозернистую структуру отливок.
Изучены процесс получения связующей композиции на основе органобентонита и углеводородной жидкости, а также механизм смесеобразования и упрочнения БФС. Показано, что диспергирование органобентонита проходит в два этапа: набухание органобентонита в углеводородной жидкости; диспергирование с помощью усилий сдвига (перемешивания). Механизм смесеобразования можно представить в виде трех основных этапов: I -равномерное распределении связующего; II - процесс смачивания и диспергирования органобентонита в углеводородной среде и образование связующих оболочек; III - образование равномерных связующих оболочек оптимальной толщины и увеличение числа стыковых кон-
в) г)
Рис. 13 -Макроструктура опытных отливок: а - заливка в форму из БФС без добавок, max размер зерна до 2 мм; б - заливка в форму из БФС с добавкой ж/о пигмента, max размер зерна до 0,5 мм; в - заливка в форму из БФС с добавкой пылекварца, max размер зерна до 1 мм; г - заливка в форму из БФС ф. "НЕК GmbH", max размер зерна до 5 мм.
Шестая глава посвящена разработке технологии приготовления БФС и легкоплавкого сплава, а также опытно-производственным испытаниям.
Указан перечень необходимых шихтовых материалов отечественного производства, оборудования и оснастки. Даны описания технологических процессов приготовления безводной формовочной смеси, легкоплавкого сплава и изготовления отливок штампов. В заключительной части главы приведено описание опытно-производственных испытаний в условиях Экспериментального производства ОАО «АВТОВАЗ». Разработанную безводную смесь испытывали при изготовлении отливок штампов на деталь ВАЗ 2170 - 8403443 «усилитель брызговика». Формовка производилась вручную в опоках 350x500x150. Из-за отсутствия мощностей для выплавки разработанного легкоплавкого сплава в промышленном масштабе заливка производилась немецким сплавом МСР-137 при температуре 142 С. При визуальном контроле полученных отливок литейных дефектов в виде газовых раковин и пригара не обнаружено. Качество поверхности полученных отливок штампов соответствует требованиям действующей технологии изготовления штамповой оснастки в цехе 3185 УЭП. По результатам опытно-промышленных испытаний оформлены акты опытно-производственных испытаний безводной формовочной смеси на основе связующей системы «органобентонит -углеводородная жидкость» и внедрения научно-технического мероприятия. Отмечено, что технологический выход годного (ТВГ) и коэффициент использования металла (КИМ) при данной технологии равны 100 %.
В приложениях представлены следующие материалы: перечень нормативных документов, на которые даны в работе ссылки, копии титульных листов разработанных документов (ТУ, инструкции), акты производственных испытаний и производственного вне-
4. Установлен механизм смесеобразования и упрочнения БФС, составлена его физическая модель. Показано, что данный механизм можно представить в виде трех основных этапов. Сформулированы критерии оптимизации БФС.
5. Выявлено влияние модифицирующих добавок на степень диспергирования органо-бентонита в углеводородной среде. Показано, что сочетание таких добавок как олеиновая кислота, диоктилфталат, экстракт селективной очистки ПН-бк в составе УВЖ, обеспечивает наилучшую диспергируемость органобентонита в углеводородной среде, благодаря чему многократность использования (оборачиваемость) БФС значительно возрастает.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Разработаны и внедрены в условиях экспериментального производства ОАО «АВТОВАЗ» составы, технологии приготовления и контроля качества безводной формовочной смеси.
Получен состав легкоплавкого сплава и разработана технология его приготовления.
Предложена методика оценки оборачиваемости БФС, позволяющая оценить многократность использования этой формовочной смеси.
Разработана углеводородная жидкость марки ЖТ-20 (ТУ 38.4011183-2008) для составов БФС, позволяющая повысить оборачиваемость безводных смесей.
Разработаны и внедрены в учебном процессе на кафедре ТЛП СамГТУ методические указания к лабораторной работе «Исследование безводных формовочных смесей на основе органобентонита».
На защиту выносятся:
Закономерности влияния химического состава на структуру и механические свойства легкоплавких сплавов на основе системы Bi-Sn.
Зависимости влияния исходных материалов на свойства безводной формовочной смеси.
Особенности режимов приготовления и уплотнения безводных формовочных смесей.
Результаты изучения влияния качества различных углеводородных жидкостей на степень диспергирования органобентонита и многократность использования (оборачиваемость) безводных формовочных смесей.
Описание процесса получения связующей композиции на основе органобентонита и углеводородной жидкости, а также механизма смесеобразования и упрочнения безводных формовочных смесей.
Достоверность
Достоверность полученных в работе результатов исследований обеспечивается применением комплекса современного оборудования и методик исследований в Центре литейных технологий СамГТУ и лабораториях ИЦ ОАО «АВТОВАЗ», сравнением результатов лабораторных испытаний с результатами производственных испытаний, а также использованием методов статистической обработки результатов экспериментов.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуж
дались на 7 и 8 съездах литейщиков России (Новосибирск, 2005, Ростов-на-Дону, 2007),
научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара,
2005), III Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные
технологии» (Москва, 2005), II Международной школе «Физическое материаловеде-
ние» (Тольятти, 2006), 6 Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2006), IV Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2007).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 12 печатных работах, из которых -2 опубликованы в изданиях из Перечня ВАК и 7 в материалах международных и общероссийских конференций. Подана заявка на изобретение № 2008123693 «Формовочная смесь».
Объём и структура работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения; изложена на 177 страницах, включая 55 рисунков, 70 таблиц и список литературы из 116 источников.
