Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие и состояние научно-технической проблемы производства и улучшения качества сложно-профильных ребристых отливок 18
1.1. Анализ проблемы формообразования в производстве сложно-профильных чугунных отливок 18
1.2. Анализ развития научных основ формообразования с применением импульсных методов 29
Выводы по главе 1, цель работы и задачи исследований 41
Глава 2. Обоснование общих закономерностей и особенностей технологии изготовления отливок со сложной ребристой поверхностью, методологии исследований . 43
2.1. Анализ и обобщение конструктивно-технологических особенностей ребристых отливок, совершенствование методов формообразования 43
2.2. Установление общих закономерностей и особенностей параметров форм для отливок со сложной ребристой поверхностью с применением предложенной методологии исследований 61
2.3. Производственно - экспериментальное исследование и обобщение особенностей физико - механических свойств
и состава формовочных смесей 72
2.3.1. Экспериментальное исследование и применение реологических свойств песчано-глинистых смесей при решении задач данного исследования 79
Выводы по главе 2 86
Глава 3. Развитие теоретических основ и совершенствование метода последовательного прессования для изготовления сложно- профильных ребристых отливок 87
3.1. Анализ развития и состояния научно-технической проблемы совершенствования метода последовательного прессования 87
3.2. Развитие представлений о физической модели процесса уплотнения форм методом ГШр и экспериментальные исследования закономерностей 96
3.3. Развитие теоретических основ процесса и разработка методики расчета параметров ППр 113
Основные результаты по главе 3 127
Глава 4. Развитие теоретических основ пневмоимпульсных процессов уплотнения формовочных смесей и разработка конструктивно - технологических решений их применения 132
4.1. Теоретические и технологические основы моделирования процесса воздушно-импульсного уплотнения формовочной смеси 132
4.1.1. Развитие научных представлений о физической модели воздушно-импульсного уплотнения формовочной смеси 133
4.1.2. Реологическая модель формовочной смеси и ее математический вид 136
4.1.3. Теоретические основы совершенствования математической модели импульсного уплотнения формовочной смеси 144
4.1.4. Математическая модель рабочего процесса воздушно-импульсной установки 153
4.1.5. Управление режимом импульсного уплотнения и выбор конструктивно-технологических параметров импульсных машин 155
4.1.6. Экспериментальные исследования закономерностей и влияния конструктивно-технологических параметров процесса импульсного уплотнения 159
4.1.6.1. Оборудование экспериментального стенда. Оснастка, смесь, измерительная система 159
4.1.6.2. Исследование закономерностей процесса импульсного уплотнения и влияния конструктивно-технологических параметров 169
Выводы по главе 4.1 188
4.2. Развитие теоретических основ процесса уплотнения литейных форм потоком сжатого воздуха и разработка конструктивно - технологических решений его применения 192
4.2.1. Состояние и развитие физических представлений о процессе уплотнения форм потоком сжатого воздуха 192
4.2.2. Теоретические исследования фильтрационных процессов и уточнение основного уравнения уплотнения смеси потоком воздуха 197
4.2.3. Экспериментальные исследования закономерностей и влияния конструктивно-технологических параметров процесса УПВ 204
4.2.3.1. Исследование закономерностей влияния вент на процесс УПВ и особенностей уплотнения форм для сложно-профильных ребристых отливок 209
4.2.3.2. Экспериментальное определение конструктивных параметров установок УПВ 213
4.2.4. Разработка методики расчета и выбора основных конструктивно-технологических параметров установок уплотнения фильтрацией сжатого воздуха с допрессовкой 218
Выводы по главе 4.2 220
Глава 5. Исследование закономерностей процессов и разработка технологии изготовления сложно-профильных ребристых отливок в формы из холоднотвердеющих смесей 222
5.1. Состояние и развитие научно-технической проблемы 222
5.2. Оборудование, приборы, оснастка, материалы, методология и методика экспериментальных исследований 225
5.3. Исследование закономерностей процессов и разработка технологических решений получения высококачественных отливок 235
5.3.1. Проведение предварительных экспериментов и анализ результатов 235
5.3.2. Исследование закономерностей влияния физико-механических свойств компонентов смеси на качество форм и отливок 237
5.3.3. Исследование влияния плотности форм на качество
отливок и обеспечение ее рациональных значений 243
5.3.4. Управление газовым режимом формы и исследование его влияния на качество отливок 248
5.3.5. Исследование закономерностей и механизма влияния свойств противопригарных покрытий и способов их нанесения на качество отливок 254
5.3.6. Исследование влияния типа литниково - питающих систем и режимов заливки на стойкость форм и качество отливок 261
5.4. Изготовление сложно-профильных ребристых отливок со специальными служебными свойствами 269
5.5. Развитие теоретических основ процесса вибропрессования форм из ХТС для сложных ребристых отливок 272
5.6. Охрана труда и решение экологических проблем 278
Основные результаты и выводы по главе 5 289
Глава 6. Практическое использование результатов исследований 292
Основные результаты и выводы 303
Литература
- Анализ развития научных основ формообразования с применением импульсных методов
- Установление общих закономерностей и особенностей параметров форм для отливок со сложной ребристой поверхностью с применением предложенной методологии исследований
- Развитие представлений о физической модели процесса уплотнения форм методом ГШр и экспериментальные исследования закономерностей
- Развитие научных представлений о физической модели воздушно-импульсного уплотнения формовочной смеси
Введение к работе
Необходимость кардинального повышения уровня развития машиностроения ставит ответственные задачи по освоению новых ресурсосберегающих конструкций и технологий, соответствующих мировому уровню. Важнейшей задачей является создание современных экономичных технологий производства высокоэффективного оборудования, эксплуатация которого позволяет значительно снизить потребление электрической, тепловой и др. видов энергии.
К такому оборудованию относятся различные виды электрических машин, компрессоров и теплообменников, применяемых практически во всех областях человеческой деятельности и потребляющих основную часть вырабатываемой энергии. Надежность и экономичность их работы неизбежно влияет на общее состояние энергосистем, экономики и в целом на жизнеспособность народного хозяйства.
Этим определяется потребительский спрос к данному виду продукции, а также постоянное требование рынка к повышению ее технических и функциональных возможностей, что в условиях высокой конкуренции обеспечивается постоянным совершенствованием конструкции и технологии производства.
При создании новых изделий должны учитываться требования внешнего и внутреннего рынков, а также тенденции развития мирового машиностроения:
- получение высоких энергетических характеристик при снижении массы, повышении компактности и надежности в эксплуатации;
- повышение технологичности, высокой степени унификации конструкции, снижение трудоёмкости и достижение минимальных цен;
- снижение сроков освоения новых конструкций и технологий;
- увеличение конкурентоспособности за счет решения вопросов технической эстетики;
- создание таких структур осваиваемых изделий и технологий изготовления, которые позволяют в кратчайшие сроки осуществлять их дальнейшее усовершенствование с учетом возрастающих требований национальных и международных стандартов, потребителей и рынка.
Совершенство этого оборудования во многом определяется конструкцией и качеством ребристой поверхности литых корпусных деталей, обеспечивающих необходимую жесткость при минимальной массе, эффективную передачу тепла и необходимый товарный вид.
Литые заготовки, максимально приближенные по размерам, конфигурации, качеству поверхности и массе к готовым изделиям, позволяют не только уменьшить затраты на механическую обработку, но и повысить важнейшие показатели качества машин, конкурентоспособность, снизить их стоимость. Но возможности совершенствования конструкций таких отливок зависят от уровня развития литейных технологий.
Выполнение разносторонних жестких требований к отливкам со сложной ребристой поверхностью в условиях конкуренции стало острой проблемой всех заводов России, занятых производством продукции, имеющей такие отливки.
Как при производстве отливок большинства других изделий, так и при изготовлении чугунных сложно-профильных ребристых отливок, процесс литья в разовые песчаные формы остается преобладающим. Но наиболее распространенный в России процесс изготовления форм на формовочных машинах с традиционным методом уплотнения смеси (встряхивание с до-прессовкой) перестал отвечать современным требованиям по производительности и качеству получаемых отливок. Другие способы получения форм и отливок оказались недоступны по экономическим или неприемлемы по тех ническим причинам (пескодувно-прессовое и вибро - прессовое уплотнение песчано-глинистых форм, литье в облицованный кокиль и др.).
Многообразие разносторонних жестких требований к подобным специфическим отливкам породило и многообразие попыток исследователей создать надежную технологию их изготовления в условиях мелкосерийного, серийного и массового производства. Несмотря на их существенный вклад, проблемы изготовления станин ЭД далеки от своего решения.
Анализ работ показывает, что они не всегда имеют глубокий комплексный подход к конкретной проблеме изготовления сложной ребристой отливки, учитывающий особенности конструкции отливок, серийность производства и степень надежности технологии.
Отсутствие единого научного подхода и обобщающих комплексных исследований процессов изготовления сложных ребристых отливок не позволяли максимально использовать для этой цели возможности высокоэффективных методов уплотнения песчаных форм: последовательного прессования (ППр), уплотнения потоком воздуха (УПВ), воздушным импульсом низкого давления (ИНД), формовки с применением холоднотвердеющих смесей (ХТС) и других методов.
Недостаточно изучены основные параметры литейной формы, обеспечивающие получение качественной отливки с высокой степенью надежности технологии, особенности уплотнения литейных форм для сложных ребристых отливок и взаимосвязь параметров процесса уплотнения, геометрии оснастки и свойств смеси.
Установление общих закономерностей и развитие представлений о механизме уплотнения форм современными методами, обобщение результатов и систематизация характера особенностей изготовления высококачественных, конкурентоспособных специфических отливок с высокой степенью надежности процесса представляют несомненный научный и практический интерес.
Решение проблемы имеет важнейшее значение для народного хозяйства и обороноспособности страны, вносит значительный вклад в ускорение научно - технического прогресса как в области технологии литейного производства, литейного машиностроения, так и в области электромашиностроения, энергетики и других отраслей промышленности.
Целью работы является создание и внедрение надежных и эффективных технологических процессов получения высококачественных отливок со сложной ребристой поверхностью.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
- установление особенностей влияния геометрических параметров и физико-механических свойств форм на точность сложно-профильных ребристых отливок, чистоту их поверхности и надежность процесса;
- установление экспериментальных и теоретических зависимостей процесса последовательного прессования (ГШр), разработка новых технических и технологических решений и теоретически обоснованной методики, позволяющих последовательно и с высокой степенью надежности достигать необходимую позонную плотность форм и высокое качество отливок;
- установление основных теоретических и экспериментальных закономерностей процессов ИНД и УПВ, влияния конструктивно - технологических параметров оборудования, оснастки, свойств смесей и режима уплотнения на качество уплотнения сложных элементов формы;
- исследование закономерностей, разработка и внедрение технологического процесса изготовления особо сложных отливок широкой номенклатуры в формы из ХТС, в т.ч. в многосекторные безопочные формы;
Основными объектами исследований являются:
- отливки станин ЭД, являющиеся в классификации литья характерными типопредставителями наиболее сложных тонкостенных отливок, имею щих многочисленные тонкие ребра с узкими межреберными пространствами (МП), а также ряд других сложно-профильных ребристых отливок;
- характерные песчаные формы с многочисленными (до 78 шт.) тонкими и высокими выступающими элементами, трудно уплотняемыми и наиболее подверженными разрушению при изготовлении формы и заливке;
- оборудование для изготовления форм ППр, ИНД, УПВ, из ХТС;
Предмет исследований: - параметры оснастки, качество форм и отливок, свойства формовочных смесей (ПГС и ХТС), параметры оборудования и режимы уплотнения форм, технологии и процессы изготовления форм и отливок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Сформулирована и практически подтверждена концепция выбора способов формообразования и параметров литейной формы, позволяющая получать высококачественные отливки со сложным профилем и сложной ребристой поверхностью, заданную надежность и экономичность процесса. Усовершенствованы методы формообразования на основе предложенных решений (А.С.).
2. Уточнены закономерности положительного влияния внешнего трения смеси в узких пространствах оснастки при ППр (эффект доуплотнения обратным движением модели) и возможности получения сложных отливок с высокой степенью надежности.
Расчетно-экспериментальным методом получены и практикой подтверждены влияние и рациональные значения параметров движения оснастки и свойств смеси. На основании новых закономерностей разработана методика расчёта процесса ППр, позволяющая поэтапно определить режим нагруже-ния и плотность элементов формы.
3. Развиты представления о механизме импульсного уплотнения ПГС и уточнена физическая модель, в которой показана важнейшая роль положительного влияния динамической составляющей воздушного потока:
- мгновенное уплотнение верхнего элементарного слоя смеси и создание турбулентности потока, препятствующих фильтрации воздуха в смесь;
- изменение реологических свойств и структуры ФС за счет создания и прохождения звуковой волны;
- переход динамической составляющей в статическую в момент потери вязкости смесью, способствующей снижению энергозатрат на уплотнение и мгновенному увеличению сил инерции, напряжений и плотности смеси;
Экспериментально получены параметры импульсного уплотнения смеси при сетевом давлении сжатого воздуха, подтверждающие решающую роль градиента давления на возможности импульсной формовки. В частности, при градиенте давления dp/dt = 285 МПа/с напряжения в смеси достигают тсж = 1,5+1,6 МПа, а минимальная высота уплотняемого столба смеси - около 50 мм.
Получены новые экспериментальные закономерности влияния режимов импульсного уплотнения, параметров оснастки и свойств ФС на уплотнение сложных элементов формы.
Уточнена математическая модель уплотнения ФС: в общую систему введено уравнение движения волнового колебательного процесса, учитывающее динамическую составляющую воздушного потока, и уравнение напряженно — деформированного состояния a(s) с коэффициентами вязкости и упругости. Коэффициенты вязкого сопротивления и упругого восстановления, входящие в уравнение движения, получены из экспериментов от плотности смеси и габаритов оснастки.
4. Получено и подтверждено экспериментально основное уравнение уплотнения ФС воздушным потоком, отличающееся тем, что оно учитывает как силы межфазного трения стационарного потока, так и силы динамической составляющей турбулентных потоков.
Экспериментально установлены новые закономерности влияния площади вент и их расположения в зависимости от сложности модели.
5. Установлен и обобщен комплекс закономерностей при изготовлении сложных ребристых отливок в формах из ХТС. Теоретически и экспериментально установлена и практикой подтверждена определяющая роль в механизме происходящих процессов и образовании дефектов отливок: плотности тонких элементов формы, свойств смеси, состава и метода нанесения противопригарного покрытия, параметров вентиляционных систем, типа литнико- во-питающих систем и режимов заливки.
Экспериментально установлены рациональные параметры процессов, обеспечивающие получение высококачественных отливок с заданной надежностью технологии. Для определения режимов уплотнения ХТС по оснастке с глубокими и узкими пространствами применена предложенная и подтвержденная практикой теоретическая зависимость параметров виброуплотнения.
6. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены особенности и область рационального применения различных методов изготовления форм и отливок в зависимости от геометрии оребрения, массы и серийности производства.
На защиту выносятся:
- результаты исследований закономерностей, уточняющие параметры форм для производства высококачественных отливок со сложной ребристой поверхностью, и новые способы формообразования;
- разработанные конструктивно-технологические решения и методика, позволяющие усовершенствовать метод ППр, получать необходимую плотность форм и высококачественные отливки с заданной надежностью технологии;
- результаты экспериментальных исследований и технология изготовления особо сложных отливок в многосекторные безопочные формы из ХТС;
- уточнение математической модели уплотнения ФС ИНД, учитывающее уравнение движения колебательного процесса смеси с коэффициентами вязкого сопротивления и упругого восстановления, зависящими от плотности смеси и габаритов оснастки;
- основное уравнение уплотнения ФС воздушным потоком, учитывающее упруго-вязкие свойства уплотняемой смеси и силы межфазного трения;
- результаты экспериментально - теоретических исследований процесса уплотнения форм импульсными методами в зависимости от режимов уплотнения, свойств смеси и параметров оснастки со сложной ребристой поверхностью;
Практическая значимость результатов работы.
1. Установлен, обобщен и систематизирован характер особенностей технологии изготовления высококачественных сложно-профильных отливок с заданной степенью надежности процесса. Разработаны рекомендации выбора рациональных методов изготовления форм и отливок в зависимости от геометрии оребрения, массы и серийности производства.
Разработаны методики, графические зависимости и номограммы, позволяющие определять рациональные конструктивно - технологические параметры процессов получения сложно-профильных отливок широкой номенклатуры, обеспечивающие высокое качество изделий и значительное снижение энергопотребления.
2. Предложено направление методологии экспериментальных и опытно - промышленных исследований системы «оснастка - форма - отливка», основанное на применении оснастки с изменяющимся оребрением, диаграмм сравнительного анализа главных факторов и параметров процессов и при чинно-следственных диаграмм, позволяющее многократно сократить количество экспериментов, повысить их надежность и достоверность.
3. Созданы условия для производства высокоэффективного конкурентоспособного оборудования, позволяющего значительно снизить потребление энергии.
Реализация теоретических и практических результатов работы.
Основными практическими результатами являются разработанный и внедренный в производство комплекс технологий изготовления высококачественных сложно-профильных ребристых отливок, соответствующих лучшим мировым образцам, а именно:
- внедрены усовершенствованные конструкции отливок с горизонтально - вертикальным и особо сложным оребрением для производства электрических машин улучшенных характеристик;
- разработан, оптимизирован и внедрен состав смесей и покрытий для конкретных способов изготовления отливок;
- усовершенствованы и внедрены технология и оборудование для получения высококачественных форм методом последовательного прессования;
- разработана техническая документация на воздушно-импульсный клапан (на уровне патента), позволяющий получить мощный импульс со временем нагружения 0,002+0,003с. На его базе разработаны и внедрены формовочные машины для изготовления отливок в производстве ЭД;
- решена задача качественного уплотнения форм потоком воздуха с допрессовкой по сложно-профильным моделям с применением единой формовочной смеси с прочностью на сжатие 0,07+0,09 МПа;
- на основе изобретений разработаны принципиально новые конструктивно - технологические схемы изготовления и сборки безопочных форм из ПГС и ХТС для отливок облегченной конструкции. В разработанном формо вочном блоке применено защищенное А.С. устройство управления моделью с вертикальным разъемом и разделительной плитой;
- разработаны и внедрены в производство конструкторско - технологические решения изготовления в многосекторные формы из ХТС особо сложных и крупных сложно-профильных ребристых отливок, не уступающих по качеству лучшим мировым образцам;
Практические достижения отмечены бронзовой медалью ВДНХ СССР (1979 г.), золотой медалью ВВЦ РФ (1998 г.).
ОАО «ELDIN» удостоен Почетного Диплома лучшего Российского экспортера 2004 года в номинации "Лучший экспортер отрасли - машиностроение (энергетическое оборудование)". В значительной степени это стало возможным благодаря новым практическим результатам получения высококачественных отливок.
Разработанные конструкторско-технологические решения и рекомендации используются и могут быть использованы предприятиями как в электромашиностроении и энергетике, так и во многих других отраслях промышленности (ОАО «ВЭМЗ» г. Владимир, ОАО «Сибэлектромотор» г. Томск, АМО ЗиЛ, ОАО «Полимермаш» г. Тамбов, НПО «Карбохим» и др.).
Личный вклад автора.
Работа является результатом многолетних исследований автора, проведенных на ОАО «ELDIN» и«МГИУ».
В представленной работе обобщены результаты теоретических, экспериментальных, расчётных, опытно-конструкторских работ, выполненных автором самостоятельно, а также под его научно-техническим руководством сотрудниками ОГМет, ОГК и ЭМО Ярославского электромашиностроительного завода ОАО «ELDIN», и кафедрой «Литейное производство» Московского государственного индустриального университета «МГИУ».
При этом автору принадлежат: постановка проблемы в целом и задач НИР и ОКР; разработка основных идей и направлений проведения НИР и ОКР по модернизации действующих и созданию новых технологий; непосредственное руководство и личное участие в выполнении всех исследовательских работ, принятии решений по результатам НИР и ОКР, внедрении новых и модернизированных технологий в действующее производство.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на: VI съезде литейщиков России (2003г.); научно-технических конференциях в городах: Москве (1990, 2005 г.г.), Рыбинске (1990, 2002 г.г.), Ленинграде (1988, 1990, 1991 г.г.), Чебоксарах (1990 г.), Магнитогорске (1988, 1989 г.г.), Челябинске (1988 г.), Одессе (1990 г.), Красноярске (1990 г.), Санкт-Петербурге (2001 г.).
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 48 работ, получено 7 авторских свидетельств на изобретение и полезную модель и патентов, 3 положительных решения на изобретение, находятся на рассмотрении 5 заявлений на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 210 наименований, содержит 331 страницу машинописного текста, включая 132 рисунка, 12 таблиц, и приложения.
Анализ развития научных основ формообразования с применением импульсных методов
В последние десятилетия все большее место среди процессов уплотнения форм занимают пневмоимпульсный низкого давления (ИНД) и так называемый процесс уплотнения потоком воздуха (УПВ) с допрессовкой (Seiatsu-процесс). По сравнению с широко распространенным встряхивающе-прессовым методом пневмоимпульсное уплотнение (ИНД) и процесс УПВ обеспечивают получение чрезвычайно сложных форм, повышение размерной точности отливок, позволяют существенно снизить припуски на механическую обработку, снизить трудоемкость очистных работ и улучшить условия труда.
Суть импульсного формообразования заключается в воздействии вытекающего из ресивера высокоскоростного газового, в частности, воздушного потока непосредственно на уплотняемую смесь.
В настоящее время можно выделить следующие основные группы импульсных способов: 1. По исходному давлению воздуха: - высокого давления —р 2,0 МПа; - среднего -р = 0,7+2,0 МПа; - низкого давления —р = 0,3+0,7 МПа;
2. По уплотняющему воздействию: - ударно-прессовый - dp/dt 100 МПа/с; - ударно-фильтрационный dp/dt = 20+100 МПа/с; - потоком воздуха - продувка при исходном давлении воздуха 0,6 МПа и низком градиенте давления dp/dt 20 МПа/с (с допрессовкой - метод Seiatsu).
3. По источнику энергии: - сжатым воздухом; - сжигаемыми газами (газовзрывной); Сделаем краткий анализ этих способов уплотнения. Уплотнение энергией сжигаемого газа
Газовый импульс образуется в результате сгорания углеводородных газов (метан, пропан и др.) в рабочей камере формовочной машины над свободной поверхностью смеси, находящейся в опоке. Развиваемое при этом давление в рабочей камере достигает теоретически 0,72 МПа [58]. Реально удается достичь лишь 0,3+0,5 МПа из-за тепловых и прочих потерь, а также затрат энергии на уплотнение смеси [58, 59]. Эффективная технологически необходимая плотность достигается при этом способе только в том случае, если градиент давления dp/dt достигает значений 30 МПа/с и более, а время сгорания газовоздушной смеси 0,02 с и менее [60].
Для достижения этой цели фирма «Георг Фишер» предложила [61] использовать в камере сгорания вентилятор и дефлектор. Вентилятор не только активно перемешивает горючий газ с воздухом, но и создает турбулентность потоков в смеси, повышает их скорость (до 50 м/с) и градиент давления, что в конечном итоге существенно повышает эффективность процесса уплотнения смеси. С другой стороны, применение ЭД постоянного тока в приводной системе вентилятора позволяет изменять процесс горения и давление в камере сгорания в нужных пределах в зависимости от свойств смеси, геометрии и размеров оснастки. Создаваемая в рабочей камере волна давления, проходя через слой формовочной смеси, разрушает вязкие связи между частицами смеси и под действием кинетической энергии приводит смесь в движение в направлении вент, где смесь тормозится об оснастку и уплотняется.
Для интенсификации горения газовоздушной смеси используют следующие способы [59-65]: повышают мощность источника зажигания; воздействуют высокочастотными (звуковыми) колебаниями на объем газовоздушной смеси, находящейся в рабочей камере; применяют кислород, форка-мерное зажигание и турбулизаторы потока смеси;
Промышленностью газоимпульсный (ГИ) способ освоен в 1980г. [59]. Фирма «Георг Фишер» в течение 10 лет (до 1990г.) выполнила более 50 заказов на поставку машин и линий ГИ формовки во многие страны. Затем они стали вытесняться воздушно-импульсными формовочными машинами и линиями.
В итоге ГИ («газовзрывной») способ в конкурентной борьбе уступил воздушно-импульсному. Основной недостаток, как считают многие специа листы, ГИ процесса - взрывоопасность и пожароопасность. Опыт эксплуатации ГИ установок и наши исследования [59, 66] показали, что этим процессом можно уплотнять литейные формы высокой сложности. Экспериментальные исследования по ГИ уплотнению, проведенные автором диссертации совместно с МГИУ, доказал возможность качественного уплотнения форм корпусов ЭД [66].
В заключение отметим, что во всех исследованиях или в большинстве по ГИ процессу не учитывались реологические свойства смеси, в частности, вязкое трение и упругие свойства смеси (жесткость).
Установление общих закономерностей и особенностей параметров форм для отливок со сложной ребристой поверхностью с применением предложенной методологии исследований
Анализ конструктивных исполнений станин и способов изготовления форм и отливок существует множество. Но каждая конструкция и способ имеют свои преимущества и недостатки, но в определенных случаях являются наиболее рациональными [117].
Из таблицы 2.1 и рис. 2.2 видно, что количество ребер по наружному контуру достигает 78. При изготовлении отливок в двух полуформах с традиционной (перпендикулярно оси вращения) линией разъема, количество тонких МБ в форме удваивается. На отечественных автоматических линиях при дефекте одной полуформы в большинстве случаев бракуется и вторая. В собранном виде такая бракованная форма проходит по линии полный цикл, многократно умножая непроизводительные затраты.
Степень уплотнения всей формы и ее участков обычно оценивают средней плотностью формы или плотностью смеси данного участка.
Кроме абсолютной плотности, для литейной формы важной характеристикой является способность доуплотняться при ее транспортировке, заливке, охлаждении и усадке металла. Чем больше форма будет доуплотняться, тем меньше будет точность отливки, полученной в этой форме.
Технологически необходимую степень уплотнения характеризуют относительной плотностью литейной формы, представляющей отношение фактической плотности смеси данного состава к максимальной, получаемой при прессовании давлением 10 МПа [118]. Относительная плотность должна составлять 80+85 %. Получила широкое распространение оценка степени уплотнения формы по твердости.
Качество уплотнения и выбор рациональных режимов уплотнения песчаных форм отливок станин ЭД обычно производят по критерию достижения технологически необходимой степени уплотнения смеси в межреберном пространстве, как наиболее трудноуплотняемом и наиболее подверженном разрушению при заливке месте. Технологически необходимая степень уплотнения форм отливок станин ЭД выбирается по критериям обеспечения требуемых точности размеров и массы отливок, качества их поверхности. Практика показывает, что при этом обеспечивается необходимая степень уплотнения центрального болвана и всей формы.
Согласно исследованиям авторов [118, 119], для получения отливок станин ЭД с необходимой точностью по размерам и массе твердость форм из песчано - бентонитовых смесей в межреберном пространстве должна составлять 70+75 ед. по твердомеру 071, что соответствует плотности 1450+1500 кг/м3. Для обеспечения заданного уровня шероховатости поверхности отливок станин ЭД с в.о.в. 160+250 мм рекомендуемые значения плотности МБ составляют 1500+1570 кг/м3 [120].
В работе [121] была построена составная сетчатая номограмма, позволяющая, по мнению авторов, осуществлять выбор рациональных технологических параметров в зависимости от вида и геометрических характеристик межреберного пространства, коэффициента внешнего трения, давления прессования и начальной плотности смеси. По мнению авторов [121], она охватывает практически все встречающиеся случаи и является универсальной. В качестве выходного параметра номограммы была принята твердость Т по твердомеру 071 в наиболее трудноуплотняемом месте - на дне кармана.
Однако для изготовления отливок станин данная номограмма может применяться весьма приближенно, т.к. требует множества уточнений по следующим причинам:
- отдельно взятый карман (межреберное пространство) является частным случаем фасонной отливки, но не типопредставителем станины. Процесс и параметры уплотнения смеси в отдельном кармане значительно отличаются от одновременного уплотнения смеси во множестве смежных карманов; - плотность МБ существенно зависит как от геометрии оребрения, так и способа уплотнения;
- на плотность (твердость) МБ влияет также внутреннее трение в смеси, которое в свою очередь зависит от ее влажности и прочности;
Приведенные в работах [118-120] данные с отмеченными замечаниями используются в данной работе в качестве априорной информации при выборе критериев качества литейных форм для отливок станин ЭД.
Анализ работ показывает, что в них недостаточно четко просматривается влияние многочисленных параметров формы, их взаимосвязь с геометрией отливки и свойствами жидкого металла. Решение всех технических и технологических вопросов должно отражать надежность процесса, т.е. уровень брака форм и отливок при высоком, конкурентоспособном качестве и минимальной цене.
Как уже отмечалось, наличие в станине свыше 40 или 60-ти тонких ребер (или свыше 120 тонких межреберных болванов в двух полуформах), предъявляет высокие требования к методам оценки качества формы и факторов, влияющих на качество формы, отливки и надежность технологии.
Например, если установлены закономерности процесса изготовления отливки с одним или двумя сложными карманами и отработана технология с высокой степенью надежности, т.е. с уровнем брака форм и отливок по 1 %, то при изготовлении отливки с 60-ю карманами вероятность брака возрастает многократно и параметры процесса, отработанного на предыдущей отливке, в этом случае окажутся непригодными.
Развитие представлений о физической модели процесса уплотнения форм методом ГШр и экспериментальные исследования закономерностей
При проведении опытно-промышленных исследований применялись элементы методики, изложенные в главе 2.2.
Для измерения и регистрации параметров процесса применялась контрольно - измерительная система, описанная в главе 4.1.6.1, а также приборы ЦЗЛ и земельной лаборатории литейного цеха.
Анализ процессов ППр, осуществляемых формовочными машинами мод. ЗЛ 22914 и мод. 1137, и их практическое применение показали следующее: по принципу ППр, заложенному в основу машин, эти процессы не отличаются. Однако они отличаются конструктивным исполнением, имеют свои преимущества, недостатки и возможности совершенствования.
Предложена физическая модель уплотнения форм из ПГС методом ППр для сложных ребристых отливок, которая отличается тем, что высококачественное и надежное доуплотнение смеси в узких межреберных пространствах (МП) осуществляется особым режимом движения модели со смесью при объемном уплотнении протяжной и прессовой плитами.
Рассмотрим основные факторы и зависимости, сопутствующие всему процессу изготовления полуформы, и направления их рационализации.
В исходном положении модель 3 находится на номинальной высоте Им. Производится заполнение оснастки смесью (рис. 3.5).
Экспериментально исследовано влияние плотности смеси в МП после засыпки (Зн) на качество уплотнения, уровень брака форм и отливок. Установлено, что для обеспечения необходимой плотности (S =1510 кг/м3) и, соответственно, форм высокого качества, уровня брака форм и отливок не более 7+8 %, начальная плотность смеси дн в МП оснастки должна быть не менее 900 кг/м3 [193].
1а Рис. 3.5. Исходное положение модели и гравитационное заполнение оснастки смесью; 1- распределитель смеси; 1а - дозатор смеси; 16 — распределитель смеси; 2 - опока с наполнительной рамкой; 3 - модель; 4 - протяжная плита; 5 - модельная плита;
На рис. 3.6 показано влияние начальной плотности смеси (дн) на плотность МБ (дмб) (кривая 1) и уровень брака форм и отливок при уплотнении методом ППр (2). Видно, что при дн 900 кг/м3 уровень брака форм и отливок превышает установленные показатели. Экспериментальная зависимость совпадает с расчетной. 1,1 SH, г/см Рис. 3.6. Влияние начальной плотности смеси (дн) на плотность МБ (d)(1) и уровень брака форм и отливок (2) при уплотнении методом ППр; Поскольку размеры комочков смеси соизмеримы с размерами межреберного пространства, экспериментально подтверждена необходимость рыхления смеси перед засыпкой, после которого насыпная плотность составляет до 750 кг/м3. Для получения необходимой начальной плотности (дн 900 кг/м3) экспериментально исследованы различные методы заполнения оснастки смесью и установлены зависимости начальной плотности смеси в узких МП (дн) от плотности смеси по объему опоки {дно) для каждого способа заполнения опоки смесью и определенной геометрии оснастки. Соотношения плотностей дн/дно находятся в пределах от 0,75 до 0,91.
Наилучшие результаты получены при гравитационной засыпке смеси с высоты 1,9 м. Получено максимальное соотношение дн/дно = 0,91, которое обеспечило начальную плотность смеси в МП (дн 900 кг/м3) и среднюю плотность смеси по объему опоки (дно 980 кг/м3).
Результаты экспериментальных исследований различных способов заполнения оснастки смесью изложены в данной главе ниже.
В соответствие с необходимыми и достигнутыми результатами начальной плотности смеси в оснастке и окончательной плотности формы расчетным путем установлена и высота наполнительной рамки (Ннр). Методика расчета изложена ниже.
Для дальнейшего увеличения плотности смеси по всему объему опоки и в МП модели, создания условий для последующего движения модели (внедрения в смесь) производится предварительное прессование смеси профильной прессовой плитой 1 (рис. 3.7).
Величина (ход) предварительного прессования, плотность и напряжения в смеси а по объему опоки и в МП определяются расчетным путем.
Средняя плотность смеси в модельно-опочной оснастке (когда выбран зазор между смесью и профильной прессовой плитой) при этом будет равна: доі = дно V1/V2 ; где: VmV2 — объем смеси в модельно-опочной оснастке до и после предварительного прессования;
Плотность смеси в МП (Si) будет равна: 8l =к- Sol; где: 7 : = Si/So і = 0,8+0,9 - коэффициент, учитывающий способность смеси заполнять МП модели. Зависит от свойств смеси, геометрии и материала оснастки, способа уплотнения, свойств разделительного антифрикционного покрытия.
Предварительное прессование смеси профильной прессовой плитой 1;
Расчетные и практические результаты показывают, что рациональным является предварительное прессование до средней плотности смеси в МП Si 1,2- дн, при которой достигаются необходимые напряжения смеси для дальнейшего уплотнения ППр с применением внешнего трения.
Далее производится выдвижение модели 3 (внедрение в смесь) на определенную величину А от номинального размера модели Нм. Это положение указано на рис. 3.8.
При внедрении модели происходит заполнение увеличивающегося по высоте межреберного пространства предварительно уплотненной до Si смесью. Ее плотность будет зависеть от исходной плотности Si, коэффициента трения смеси о стенки модели {rj), от силы нормального давления N на стенки модели и силы сдвига F "d.
Внедрение модели в предварительно уплотненную смесь;
Чтобы не произошло снижения плотности смеси в МП при внедрении модели, необходимо выполнить следующее условие: рлюд pai рМП + рторц.МП . (3.1) где: F;MOd - сила внешнего трения (сдвига) на боковую поверхность модели; Frc" - сила сдвигового сцепления столба смеси, находящегося в МП; рм" _ сила тяжести смеси, находящейся в МП; рторц.мп _ сила НОрМального давления на торце МП;
Величина внедрения А - важный параметр, влияющий на стабильность длины отливок, равномерность плотности и разрывы МБ, плотность формы над горизонтальными поверхностями, расположенными между ребрами моделей, качество поверхности отливок. От нее зависит величина объема сме 101 си в МП, которая в дальнейшем будет уплотнена с применением сил внешнего трения.
Экспериментально и расчетным путем установлено, что величина внедрения (А = 30+35 % от Нм) является рациональной (рис. 3.9). Например, при высоте опоки 350 мм для моделей длиной 200+240 мм величина внедрения модели (А) должна быть в пределах 70+80 мм. Этого достаточно, чтобы при дальнейших движениях оснастки обеспечить четкий отпечаток по контуру модели на ладе полуформы и, с учетом встречного движения модели, получить необходимую плотность МБ по всей высоте {8мб = 1,51+1,52 г/см3), гарантировать стабильную длину отливок.
Этот вывод подтвержден результатами статистического анализа качества форм и отливок в процессе экспериментов и промышленной эксплуатации линии ППр.
Развитие научных представлений о физической модели воздушно-импульсного уплотнения формовочной смеси
На всех стадиях уплотнения ФС испытывает действие сил внешнего трения с оснасткой и внутренних упруго-вязких, т.е. сжатия, растяжения и сдвига.
Внешняя сила представляет собой идеальный источник деформации в виде основного мощного гидравлического пресса, для которого сопротивление уплотнению объема смеси не оказывает существенного противодействия деформированию смеси.
С целью получения более качественных (относительных), а в отдельных случаях количественных (плотность, твердость) параметров, предложено разбить весь уплотняемый объем смеси по горизонтали (по высоте) на четыре зоны: над моделью - 1-я зона, на уровне верхней части модели — 2-я, средняя часть модели -3-я и нижняя часть модели - 4-я, а по горизонтали на три зоны: зона по внутреннему диаметру модели — 1в, зона оребрения модели -2в и зона от модели до опоки - Зв (рис. 3.15).
Под действием силы инерции, силы собственной тяжести и изменяющихся по величине и направлению внешних сил и сил внешнего трения, смесь уплотняется неравномерно по высоте слоя, а в отдельных случаях и по горизонтали. При этом реомеханические модели каждого слоя на рассматриваемом этапе уплотнения могут быть заменены моделью с усредненной
Поскольку модельная оснастка имеет относительно небольшую горизонтальную площадь, то рост плотности происходит в основном за счет столбового сжатия при незначительном боковом перетекании смеси. Принимается, что рост массы и плотности каждого слоя изменяется не одинаково за счет изменения направления и величины силы внешнего трения смеси о стенки модели, а также за счет различного влияния сил торцевого трения и силы тяжести.
В моделях уплотнения практически во всех способах основным уравнением является уравнение движения. Способ уплотнения ППр не является исключением. Массовые силы при уплотнении ППр (силы инерции ФС и сила тяжести) не велики и на конечный результат они влияют не существенно.
Важнейшую роль на процесс уплотнения оказывает фактор внешнего трения модели и упруго-вязкие свойства ФС при ее уплотнении. Если принимать положение о том, что ППр - процесс статический, то в этом случае во всех расчетах значения коэффициентов внешнего и внутреннего трения должны быть для состояния покоя, а не движения. Известно, что даже при незначительных скоростях движения (вибрации) протяжка модели намного облегчается. В этом случае силы адгезии и когезии существенно снижаются, равно как и проявление тиксотропных свойств.
В уравнении движения при ППр можно с определенной погрешностью сделать допущение, что сила инерции смеси и сила тяжести, как несущественно влияющие на конечную плотность, в отдельных случаях равны нулю. Но все другие параметры (коэффициенты трения, бокового давления, упругости, вязкости) принимать с позиции динамики процесса.
В приведенных неравенствах принято, что в силу низких скоростей прессования массовые силы Ма1х и Maig равны нулю. Начальные условия: при t = 0 давление прессования р и скорость прессования протяжной и прессовой плитами и, равны нулю. При tx = t начальная скорость и, =0,008-н0,015л//с, а скорость движения модели о2 = (0,85-ь0,9)ц (установлено экспериментально). На каждой последующей позиции уплотнения скорость движения протяжной и прессовой плит остаются постоянными и равны: у, = 0,008- 0,015м/с, и2 = (0,854-0,9) . При их совместном движении принимается, что их скорости остаются неизменными, а их общая скорость их равна сумме ц и и2.
Условия действия сил на границах уплотняемой области на каждой позиции задаются исходя из усилия основного прессового механизма и значений ПРИНЯТЫХ КОЭффиЦИеНТОВ ВНеШНеГО ТреНИЯ Цен = 0,04 ДЛЯ СТаЛИ И Цен = 0,03 для бронзы.
