Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности вакуумно-пленочнои формовки 13
1.1. Содержание технологического процесса 14
1.2. Область применения способа 17
1.3. Герметизирующие покрытия для вакуумно-пленочных форм 19
1.4. Виды брака отливок 24
1.5. Представления о механизмах образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумируемых формах ...28
1.6. Формовочный песок - как материал вакуумно-пленочнои формы 36
1.7. Прочность вакуумно-пленочнои формы 46
1.8. Опоки для вакуумно-пленочных форм 53
1.9. Выводы и постановка задач исследования 62
ГЛАВА 2. Исследование образования газовых дефектов в отливках 65
2.1. Движение расплава в полости вакуумируемой формы и ее газовый режим 65
2.1.1. Исследование термодеструкции полимерной пленки, оформляющей рабочую полость вакуумируемой формы в процессе заполнения ее расплавом 72
2.1.2. Влияние разрежения в порах наполнителя вакуумируемой формы на ее газовый режим и образование газовых дефектов в отливках 77
2.2. Образования газовых дефектов в отливках 83
2.3. Моделирование процесса проникновения атмосферного воздуха по разъему формы в заливаемый расплав 95
2.4. Методика измерения параметров вакуумно-пленочной формы... 101
2.4.1. Методика определения газового давления в рабочей полости вакуумно-пленочной формы во время заливки ее расплавом 102
2.4.2. Методика исследования влияния технологических факторов на образование газовых дефектов в отливках 107
2.4.3. Исследование влияния дегазации расплава перед заливкой его в вакуумно-пленочную форму на качество отливок 111
2.4.4. Исследования влияния герметизации разъема формы на образование газовых дефектов в отливках 113
2.4.5. Методика проведения полного факторного эксперимента... 116
2.5. Интерполяционные модели образования газовой пористости
в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах 120
2.6. Анализ результатов исследования влияния технологических факторов на образование газовых дефектов в отливках 128
2.7. Выводы.. 134
ГЛАВА 3. Одномерная модель напряженно-деформированного состояния вакуумно-пленочной формы 136
3.1. Основы теоретического анализа напряженного состояния литейной формы 136
3.2. Анализ состояния вакуумно-пленочной формы на технологических этапах 142
3.3. Силы и напряжения в вакуумно-пленочной форме на стадии формообразования 144
3.4. Уравнения напряженного состояния 147
3.5. Критерий оценки прочности вакуумно-пленочной формы 152
3.6. Определение минимально необходимой степени разрежения... 155
3.7. Методика исследования напряженного состояния вакуумно-пленочной формы на стадии формообразования 158
3.8. Фильтрация газа через песчаный наполнитель вакуумируемой формы, как недеформируемую пористую среду 162
3.9. Механизм сохранения прочности вакуумируемой формы на этапе заливки ее расплавом 176
3.10. Анализ напряженно-деформированного состояния вакуумно-пленочной формы на этапе заливки ее расплавом 181
3.11. Выводы 194
ГЛАВА 4. Трехмерная модель вакуумно-пленочной формы 196
4.1. Объемно-напряженное состояние вакуумно-пленочной формы 196
4.2. Дифференциальные уравнения равновесия 203
4.2.1. Первый этап формообразования (статическое состояние) 204
4.2.2. Второй этап формообразования (снятие полуформы с модельной плиты, транспортировка полуформ) 207
4.2.3. Напряженное состояние вакуумно-пленочной формы во время заливки ее расплавом 210
4.3. Методика решения задачи объемной прочности вакуумно-пленочной формы 213
4.4. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния вакуумируемой формы 215
4.5. Влияние геометрии внутренних стенок опоки на величину разрежения в вакуумно-пленочных формах 226
4.6. Выводы 235
ГЛАВА 5. Анализ качества отливок изготавливаемых по технологии ВПФ 237
5.1. Изготовление отливок в условиях литейного цеха МПО (ОАО) «Станколит» 237
5.2. Изготовление отливок в условиях литейного цеха ОАО«КнААПО» 244
5.2.1. Изготовление отливок панельного типа 245
5.2.2. Изготовление отливок повышенной сложности 260
5.3. Выводы 270
ГЛАВА 6. Реализация технологии вакуумно-пленочнои формовки 272
6.1. Рабочий процесс вакуумно-пленочной машины 272
6.2. Управление режимом вакуумирования в вакуумно-пленочной форме 281
6.3. Влияние геометрии внутренних стенок опок на режим вакуумирования 288
6.4. Выбор оптимального времени заливки вакуумно-пленочных форм для расчета литниковых систем 296
6.5. Брак отливок и меры его предупреждения 301
6.6. Выводы 3 04
Общие выводы 306
Библиографический список 311
- Представления о механизмах образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумируемых формах
- Моделирование процесса проникновения атмосферного воздуха по разъему формы в заливаемый расплав
- Методика исследования напряженного состояния вакуумно-пленочной формы на стадии формообразования
- Второй этап формообразования (снятие полуформы с модельной плиты, транспортировка полуформ)
Введение к работе
В современном состоянии промышленности России, положительным является уже то, что правительством взят курс на повышение внутреннего валового продукта страны. Выход же отечественной машиностроительной отрасли на мировой рынок во многом будет определяться темпами ее технического и технологического перевооружения. Это в свою очередь должно обеспечить качество и конкуретноспособность выпускаемой продукции.
Современное литейное производство России как составная часть машиностроения находится в постоянном поиске новых решений, способствующих повышению качества литья, снижению его себестоимости за счет снижения энерго- и материалоемкости производства. Разработка новых технологий и оборудования, позволяющего автоматизировать процесс изготовления литейных форм, решили бы ряд проблем отечественного литейного производства. При этом не только экономического плана, но и экологического.
Наряду с жесткими экономическими требованиями к продукции литейного производства, не менее жесткие требования предъявляются и к экологической ее составляющей. В Европе и Азии активно развиваются новые поколения перспективных процессов изготовления форм и отливок в них. Некоторые из них, например, вакуумно-пленочная формовка (ВПФ), получили интенсивное развитие со второй половины 70-х годов, активно заменяя низкоэффективные процессы. При этом в Европе за последние 10 лет резко повысились требования законодательства к экологии литейного производства.
На последнее сегодня обращено повышенное внимание ученых-экологов всего мира, нашедшее свое отражение в Киотском протоколе от 16 февраля 2005 года.
Технология вакуумно-пленочной формовки (ВПФ), сегодня находит достаточно широкое применение, как за рубежом, так и у нас в стране [9,19,24, 32, 34, 35, 36, 37, 38, 40, 42, 43, 44, 47]. При этом она решает ряд технико экономических и экологических проблем, связанных с известными способами изготовления литейных форм и получения в них отливок.
Основные преимущества процесса это сокращение капитальных затрат, связанных с технологией и оборудованием смесеприготовительного отделения, существенное сокращение потерь формовочного материала (песка) при повторном его использовании, возможность изготовления модельных комплектов из дерева, значительное увеличение срока службы модельной и опочной оснастки, фактическое устранение шума при изготовлении форм и при выбивке из них готовых отливок, исключение каких-либо динамических воздействий работающего формовочного оборудования на фундамент цеха, улучшение санитарно-гигиенических условий труда, повышенное качество поверхности (Rz 80 мкм) и размерной точности (7-9 класс ГОСТ26645-85) отливок, возможность уменьшения толщины стенок отливок и размеров литниковой системы, что в целом снижает вес (до 30%) заливаемого металла в форму, низкая трудоемкость финишных операций, возможность применения способа практически для изготовления отливок из любых сплавов.
Постоянно ужесточающиеся требования к экологически неблагоприятным технологиям, увеличивающим затраты на утилизацию их отходов (отвалы отработанной формовочной смеси) и охрану окружающей среды, заставляют инвесторов в области литейного производства обращать свое внимание на технологию ВПФ. Несмотря на широкое применение метода за рубежом в Российском литейном производстве он по-прежнему внедряется медленно. В первую очередь это связано с недостаточной изученностью процессов, протекающих при изготовлении вакуумно-пленочных форм и формировании в них отливок.
При освоении технологии ВПФ специалисты столкнулись с рядом проблем, которые связаны как с формой, так и с качеством отливок ответственного назначения которые, несмотря на очевидные преимущества метода, не позволили внедрить его достаточно широко и быстро.
Практиками отмечается [38], что основным недостатком данной технологии является ее энергоемкость на этапе формообразования, когда основная доля потребления электроэнергии приходится на вакуумные насосы. Кроме того, в источниках, посвященных исследованиям метода ВПФ [9, 48, 49] описываются различные виды брака отливок, основная доля которых (до 60%) приходится на газовые дефекты. В практике изготовления литейных форм методом ВПФ, нередки случаи преждевременного их разрушения, как на этапе формообразования, так и на этапе заливки форм расплавом.
С целью предотвращения преждевременной потери прочности (устойчивости) вакуумируемой формы на различных этапах технологического цикла, стараются создать максимальное разрежение в поровом пространстве ее песчаного огнеупорного наполнителя уже на этапе формообразования. Однако в дальнейшем, это разрежение негативно сказывается на качестве отливок, провоцируя появление в них газовых дефектов и пригара.
Недостаточная изученность процессов, происходящих в вакуумируемой форме на стадии формообразования и при заливке ее расплавом, не позволяет наметить пути устранения указанных недостатков, что сужает область применения технологии вакуумно-пленочной формовки и мешает широкому ее внедрению в отечественное литейное производство.
Работа посвящена научно-технической проблеме повышения качества отливок, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах, снижению их себестоимости, расширению представлений о механизме формирования прочности вакуумируемой формы, совершенствованию конструкций опок для данной технологии и как следствие улучшению санитарно-гигиенических условий труда в отечественных литейных цехах. Кроме того, актуальность вопроса по снижению себестоимости отливок как конечного продукта литейного производства не вызывает сомнений на фоне резкого роста цен на электроэнергию, транспорт и материалы. По данным зарубежных фирм [37], применяющих технологию ВПФ, себестоимость отливок, изготавливаемых в вакуумируемых формах, может быть снижена на 30% по сравнению с отливками, изготавливаемыми в песчано-глинистых форма.
Значительный вклад в разработку отдельных аспектов технологии ВПФ внесли зарубежные и отечественные ученые Вернинг X., Вебер Ф., Ryojiro К., Hasegawa К., Aizawa Т., Watanake A., Cooper В., Miura Т., Schneider Р. Рабинович Б.И., Орлов Г.М., Кузнецов В.П., Усанов Г.И., Воздвиженский И.В., Борисов В.А., Гавришин А.Н., Лапшин А.В., Солнышков М.Ю., и др. Научные труды этих исследователей в целом предварили постановку научной задачи о повышении качества отливок и прочности вакуумно-пленочной формы путем регулирования режимов ее вакуумирования.
На необходимость исследования обозначенной проблемы указывало отсутствие механизмов, объясняющих образование газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах. Кроме того, разнообразие мнений о механизме формирования прочности вакуумно-пленочных форм на различных этапах технологического цикла изготовления отливок, отсутствие единого системного подхода к определению минимально-необходимой степени разрежения в формах и влияния величины разрежения на качество отливок затрудняет процесс внедрения данной технологии в отечественное литейное производство. Отсутствие описания объемного напряженно-деформированного состояния песчаного огнеупорного наполнителя вакуумируемой формы сдерживало разработку конструкций опок, позволяющих удерживать наполнитель формы в статическом состоянии при минимально допустимой величине разрежения.
Единый подход к согласованию технологических параметров формы, конструктивных особенностей модельно-опочной оснастки с режимами вакуумирования на различных технологических этапах, представляет несомненный научный интерес и является актуальным, поскольку на его основе становится возможным создание перспективных конструкций формовочных вакуумно-пленочных машин и модельно-опочной оснастки, соответствующих современным требованиям предъявляемым к качеству литья, к расходам формовочных материалов, производительности формовочного оборудования, и санитарно-гигиеническим условиям в литейных цехах.
Целью работы является повышение качества отливок, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах, на основе рационального выбора параметров технологического процесса, разработка технологических и конструкторских решений, обеспечивающих повышение производительности формовочного оборудования, снижение себестоимости литья и расширение области применения метода.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие основные научные, технологические и конструкторские задачи:
1. Обобщение и развитие научных представлений о механизме образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумцо- пленочных формах.
2. Исследование кинетики заполнения вакуумно-пленочных форм расплавом и влияния ее газового режима на образование газовых дефектов в отливках.
3. Проведение комплексного анализа технологических факторов и их ранжирование по степени влияния на образование газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах.
4. Обобщение и развитие научных представлений о механизмах сохранения прочности вакуумно-пленочной формы с учетом свойств ее огнеупорного наполнителя и размеров опоки на этапах технологического цикла изготовления отливок.
5. Разработка научно-обоснованной методики определения минимально-допустимой степени разрежения в вакуумных формах с учетом свойств ее огнеупорного наполнителя, размеров и конструкций опок опоки.
6. Проведение сравнительного анализа экспериментально-промышленных исследований и внедрение положительного опыта в практику изготовления отливок без газовых дефектов по технологии вакуумно-пленочной формовки.
7. Разработка комплексных научно-обоснованных практических рекомендаций по изготовлению отливок без газовых дефектов в вакуумно-пленочных формах.
На защиту выносятся следующие основные положения.
Автор защищает научные основы проблемы повышения качества отливок, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах и прочности вакуумно-пленочной формы на различных этапах технологического цикла, а именно:
- теоретические основы образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах и методы их предупреждения;
- теоретические и практические закономерности, характеризующие качество отливок от влияния комплекса технологических факторов, влияющих на образование газовых дефектов;
- механизм сохранения прочности вакуумно-пленочной формы на этапах формообразования и заливки формы расплавом;
- теоретические представления о критерии прочности и выборе минимально-необходимой величины разрежения в вакуумно-пленочной форме;
- зависимости между величиной разрежения в форме ее прочностью и конструктивными особенностями опочной оснастки.
Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту Международной академии минеральных ресурсов Евстигнееву А.И., за постоянное внимание при выполнении и представлении работы, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ Кабалдину Ю.Г., доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Одинокову В.И., доктору технических наук, профессору Олейникову А.И., заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Трухову А.П. и кандидату технических наук, профессору Московского государственного технического университета «МАМИ» Благонравову Б.П., за ценные замечания в написании работы. Автор выражает свою благодарность доктору технических наук, профессору Карпову А.И., доктору технических наук, профессору Марьину Б.Н., кандидату технических наук, доценту Могильникову Е.В., начальнику литейного цеха ОАО «КнААПО» Зелинскому В.В., работникам ОАО «ХЗОО», ОАО «ТЭМЗ» за активную помощь, оказанную в выполнении исследований, внедрении результатов в производство и оформлении работы.
Работа выполнялась в литейных цехах заводов ОАО «Амурлитмаш» -г.Комсомольск-на-Амуре, МПО «Станколит» - г.Москва, ОАО ХЗОО -Хабаровский завод отопительного оборудования, ОАО «КнААПО» - г. Комсомольск-на-Амуре, ОАО «ТЭМЗ» - Томский электромеханический завод им. В.В. Вахрушева, а так же в лабораториях кафедр литейного производства МГТУ «МАМИ» - г. Москва и КнАГТУ - г. Комсомольск-на-Амуре.
Представления о механизмах образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумируемых формах
Появлению разностенности и заливов способствуют в основном неправильное конструирование модельной оснастки и небрежная сборка форм.
К причинам же образования газовых дефектов и пригара следует отнести технологические факторы, такие как: величина разрежения в форме; фракция огнеупорного наполнителя формы; наличие или отсутствие противопригарного покрытия; температура заливаемого расплава и конструкция литниково-питающей системы.
Изучение процесса заполнения вакуумно-пленочных форм расплавом и сопровождающих его при этом явлений [14], проведение полнофакторных экспериментов и анализ их результатов позволили сделать вывод, что технологическим фактором, оказывающим доминирующее влияние на образование газовых дефектов в отливках, является величина разрежения в поровом пространстве наполнителя вакуумно-пленочной формы.
Значение этого фактора трудно переоценить. Именно от его начальной величины и динамики его изменения во время заливки зависят - прочность формы, и как следствие качество отливок. Поэтому, наряду с правильным подбором вышеперечисленных технологических факторов и правильно сконструированной литниковой системой, крайне важно в конструкции формовочной вакуумно-пленочной машины иметь систему слежения и регулирования величины разрежения в вакуумируемой форме. Наличие такой системы позволит свести к минимуму вероятность появления брака по газовым включениям и пригару.
Плавка, заливка и затвердевание металлов всегда происходят в условиях их интенсивного взаимодействия с газами. В результате этого взаимодействия в отливках, получаемых в любых формах, могут образовываться газовые раковины, плены, неметаллические включения, флокены и другие дефекты, а также понижаться механические свойства самих отливок.
Проблеме образования газовых дефектов в отливках посвящено большое количество отечественных и зарубежных исследований [57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66,67]. В основном данный вид дефектов в отливках образуется либо по вине формы - экзогенное происхождение газовых дефектов, либо по вине газов, выделяющихся из расплава - эндогенные газовые дефекты. Однако, нередки случаи, когда данный вид брака в отливках образуется при одновременном проникновении газов в отливку из формы и выделении газов из расплава.
На границе раздела металл-форма газовая фаза практически присутствует всегда, обладая значительно большей подвижностью, чем жидкий металл и материал формы. Пограничные газы активно участвуют в формировании поверхностных слоев отливки и при определенных условиях могут вызвать образование поверхностных дефектов типа: подкорковые раковины, ситовидная пористость и газовая шероховатость [59].
Подкорковые газовые раковины (рис. 1.4. и рис.1.7.а) представляют собой скопление газовых пузырьков круглой или овальной формы, залегающих в отливке непосредственно у поверхности или на некотором удалении от нее (до 3 мм). Эти включения иногда соединяются с поверхностью отливки узким каналом, диаметр d которого равен 0,1-0,3 диаметра D пузырька в поперечном сечении. Отношение протяженности пузырька L к его диаметру D составляет 5-1,0. Подкорковая пористость может образовывать колонии, поражающие значительную часть поверхности деталей. В работе [59] рекомендуется отличать подкорковые раковины от сотовых пор (рис. 1.7.6), которые располагаются на значительной глубине (свыше 10 мм) и представляют собой регулярные скопления пузырьков, сильно вытянутых в направлении, ортогональном поверхности формы (L /D 5).
В механизме образования поверхностных и объемных газовых раковин по вине формы центральным моментом является проникновение газа с поверхности пористого тела (формы или стержня) в жидкий металл отливки. Данный вопрос достаточно глубоко проработан в работах [58, 59]. Проникновение газа в металл происходит в результате превышения давлением газа в поровом объеме формовочного материала суммы противодействующих ему давлений - гидростатического, газового давления над зеркалом металла и давления сил поверхностного натяжения [58, 59, 60, 61]. При взаимодействии горячего металла со стенками формы или стержня газы, присутствующие в поровом пространстве формовочного материала, нагреваются. Нагрев газов сопровождается повышением их давления. Имея значительные температуру и давление, газы стремятся увеличиться в объеме отыскивая себе выход, двигаясь вертикально вверх, и встречая на своем пути незастывший металл отливки.
В работе [59] рассматривается возможность проникновения газового пузырька в отливку, даже при наличии в ней корочки 5 (рис. 1.8). Если это случается в горизонтальной части отливки, то прорвавшийся через корку пузырек, всплывая в незатвердевшем металле, встретит на своем пути, с внутренней стороны отливки, другую корочку металла (см. рис. 1.8), которая к тому же подпирается "потолком" формы. Пробиться через вторую корку свободно всплывающий пузырек не сможет, так как его подъемная сила, равная весу металла в объеме пузырька, слишком мала и составляет, например, для пузырька объемом 1 см всего 0,069 - 0,074 Н, что во много раз меньше сил, развиваемых газовыми пузырьками на границе металл-форма, необходимых для внедрения пузырьков в расплав [59].
Поэтому даже тончайшая корочка металла, например, толщиной 0,01 мм является непреодолимым препятствием для всплывающего в отливке газового пузыря. Образующиеся подобным образом подкорковые газовые раковины, часто встречаются в отливках, которые заливаются со вскипом стержней и форм. Эти раковины имеют округлую форму, блестящую поверхность и распределяются группами на глубине до 1-1,5 мм от поверхности отливки.
Моделирование процесса проникновения атмосферного воздуха по разъему формы в заливаемый расплав
При этом для идеально сыпучих грунтов, характерным является то, что при определенных условиях нагружения, возникает состояние их предельного равновесия, представленного графиком на рисунке 1.14, приводящего к потере сплошности среды.
Для исследования закономерностей процессов, происходящих в литейных формах при их уплотнении [7], формовочная смесь рассматривается как гранулированная (сыпучая) среда со своими реологическими особенностями. Здесь же приводится анализ закономерностей поведения формовочных смесей в зависимости от технологических условий процесса их уплотнения. Так экспериментально показано, что при уплотнении литейной формы, без возможности бокового расширения (перемещения), формовочная смесь всегда находится в состоянии предельного равновесия. При этом нарушение сплошности среды (формовочной смеси) по механизму, описываемому законом Кулона, не имеет места.
В целом, описание поведения сыпучих гранулированных сред, при приложении к ним каких-либо нагрузок, представляет собой сложную задачу механики грунтов, решение которой к настоящему времени нет возможности полагать однозначным.
Разрушению вакуумно-пленочной формы, на различных технологических этапах, будут способствовать: собственный вес ее песчаного наполнителя и сила инерции, которая возникает в нем при придании полуформе ускорения, во время съема ее с модельной плиты, транспортировки полуформы на участок сборки и непосредственно при сборке форм.
Поэтому, задача удержания песчаного наполнителя в статическом состоянии, после придания ему прочности на модельной плите, путем вакуумирования, является главной. Совершенно очевидно, что чем больше величина разрежения в порах наполнителя формы, тем выше ее прочностные показатели и тем меньше вероятность ее преждевременного обрушения.
Однако, как выяснилось в ходе значительного количества экспериментальных исследований и промышленного опробования данной технологии, глубина разрежения (вакуума) - есть параметр, определяющий не только прочность формы, но и качество отливки по всем ее показателям, и в некоторых случаях может играть отрицательную роль.
В связи с этим, крайне важным становится знание оптимальной степени разрежения в порах наполнителя формы. При этом действие веса наполнителя и возникающих в нем сил инерции не должны приводить к образованию линий (площадок) скольжения. А минимальная разница АР между атмосферным (снаружи формы) давлением и остаточным (в порах наполнителя формы), должна обеспечивать статичность последнего.
Заметим, что именно разница указанных давлений (ДР) является упрочняющим фактором песчаного наполнителя вакуумируемой формы на всех технологических этапах, и ее уменьшение ниже критической величины приведет к деформации или разрушению формы в целом. Кроме того, указанная разница давлений, обеспечивает необходимую величину сжимающих главных больших напряжений 3\, которые в свою очередь обуславливают величину главных меньших напряжений аг, действующих на стенки опоки.
Под прочностью материала принято понимать его способность сопротивляться воздействию каких-либо нагрузок до момента начала его разрушения как системы. Тогда под прочностью литейной вакуумно-пленочной формы будем понимать способность ее формовочного материала (сухой, без связующего песок) сопротивляться действию внешних нагрузок и внутренних массовых сил, без каких-либо деформаций.
Возникновение деформаций в песчаном наполнителе вакуумируемой формы, в лучшем случае, приведут к нарушению геометрии и размерной точности отпечатка модели, а соответственно к нарушению геометрии и размерной точности самой отливки. В худшем - под воздействием внутренних массовых сил песчаный наполнитель может просто высыпаться из опоки. На стадии заливки вакуумно-пленочной формы расплавом, последняя подвергается гидростатическому и гидродинамическому воздействию расплава, которые необходимо учитывать при рассмотрении прочности песчаного наполнителя.
Современное состояние литейного производства таково, что независимо от вида производства (серийное, массовое, единичное), наиболее тяжелые технологические операции по изготовлению литейных форм выполняются механизмами. Таковыми являются: гидро- и пневмоцилиндры при протяжке полуформ с модельных плит, тросовые подъемные устройства (тали, лебедки, краны), гидро- и пневмотолкатели, кантователи, поворотные столы и т. д. Понятно, что все эти механизмы оказывают динамическое воздействие на форму, придавая ей то или иное ускорение при перемещении в пространстве. При этом величина этих ускорений может принимать значения от 1,5 до 1,92 м/с при разгоне опоки [27] и от 5 до 25 м/с в момент отрыва полуформы от модельной плиты во время протяжки тросовым подъемным устройством [28].
В свою очередь, песчаный наполнитель вакуумно-пленочной формы обладает некоторой массой, что способствует возникновению в нем (во время неустановившегося движения) сил инерции, величина которых может быть существенно значимой. Таким образом, исходя из вышесказанного, при проектировании узлов и механизмов, формовочных вакуумно-пленочных машин или автоматических линий, становится крайне важным рассчитывать скоростные характеристики исполнительных механизмов с учетом прочностных свойств вакуумируемых форм. В свою очередь, в математической модели, описывающей напряженное состояние вакуумируемой формы необходимо учитывать влияние сил инерции, возникающих в массиве ее песчаного наполнителя.
Центральным вопросом, которому уделяется большое внимание специалистов, является режим вакуумирования форм. Придание прочности вакуумно-пленочной форме на стадии формообразования и сохранение ее на последующих технологических этапах, есть необходимое условие получения качественных отливок.
В отечественной и зарубежной литературе [9, 17, 18, 19, 32, 42, 43, 44, 47, 71, 74, 77, 78] посвященной научным вопросам вакуумно-пленочной формовки, содержится ряд сведений о расчетах на прочность вакуумируемых форм на различных этапах технологического цикла. Как правило, рассматриваются -этап формообразования и этап заполнения формы расплавом. При этом второй этап разделяют на период собственно заполнения полости формы расплавом и период взаимодействия расплава с формой по окончании ее заливки.
Суть расчетов вакуумируемых форм на прочность заключается в определении минимальной разницы АР между атмосферным давлением и остаточным давлением газа в порах песчаного наполнителя.
Методика исследования напряженного состояния вакуумно-пленочной формы на стадии формообразования
Давление газа над зеркалом расплава Рф уменьшается и может стать меньше атмосферного. Если в данный момент времени суммарное давление газа в полости формы и металлостатическое давление над уровнем ее разъема меньше атмосферного на величину последнего слагаемого в уравнении (2.2), то происходит проникновение газовой фазы в расплав, заполняющий рабочую полость формы. Внедрение пузырьков воздуха в жидкий металл будет происходить при каждом цикле изменения газового давления в полости формы до тех пор, пока сумма слагаемых в правой части уравнения (2.2), (давление газа над зеркалом расплава, металлостатическое давление над уровнем разъема формы и силы поверхностного натяжения) не станет равной атмосферному давлению. По достижении зеркалом расплава определенного уровня высоты рабочей полости полимерная пленка, оформляющая "потолочную" часть полости формы, термодестругирует под действием теплоизлучения и конвективного теплообмена, и становится газопроницаемой. При этом быстрое понижение абсолютного давления газа над зеркалом расплава создает условия для ускоренного подъема (подскока) его уровня и возможного образования разрыва потока. Условие выхода пузырей газа через свободную поверхность расплава имеет вид [ 15]: где 1вспл - продолжительность всплытия газовых пузырьков критических размеров; t3an - продолжительность заполнения расплавом полости формы.
При резком увеличении скорости заполнения металлом полости формы, время t3an уменьшается и неравенство (2.3) может принять, либо вид равенства, либо неравенства вида tBCIUI/t3a„ l, что нарушает условие выхода пузырьков из расплава. Попавшие ранее в расплав пузырьки газа отстают по скорости всплытия от скорости подъема зеркала расплава и не успевают выйти через его свободную поверхность. При этом газовые пузырьки оставшиеся в расплаве образуют газовые дефекты в отливках. Скорость заполнения металлом рабочей полости формы при разгерметизации ее "потолочной" части будет тем больше, чем больше разрежение в поровом пространстве песчаного наполнителя формы и меньше абсолютное газовое давление в ее рабочей полости.
Такова одна из причин образования газовых дефектов в отливках. Однако эксперименты показали, что газовые дефекты в отливках, изготавливаемых в вакуумируемых формах, могут образовываться не только по вине неплотностей, имеющих место в разъеме формы и подсоса атмосферного воздуха по ним. По данным работ [59, 60, 64, 65, 80, 81, 82, 83], описывающих образование газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в песчано-глинистых формах, все сплавы в жидком и твердом состоянии обладают тем или иным количеством растворенных в них газов. Насыщение расплава газами и их выделение из него зависит от многих факторов, но к наиболее действенным относят - температуру расплава и давление газовой среды окружающей данный расплав [61, 63, 64, 65, 66] (в нашем случае газы в рабочей полости вакуумируемой формы [105, 115]). Как было показано выше, при отсутствии в вакуумируемой форме выпора или при выпоре с малой площадью проходного сечения (см. п. 2.1.2) в рабочей полости формы при заполнении ее расплавом создается давление ниже атмосферного. Известно [84], что влияние давления газа в одинаковой степени распространяется на весь объем залитого в форму расплава. Следует отметить, что признаком, который явно указывает, что происхождение данного дефекта не связано с механическим проникновением пузырей с поверхности раздела металл-форма является похожесть дефектов по форме и размерам, которые равномерно распределены по объему отливки.
В момент падения газового давления над зеркалом расплава, особенно в момент разгерметизации "потолочной" части полости формы, давление Рм в объеме расплава также уменьшается и может стать меньше некоторого критического парциального давления Рг-3 в газовом зародыше. Тогда, при нарушении равенства: - между внешним давлением Рв и давлением в самих газовых зародышах Рг,3, имеющихся в расплаве, пузырьки начинают увеличиваться в объеме, образуя газовую пористость в теле отливки.
Таким образом, газ, растворенный в металле, выделяется из раствора в виде пузырьков, размеры и количество которых, зависят от степени газонасыщенности расплава, температуры его заливки и газового давления над его зеркалом. Выделившийся из раствора жидкого металла пузырек газа начинает двигаться вверх вследствие значительной разницы плотностей - его и металла. При встрече пузырьков газа, выделившихся из раствора, с пузырьками, образовавшимися в результате подсоса воздуха по разъему формы, они сливаются и образуют более крупные газовые включения [82].
Анализируя вышеописанные причины образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах, рассмотрим случай изготовления стержневых отливок.
Известно [66], что стержни, их газотворная способность, являются дополнительным источником образования газовых дефектов в отливках. В случае вакуумно-пленочной формовки ситуация усугубляется тем, что при погружении всей поверхности стержня 1 (горизонтальное расположение стержня) в расплав 2 (рис. 2.17) газ 3, выделяющийся из стержня, не имеет возможности выхода через знаковые части в наполнитель формы 4, как например, в сырых песчано-глинистых формах.
Второй этап формообразования (снятие полуформы с модельной плиты, транспортировка полуформ)
Получение отливок без газовых дефектов в вакуумно-пленочных формах связано со значительным количеством факторов, изменяющихся в широком диапазоне своих значений и оказывающих влияние на их формирование, как в процессе заливки формы расплавом, так и во время охлаждения отливки в форме. В многочисленных поисковых экспериментах было установлено, что такими факторами являются: время заполнения формы расплавом, температура заливаемого расплава, толщина стенок отливки, величина разрежения в песчаном наполнителе формы, наличие или отсутствие выпора, наличие или отсутствие подсоса атмосферного воздуха по разъему формы, наличие или отсутствие прибылей. Немаловажное значение имела и предварительная дегазация расплава.
Если влияние каждого, отдельно взятого, из вышеперечисленных факторов, как независимых переменных, на качество отливки, как параметр оптимизации, можно объяснить, то объяснение их совместного воздействия на образование газовых дефектов, становится затруднительным. Кроме того, проведение такой масштабной экспериментальной работы, по установлению влияния различных комбинаций факторов на образование газовых дефектов в отливках потребовало бы затрат большого количества времени и средств. Поэтому, было решено воспользоваться известным методом планирования полного факторного эксперимента (ПФЭ) 2к с равномерным дублированием опыта [93], который дает максимум информации при минимальных временных и материальных затратах.
Этап предпланирования экспериментов позволил, прежде всего определиться с наиболее важными независимыми факторами, не носящими случайного характера и областями их изменения. На основании ряда предварительных экспериментов и литературных данных [60, 61, 62, 67, 81, 83] были выбраны количественные технологические факторы, из вышеперечисленных, которые оказывают существенное влияние на образование газовой пористости в отливках. К таковым отнесли: величину разрежения в порах песчаного наполнителя на этапе заливки формы расплавом Р (кПа); температуру заливки расплава Т (К); толщину стенки отливки L (м); время заполнения рабочей полости формы расплавом t (с). Остальные факторы были отнесены к ранговым и учитывались при проведении полного факторного эксперимента. Ранговые факторы имели ограниченную дискретную область определения и содержали два значения: да - нет или хорошо - плохо.
В качестве основного определяемого параметра оптимизации (функции отклика) принималось количество газовых включений на шлифе исследуемой отливки выраженной в процентах (см. п. 2.4.3.). Этот параметр отвечает требованиям, которые предъявляет методика проведения полного факторного эксперимента - имеет физический смысл, эффективен с точки зрения оценки брака отливок, универсален и выражается количественно. Реализация ПФЭ типа 2 позволила получить интерполяционные математические модели, описывающие значение изучаемого параметра при любых уровнях выбранных факторов. Уровни факторов и их интервалы варьирования представлены в таблице 2.3. Проведение данной серии экспериментов с использованием ранговых факторов вызвало необходимость проведения двенадцати серий экспериментов, схема которых представлена на рис. 2.35. Во время экспериментов на модельных плитах располагали по две ступенчатые модели отливок (см. рис. 2.34.). При этом в форме получали два одинаковых отпечатка моделей. Заливку формы осуществляли через общий стояк. Во всех двенадцати сериях экспериментов размеры литниковых систем не изменялись. Так как во всех экспериментах применялись одинаковые модели, то изменению подвергались следующие факторы: величина разрежения в песчаном наполнителе формы перед ее заливкой и температура заливаемого расплава.
Таким образом, удалось уменьшить число серий экспериментов до 12 при общем количестве опытов 48, вместо 256. Для исключения систематических ошибок в результатах экспериментов опыты, предусмотренные матрицей планирования, проводили в случайной последовательности. Порядок проведения опытов выбирали по таблице случайных чисел (Табл. 11. [93]). Любой процесс может быть охарактеризован определенным числом факторов или входных параметров, которые в различной степени влияют на выходные параметры, то есть на результат, полученный в ходе реализации процесса. Так, например, процесс образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах, характеризуется рядом факторов, оказывающих влияние на количество газовых включений, зависит не только от комплекса независимых количественных технологических факторов, но и от ранговых (входных) факторов. Все эти факторы перечислены в п. 2.4.5 и представлены на схеме реализации экспериментов рис. 2.35.
Полученный значительный объем данных в результате проведения масштабной экспериментальной работы по выявлению влияния технологических факторов на образование газовых дефектов в отливках, предопределил их статистическую обработку и получение интерполяционных математических моделей. С помощью последних появилась возможность определения оптимального минимума значений факторов и их совместного влияния на получение отливок без газовых дефектов. Обработку результатов экспериментов проводили регрессионным анализом, методом наименьших квадратов. Оценку адекватности, то есть соответствие полученных математических моделей, выраженных уравнениями регрессии, экспериментальным данным производили по статистическому критерию Фишера (F- критерий) и относительной ошибке аппроксимации, а проверку статистической значимости коэффициентов регрессии - по критерию Стьюдента (t - критерию).
