Введение к работе
Актуальность проблем? Ускорение темпов научно-технического прогресса, повышение эффективности и интенсификации про-шшленного производства, развитие машиностроительного комплекса требуют разработки и совершенствования технологических процессов литья, обеспечивающих получение отливок с заданными эксплуатационными характеристиками при высоком коэффициенте использования металла.
Одним из путей повышения качества отливок является использование физико-механических методов воздействия на кристаллизующийся в литейной форме расплав. К таким методаїл относится и воздействие давления.
Разработанный в СССР в конце 30-х годов способ литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД),.часто называемый жидкой штамповкой, штамповкой из кидкого металла или прессованием расплава при кристаллизации, - прогрессивный и экономически выгодный процесс изготовления отливок, совмещающий способы литья и прессования. Однако способ ЛКД не получил до последнего времени широкого распространения из-за отсутствия теории и научно-обоснованных правил его проектирования, учитывающих формирование отливок с учетом влияния не только массо-переноса, тепловых п гидравлических условий, но и давления, существенно изменяющего условия формоизменения отливки. Величина, характер воздействия и скорость роста давления на отдельных стадиях процесса ЛКД в значительной степени предопределяют качество отливок. Распространение способа ЛКД" сдерживается также и отсутствием специализированного прессового оборудования.
Выявление закономерностей комплексного влияния технологических режимов ЛКД, включая давление, на условия затвердевания и качество литых заготовок является важной предпосылкой для разработки технологии ЛКД, обеспечивающей получение отливок с высокими физико-механическими свойствами и минимальными припусками на механическую обработку.
Анализ литературы показал, что способ ЛКД находится в стадии интенсивного исследования, отработки и внедрения как в СССР, так и за рубежом. Вместе с тем до настоящего времени не решены многие вопросы теории и технологии ЛКД. К числу
таких вопросов можно отнести следующие: тепловые и силовые условия формирования отливок, включая их интенсивность охлаждения и характер затвердевания, расчет величины давления %, прессования, эффективность воздействия давления на затвердевающую отливку, кинетику уплотнения, изменение объемной и линейной усадки отливок; особенности формообразования отливок при различных схемах прессования; изменение структуры и свойств в разных зонах по высоте отливки; разработка классификаций схем прессования при ЖД.
Исследования процесса ЛКД выполнены в соответствии с темами 01.05 "Разработка научных основ процессов литья с кристаллизацией под давлением, в тот числе жидкой штамповки"-'и 01.06 "Разработка научных основ процессов литья с кристаллизацией под давлением" (головная организация ВЗЩ), включенными в Координационные планы научно-исследовательских работ АН СССР на I98I-I985 и I98S-I99C1 годы соответственно, по реше—' нию проблемы 2.25.1.5.
Цель таботы. Исследование закономерностей формирования -отливок, обоснование и разработка малоотходной технологии ЛКД,' обеспечивающей получение' плотных отливок без использова- . ния литниковых систем и прибылей.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
комплексное исследование тепловых и силовых условий формирования отливок при-ЛКД для установления количественных закономерностей мезду давлением и характеристиками, обеспечивающими качество литых деталей;
определение эффективности воздействия давления на затвердевающие отливки из сплавов с различным интервалом хрис- -таллизации;
-исследование структуры и механических свойств сплавов; выявление основных факторов, способствующих измельчению структуры отливок при ЛКД;
исследование гидродинамических режимов формообразования отливок при ЛКД и разработка рекомендаций по применению конкретных схем прессования для опрсделешшх групп сплавоз;
разработка научно-обоснованных классификаций схем прессования при ЛЕЩ, а такие отливок, пресс-йорл к основных узлов последних;
- создание специализированных гидравлических прессов и усовершенствование технологии ЛКД, внедрение их в производство.
Научная новизна. Разработаны математические модели, адекватно отражающие процесс формирования отливок при ЛКД, о помощью которых осуществлена теоретическая оценка и выявлены закономерности воздействия давления на затвердевающие отливки в определенных условиях их изготовления; сделало практическое подтверждение выявленного эффекта. Показано, что закономерности являются обидели для всех исследованных металлов и сплавов. Их использование позволяет прогнозировать характер и время затвердевания, уплотнение при затвердевании, изменение линейных размеров, структуру и физико-механические свойства
ОТЛИВОК. !
Выявлен характер изменения интенсивности охлаждения затвердевающей отливки при ЛКД и показано ее постоянство с момента достижения давлением номинального значения до окончания затвердевания отливки.
Подтверждено положение о прягло пропорциональной зависимости величины пересечения верхнего торца затвердевающей под давлением отливки от объемной усадки металла или сплава.
Обоснована необходимость учета контактных касательных напряжений на поверхности раздела "отливка - пресс-форма" и предела текучести сплава при высоких температурах при анализе напряженно-деформированного состояния металла при ЛКД. Выявлена зависимость относительных потерь давления на трение от номинального давления прессования.
Установлено определяющее влияние скорости охлаждения на измельчение структуры отливок при ЛКД:.( в области давлений до 300 МПа). Выявлена и объяснена анизотропность структуры, линейных размеров и механических свойств пс высоте отливки, указаны пути ее уменьшения и устранения.
Разработаны новые классификации схем прессования, отливок, пресс-форм и осноглшх узлов последних. Даны рекомендации по выбору оптимальных схем прессования при ЛКД, исходя из склонности металлов и сплавов к окислению в кидком состоянии.
Обобщены законсморносги формообразования отливок и созданы осиорп технологии ЛКД, которые позволяют обоснованно
выбирать температурные и силовые параметрі процесса, рацио-нальше схемы прессования и конструкции пресс-форм и обеспечивают достижение высоких физикс-механических и служебных свойств, точности и надежности, уменьшения шероховатости поверхности отливок при одновременном снижении расхода металла и топливно-энергетических затрат на изготовление литих деталей ответственного назначения.
Созданы новые методики для комплексного исследования тепловых и силовых условий формирования отливок, эффективности воздействия давления, уплотнения отливок при затиирдевашш и заполняемости пресс-форм.
Практическая значимость. На заводе "Большевик" (г. Ленинград) создан промышленный участок ЛКД, являющийся первым в СССР и в мире промышленным участком, на котором свыше 20 лет (с 1968 г.) работает специализированный четырехпозицпонный гидравлический пресс мод. П0638 и изготовляются отливки из медных и алюминиевых сшшвов для деталей более 300 наименований.
Результаты работы внедрены на шести предприятиях І.ЮІ.І.
Экономический эффект в народном хозяйстве на I тонне деталей из медных сплавов достигает 1500 руб., из алюминиевых сплавов - 4000 руб.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 25 Всесоюзных, отраслевых и международных конференциях, семинарах и совещаниях, а также на ежегодных (1970-1988 гг.) научно-технических конференциях ВЗПіІ.
Публикации» Результаты работы отражены в 85 публикациях, среди которых 3 монографии, б брошюр и лекций, 49 статей и 12 описаний авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, ыести глаз, основных выводов, списка использованных источников из 236 наименовании и приложений. Она изложена на 315 страницах машинописного текста, включая іо? рисунков и 26 таблиц.