автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии изготовления полимерной оснастки для единичного и мелкосерийного производства отливок по газифицируемым моделям

На правах рукописи

Сухоруков Денис Владимирович

Исследование и разработка технологии изготовления полимерной оснастки для единичного и мелкосерийного производства отливок по газифицируемым моделям

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2012

005042651

005042651

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Литейные процессы и конструкционные материалы» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Кечин Владимир Андреевич

Официальные оппоненты:

Зам. Генерального директора ОАО «НИИЛИТМАШ»

Вед. инженер

ООО «УРАЛХИМПЛАСТ-КАВЕНАГИ» Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Дибров Иван Андреевич

кандидат технических наук Петруннн Алексей Валерьевич

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Россия, 454080, Челябинск, проспект им. В.И. Ленина, 76

Защита состоится «20» марта 2012 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.03 в ФГБОУ «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н. Г. Столетовых» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд.335, корпус 1.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ФГБОУ ВлГУ, диссертационный совет Д 212.025.03, тел./факс: 8(4922)331391, e-mail: lpikrn@vlsu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Автореферат разослан « 20 » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.025.03

кандидат технических наук, доцент J/г/ Панфилов A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Повышение эффективности литейного производства, снижение трудоёмкости и материальных затрат при изготовлении отливок в условиях всевозрастающих требований к качеству литья является важной научно-технической задачей. В связи с этим, возрастает интерес к использованию прогрессивных методов получения отливок.

Одной из перспективных и наиболее активно развивающихся в настоящее время в России является технология литья по газифицируемым моделям. Она успешно применяется для изготовления отливок любой категории сложности из всех типов сплавов в неразъемные разовые песчаные формы и поэтому является наиболее экономичной. Причем, максимальный эффект от ее применения достигается при изготовлении отливок со сложной разветвленной поверхностью, многочисленными глубокими поднутрениями и обратными уклонами при отсутствии явно выраженной поверхности разъёма. Однако, применение указанной технологии в единичном и мелкосерийном производстве отливок производственно-технического и культурно-бытового назначения существенно ограничено в связи с высокой трудоёмкостью и, следовательно, высокой стоимостью изготовления оснастки. Указанное обстоятельство сужает область применения данной технологии и, кроме того, затрудняет процесс подготовки производства при освоении новых конструкций отливок.

Перспективным направлением в расширении объёмов применения литья по газифицируемым моделям в условиях единичного и мелкосерийного производства отливок является внедрение новых прогрессивных технологий изготовления оснастки из полимерных композиционных материалов с заданными теплофизическими характеристиками. Решение проблемы по замене материала оснастки с металлического на полимерный композиционный позволит значительно ускорить и удешевить процесс, а следовательно, повысить эффективность метода литья по газифицируемым моделям в условиях единичного и мелкосерийного производства отливок.

В связи с этим, актуальной проблемой на сегодняшний день является создание эффективных технологий изготовления оснастки на основе новых полимерных композиционных материалов для производства газифицируемых моделей.

Цель работы заключается в повышении эффективности технологии литья по газифицируемым моделям в условиях единичного и мелкосерийного производства отливок за счет использования оснастки из новых полимерных композиционных материалов с заданными теплофизическими свойствами.

Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Установить требования к материалу оснастки для получения газифицируемых моделей в условиях единичного и мелкосерийного производства отливок.

2. Разработать полимерный композиционный материал с заданными теплофизическими свойствами для изготовления оснастки и разработать технологию её изготовления.

3. Установить технологические параметры процесса изготовления качественных газифицируемых моделей с использованием оснастки из полимерного композиционного материала.

4. Выявить закономерности изменения теплофизических, технологических и механических свойств полимерных композиционных материалов в зависимости от содержания различных наполнителей.

5. Провести опытно-промышленные испытания нового полимерного композиционного материала для изготовления оснастки и дать качественную оценку эффективности её использования при получении отливок методом литья по газифицируемым моделям.

Научная новизна работы.

1. Выявлены закономерности изменения качества получаемых газифицируемых моделей от теплофизических характеристик материала оснастки. Установлены значения основных теплофизических характеристик материала оснастки для получения качественных моделей: теплоёмкость < 1200 Дж/(кг°С); теплопроводность >0,21 Вт/(м °С); температуропроводность >8,4 10"8м2/с, и теплоаккумулирующая способность > 697 Вт с0 5/(м2 °С).

2. Разработан новый полимерный композиционный материал на базе полиуретанового компаунда, с добавками алюминия (железа) в количестве 37-48 (34-41) % масс, соответственно, обеспечивающий получение газифицируемых моделей высокого качества.

3. Получены математические модели, описывающие зависимость качества газифицируемых моделей от содержания наполнителя в

полимерном композиционном материале и технологических параметров процесса.

Практическая значимость работы.

1. Разработана технология изготовления оснастки для получения газифицируемых моделей. (Патент № 2379151 от 16.05.2007)

2. Разработана методика определения теплофизических свойств полимерных композиционных материалов.

3. Разработан экспресс метод качественной оценки состояния поверхности газифицируемых моделей.

4. Установлены оптимальные значения давления пара при изготовлен™ газифицируемых моделей методом внутреннего теплового удара в оснастке из полимерного композиционного материала на основе полиуретанового компаунда, с добавками алюминия (железа) в количестве 37-48 (34-41) % масс соответственно.

Личный вклад автора состоит в постановке задач и разработке методик исследований, проведении экспериментов, в том числе по определению теплофизических, технологических и эксплуатационных свойств полимерных композиционных материалов, построении математических моделей, описывающих влияние технологических параметров и состава материала оснастки на качество получаемых газифицируемых моделей, в обработке и анализе полученных результатов, формулировании выводов.

Положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту.

1. Состав нового полимерного композиционного материала и технология изготовления оснастки на его основе.

2. Закономерности влияния теплофизических характеристик материала оснастки на качество газифицируемых моделей.

3. Математические модели, описывающие влияние технологических параметров и состава полимерного композиционного материала на качество газифицируемых моделей.

4. Методика определения теплоёмкости и коэффициента теплоаккумулирующей способности полимерного композиционного материала, основанная на обработке экспериментальных данных температурных полей.

Апробация работы.

Основные положения настоящей работы доложены и обсуждены на всероссийской НТК «Новые материалы и технологии», г. Москва, 2006; на III международной научно-практической конференции «Информационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения «ИТМ-2008», г. Казань, 2008; на V международной научно-технической конференция «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надёжность машин, приборов и оборудования», г. Вологда, 2009; на V международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», г. Москва, 2009; на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука — региону», г. Вологда, 2010; на ежегодных научно-технических конференциях ВлГУ, г. Владимир.

Публикации. По теме диссертации получен патент РФ и опубликовано 10 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях, из них 4 научных статьи, в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников. Изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц, 48 рисунков. Библиографический список содержит 82 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, приведены основные положения и результаты, вынесенные на защиту.

В первой главе представлен обзор литературных источников и патентной информации в области литья по газифицируемым моделям.

В частности, рассмотрены состояние, проблемы, направления развития и применения метода литья по газифицируемым моделям. Представлены теоретические основы изготовления газифицируемых моделей, а также основные характеристики материалов для их получения. Особое внимание уделено анализу условий и технологических факторов получения моделей и связанного с этим качества отливок. Дана характеристика существующих материалов, способов изготовления оснастки и представлены особенности ее конструирования. Выявлено, что перспективным направлением для единичного и мелкосерийного производства газифицируемых моделей является использование взамен

металлической оснастки - пластмассовой (полимерной), которая менее трудоемка и экономична в изготовлении, обладает достаточной прочностью и теплостойкостью, меньшей плотностью, однако, имеет низкие теплофизические и эксплуатационные свойства, и в связи с этим, требует дополнительных исследований.

В результате выполненного анализа литературных данных обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором главе представлены исследования по разработке материалов и технологии изготовления оснастки на их основе для получения газифицируемых моделей, в частности выделены основные требования к материалу оснастки, на основании которых разработан новый полимерный композиционный материал.

Проведен подробный анализ применяемых в различных отраслях техники полимерных материалов и даны их основные характеристики. Установлено, что из большого разнообразия полимеров наиболее пригодными для изготовления оснастки являются литые двухкомпонентные полиуретаны. В частности, в качестве основы композиционного материала предложено использовать полиуретановый компаунд АДВ 13-2, который полимеризуется при комнатной температуре, обладает высокой текучестью и подвижностью при литье, что позволяет использовать широкую номенклатуру материалов для изготовления мастер-моделей; обладает достаточной прочностью, термостойкостью и низким водопоглощением. Однако, не смотря на все названные положительны качества, выбранный материал, впрочем, как и другие существующие полимеры, не обладает требуемыми теплофизическими характеристиками.

В состав пластмасс, кроме полимеров, входят наполнители, отвердители, красители, стабилизаторы, пластификаторы, а так же специальные добавки, обеспечивающие получение требуемого комплекса свойств. Рассмотрены существующие способы изменения свойств полимерных материалов. Установлено, что для варьирования их теплофизических и эксплуатационных характеристик наиболее эффективен метод введения наполнителей, обладающих требуемым набором свойств. В качестве наполнителей были выбраны следующие промышленно производимые материалы: порошок медный электролитический ПМС-1 ГОСТ 4960-2009; пудра алюминиевая ПАП-1 ГОСТ 5494-95; пудра алюминиевая комкованная АПС-2 ГОСТ 10096-92;

железо карбонильное радиотехническое Р-10 ГОСТ 13610-84; дробь стальная литая техническая ДСЛ 08 ГОСТ 11964-89; графит ГСМ-1 ГОСТ 17022-81.

Таким образом, применение нового полимерного композиционного материала должно обеспечивать, при сочетании положительных свойств основы - полимера и материала наполнителя, ряд преимуществ: снижение массы оснастки, трудоемкости ее изготовления и обработки в сравнении с металлической; оптимальные теплофизические и эксплуатационные свойства.

В данной главе также представлена технология изготовления оснастки методом гравитационной заливки из полимерных композиционных материалов, отверждающихся с помощью химической реакции, включающая подготовку исходного полимера; внесение и замешивание добавок; получение мастер-модели; матрицы и обечайки с надувным и отводными каналами.

В третьей главе представлены результаты исследований основных характеристик полимерного композиционного материала для изготовления оснастки. Приведены методики экспериментальных исследований, определены основные теплофизические характеристики полимерного композиционного материала. Исследовано влияние свойств полимерных композиционных материалов на качество моделей, дан анализ достоверности полученных результатов. Разработана математическая модель, описывающая зависимость качества газифицируемых моделей от технологических параметров процесса и состава материала оснастки.

По аналогии с методикой определения теплофизических свойств формовочных смесей, разработанной Анисовичем Н.И. и Вейником А.И., разработана оригинальная методика и создана экспериментальная ячейка для исследования основных теплофизических свойств полимерных материалов (рис.1). Теплоёмкость и коэффициент теплоаккумулирующей способности определяли на основе анализа температурных полей исследуемого образца (рис.2.) при передаче ему тепла от нагретого слитка с известными свойствами в замкнутом теплонепроводящем контуре по формулам:

V/j+i

где Ьо6р - коэффициент теплоаккумулирующей способности образца,

Вт с0,5/(м2 оС); соСф - теплоёмкость образца, Дж/(кг °С); Я - половина толщины стенки нагревателя, м; qKp - удельная эффективная теплота, переданная нагревателем, Дж/кг; Д1 - избыточная температура, отсчитываемая от начальной температуры образца, °С; п - показатель степени параболы (рис. 2), п=8|/82; т - время до прогрева образца на глубину X (м), с.

Значения М, Эь 82, т определяли при построении графиков

Рис. 1. Экспериментальная ячейка для Рис.2. Температурное поле образца из

определения теплофизических свойств. полиуретана с добавлением 54,5 % масс

ПАП-1 ГОСТ 5494-95

В результате проведенных исследований установлены теплофизические свойства полиуретана, а также полиуретана с наполнителями в виде добавок материалов на основе меди, железа, алюминия, углерода. Выявлена возможность регулирования теплофизических свойств полиуретана посредством введения в него наполнителей с требуемыми характеристиками путём механического замешивания. Установлено, что введение добавок графита ГСМ-1, пудры алюминиевой ПАП-1, стальной дроби ДСП 08, железа карбонильного Р-10 в полиуретан повышают его теплопроводность в 1,2-1,5 раза и снижают теплоёмкость в 1,2-3,5 раза. При этом, добавки ПМС-1 не дают заметного эффекта.

Проведены исследования влияния материала оснастки на качество получаемых моделей. Испытания проводили с использованием специально разработанной формы (рис.3), портативного парогенератора, а также набора образцов из полиуретана и полиуретана с наполнителем в виде добавок порошков на основе меди, железа, алюминия, углерода.

С целью получения сравнительных данных и обеспечения

возможности математической обработки полученных результатов, разработан экспресс метод качественной оценки состояния поверхности моделей из пенополистирола, заключающаяся в определении коэффициента качества: K=Smo4/So6ui, где So6,„ - общая площадь исследуемой поверхности образца, мм2 ; Smo4 - суммарная площадь «точной поверхности», то есть поверхности, точно повторяющей формообразующую поверхность оснастки, мм2: Smo4 = So6ui - Sy,,,,, где Sy,u -суммарная площадь углублений в проекции на исследуемую поверхность, мм2. Площадь точной поверхности образца и суммарную площадь углублений определяли в среде Adobe Photoshop CS4 и с помощью программы EmbroBox.

Рис.3. Экспериментальная форма, включающая: 1 - формообразующие поверхности из алюминиевого сплава; 2 -вкладыш из полимерного композиционного материала; 3 -инъектор, 4 - болтовое соединение.

На основании установленной корреляции между коэффициентом качества К газифицируемых моделей, полученных в оснастке из полимерных композиционных материалов и её теплофизическими свойствами установлено что оптимальными теплофизическими свойствами обладают полимерные композиционные материалы с добавками железа или алюминия. С другой стороны, для получения качественных моделей (К > 0,9), полимерный композиционный материал должен обладать следующими теплофизическими свойствами: удельная теплоёмкость <1200 Дж/(кг °С); теплопроводность > 0,21Вт/(м °С); температуропроводность > 8,4-10"8 м2/с, и теплоаккумулирующая способность > 697 Втс°'5/(м2оС).

Проведены исследования влияния количества добавок карбонильного железа Р-10 и алюминиевой пудры ПАП-1, а так же технологических параметров изготовления газифицируемых моделей методом внутреннего теплового удара в оснастке из композиционного полимерного материала, на качество получаемых моделей.

По результатам экспериментальных исследований получены математические модели, отражающие связь состава материала оснастки, давления пара и коэффициента качества К газифицируемых моделей.

Полученные поверхности отклика моделей для полимерного композита с добавками карбонильного железа Р-10 и алюминиевой пудры ПАП-1 можно описать уравнениями:

К = -2,08+9,95Р-17,5Р2+8,7511,56-Л'2 , для Р-10 (рис.4), К = -0,008+3,59 Р-6,25■Р2+1,97 -Ы-2,27 -Т^2, для ПАП-Г(рис.5), где К - коэффициент качества; Р - давление пара, МПа; N — количество добавок наполнителей в составе полимера, доли массовые.

Рис 4 Поверхность и контурный график отклика модели для полимерного композита с добавками карбонильного железа Р-10.

«ар» МП*

Рис.5. Поверхность и контурный график отклика модели для полимерного композита с добавками алюминиевой пудры ПАП-1.

Согласно представленным данным, качество газифицируемых моделей, полученных в оснастке из полиуретанового компаунда АДВ 13-2 с добавлением карбонильного железа Р-10 в количестве 34-41 % масс при давлении пара 0,26-0,29 МПа и с добавлением алюминиевой пудры ПАП-1 в количестве 37-48 % масс при давлении пара 0,26-0,32 получилось

практически идентичным. При этом, в результате анализа экспериментальных данных установлено, что коэффициент качества поверхности в полимерной композиционной оснастке с добавлением карбонильного железа Р-10 выше (#=0,95), чем у образцов с добавлением алюминиевой пудры ПАП-1 (К=0,92).

Проведен анализ достоверности полученных результатов и определены доверительные интервалы с использованием коэффициента Стьюдента для надежности оценки измерений 95%.

В четвертой главе представлены методики исследований и результаты испытаний технологических и эксплуатационных свойств разработанных полимерных композиционных материалов на основе двухкомпонентного полиуретанового компаунда АДВ 13-2 с наполнителем в виде карбонильного железа Р-10 в количестве 34-41% масс и алюминиевой пудры ПАП-1 в количестве 37-48% масс.

При определении свойств полимерного композиционного материала использовали как стандартные, так и специально разработанные методики. В частности, для определения таких свойств как твердость и предел прочности на растяжение разработанных материалов были использованы стандартные методики, регламентируемые ГОСТ 4670-91 «Определение твёрдости. Метод вдавливания шарика» и ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Метод испытания на растяжение». Плотность определяли методом гидростатического взвешивания в дистиллированной воде на электронных весах OHAUS ADVENTURER, с точностью измерения до 0,0001 г. Для определения линейной деформации, жидкотекучести, седиментационной устойчивости, а также циклической стойкости материала оснастки были разработаны оригинальные методики.

Результаты исследований физико-механических свойств полимерных композиционных материалов представлены в табл. 1.

Таблица 1 Физико-механические свойства исследуемых материалов

Двухкомпонентный полиуретан АДВ 13-2, с добавками

карбонильное железо марки Р-10 в количестве 34-41 % алюминиевая пудра ПАП-1 в количестве 37-48 % масс

Плотность. кг/м3 Твердость НВ Предел прочности на растяжение, МПа Плотность, кг/м3 Твердость НВ Предел прочности на растяжение, МПа

2050-2150 120-130 52-57 1450-1550 130-140 55-60

Седиментационную устойчивость исследуемых материалов определяли при варьировании времени полимеризации в интервале 5-360

минут на образцах залитых в трубки с внутренним диаметром 20 мм и высотой 150 мм. Структуру полученных сечений образцов исследовали с использованием микроскопа Nikon EPIPHOT 200 при увеличении х200. Обработку фотографий шлифов проводили в среде Adobe Photoshop CS4 и программе EmbroBox. Анализ полученных данных показал практически полное отсутствие процессов седиментации порошковых добавок, с максимальным расхождением значений в ±0,76% от площади микрошлифа.

Текучесть исследуемых материалов определяли в форме из силиконовой резины ГТентаэласт 710 по длине залитой спиральной пробы со следующими назначенными размерами: площадь сечения - 40 мм2, общая дайна 1500 мм. В форму заливали исследуемый полимерный композиционный материал без добавления катализатора, для исключения влияния времени полимеризации на эксперимент.

Установлено, что при увеличении количества добавок карбонильного железа до 40-45% текучесть полимерного композиционного материала на основе полиуретанового компаунда АДВ 13-2 плавно снижается с 250 до 160 мм. При дальнейшем увеличении содержания наполнителя следует резкий спад текучести практически до нуля. Схожий характер текучести наблюдали и для материала на основе полиуретанового компаунда АДВ 13-2, модифицированного добавками алюминиевой пудры ПАП-1 по достижении количества наполнителя 53-55% масс.

Циклическую стойкость оснастки из разработанных материалов (рис.6) определяли методом натурных испытаний. В качестве критерия оценки использовали падение коэффициента качества газифицируемых моделей и повышение шероховатости рабочей поверхности оснастки относительно базовой (Rz = 2,5 мкм) после каждых 10 циклов изготовления моделей. Шероховатость определяли с использованием профилографа Surftest SJ-210.

По результатам исследований, представленных на рис.6, установлено, что стойкость разработанной оснастки, при условии поддержания коэффициента качества моделей К не менее 0,9-0,95, из материала на основе полиуретанового компаунда АДВ 13-2 с металлическими наполнителями составляет:

- 100-220 циклов - с добавками алюминиевой пудры ПАП-1;

- 160-210 циклов - с добавками карбонильного железа Р-10.

Количество изготовленных моделей, шт Количество изготобленных модепеи чип

О 50 ЮО 150 200 250 300 0 50 ЮО 60 200 250 300

Количсстбо изготобпетт моделей, шт Количеств изготобленнш моделей шт

а) б)

Рис.6. Зависимость шероховатости оснастки и коэффициента качества К от количества изготовленных моделей для полимера с добавками: а) карбонильное железо Р-10 34-41% масс ; б) алюминиевая пудра ПАП-1 37-48% масс.

На основании анализа значений плотности, твердости, предела прочности на растяжение исследуемых материалов, полученных в соответствии со стандартными методиками и сравнения их с данными, приведенными в ГОСТ 19505-86 «Модели литейные и ящики стержневые пластмассовые. Технические условия» установлено, что указанные значения входят в границы требований ГОСТ, предусмотренных для типового ряда пластмасс.

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний полимерного композиционного материала на основе полиуретанового компаунда АДВ 13-2 с добавками карбонильного железа марки Р-10 в количестве 40 % масс, при изготовлении оснастки для получения газифицируемых моделей отливки «Кран шаровой 3/4"»(рис.7) на ООО «ВладТехКом». Испытания проводили в сравнении с традиционной технологией изготовления моделей в металлической оснастке из деформируемого алюминиевого сплава Д16.

В результате проведенных сравнительных опытно-промышленных испытаний установлено, что коэффициент качества моделей, после проведения статистической обработки, составляет:

- 0,95-0,98 — для моделей, полученных в оснастке из полиуретанового компаунда АДВ 13-2 с добавками карбонильного железа марки Р-10 в количестве 40 % масс;

- 0,97-0,99 - для моделей, полученных в оснастке из алюминиевого деформируемого сплава Д16, применяемой на предприятии.

Рис. 7. Газифицируемые модели и отливка «Кран шаровой 'Л"»

Установлено, что качество отливок, полученных по газифицируемым моделям, изготовленным в металлической оснастке и из композиционного полимерного материала, не отличается, что говорит о нивелировании разницы в коэффициенте качества поверхности моделей в 0,02 единицы.

Результаты сравнительных опытно-промышленных испытаний оснастки на основе полиуретанового компаунда АДВ 13-2 с добавками 40% масс карбонильного железа Р-10 и металлической убедительно подтверждают снижение продолжительности цикла подготовки производства к выпуску отливок в четыре раза, себестоимости газифицируемых моделей: в два раза для мелкосерийного и в четыре раза в условиях единичного производства.

Основные результаты и выводы по работе:

1. Разработаны новые составы композиционных полимерных материалов на основе двухкомпонентного полиуретана с порошковыми добавками алюминия (железа) в количестве 37-48 (34-41) % масс соответственно и предложена технология изготовления оснастки на их основе для получения газифицируемых моделей в единичном и мелкосерийном производстве отливок.

2. Разработана оригинальная методика определения теплоёмкости и коэффициента теплоаккумулирующей способности полимерного композиционного материала, основанная на обработке экспериментальных данных температурных полей.

3. Разработан экспресс метод качественной оценки состояния поверхности газифицируемых моделей из пенополистирола, основанный на определении коэффициента Л"=5о6и/5кяч, где 5обц) - общая площадь исследуемой поверхности образца; 5„,„ч - суммарная площадь «точной поверхности», то есть поверхности, точно повторяющей формообразующую поверхность оснастки.

4. Установлено, что материал оснастки, обеспечивающий получение качественных газифицируемых моделей, должен обладать следующими теплофизическими характеристиками: теплоёмкость < 1200 Дж/(кг сС); теплопроводность > 0,21Вт/(м°С); температуропроводность > 8,410"8 м2/с, и теплоаккумулирующая способность > 697 Вт с°'7(м2 оС).

5. Получены математические модели, описывающие влияние состава полимерного композиционного материала и технологических параметров процесса на качество получаемых газифицируемых моделей. Установлено, что наилучшее качество моделей достигается в оснастке из полиуретанового компаунда АДВ 13-2 с добавлением карбонильного железа Р-10 в количестве 34-41 % масс при давлении пара 0,26-0,29 МПа, и с добавлением алюминиевой пудры ПАП-1 в количестве 37-48 % при давлении пара 0,26-0,32 МПа.

6. Определены основные технологические и эксплуатационные свойства композиционных полимерных материалов на основе двухкомпонентного полиуретана с порошковыми добавками алюминия (железа) в количестве 37-48 (34-41) % масс, соответственно. Твердость составляет 120-140 НВ; предел прочности на растяжение - 52-60 МПа; плотность - 1450-2150 кг/м3; текучесть до 250 мм; отсутствие процессов седиментации, при времени полимеризации до 6 часов; объёмное

расширение при полимеризации 0,13-0,9% - в зависимости от технологических факторов; стойкость - 100-220 циклов изготовления газифицируемых моделей.

7. По результатам опытно-промышленных испытаний установлено снижение (в четыре раза) продолжительности цикла подготовки производства к выпуску отливок и себестоимости газифицируемых моделей в условиях мелкосерийного и единичного производства (в два-четыре раза).

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях:

1. Технология изготовления пресс-форм на основе полиуретановых композитов для производства газифицируемых моделей [Текст]/ В.Н. Шаршин [и др.]// Литейщик России,- 2007,- №6.- С.34-37.

2. Сухорукое Д.В. Исследование теплофизических свойств материала пресс-форм для производства газифицируемых моделей [Текст]/ Д.В. Сухоруков, В.А. Кечин, В.Н. Шаршин // Литейщик России,- 2008.-№7,- С.38-41.

3. Кечин В.А. Исследование влияния материала полимерных пресс-форм на качество поверхности газифицируемых моделей [Текст]/ В. А. Кечин, В.Н. Шаршин, Д.В. Сухоруков // Литейщик России,- 2009г.- № 6.-С.28-31.

4. Исследование свойств полимерного композиционного материала для изготовления пресс-форм ЛГМ [Текст] / В.Н. Шаршин [и др.]// Литейщик России,- 2011,- № 12,- С. 40-42.

5. Сухоруков Д.В. Технология изготовления пресс-форм для производства газифицируемых моделей художественных отливок мелкими сериями на основе полиуретановых компаундов [Текст]/ Д.В. Сухоруков, В.Н. Шаршин, В.А. Кечин // Новые материалы и технологии - НМТ-2006: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 21-23 ноября 2006г. В 3 томах. Т1-М.: ИЦМАТИ.-2006.-С.176

6. Сухоруков Д.В. Исследование теплофизических свойств материала полимерных пресс-форм для производства газифицируемых моделей в мелкосерийном производстве [Текст]/ Д.В. Сухоруков, В.А. Кечин, В.Н. Шаршин // Материалы III международной научно-практической конференции. Информационные технологии в проектировании и

производстве изделий машиностроения «ИТМ-2008». Казань, 17-19 сентября 2008 г., ЗАО «Новое знание».-2008.-С. 146-151.

7. Сухорукое Д.В. Исследование влияния модифицирующих добавок на качество газифицируемых моделей [Текст]/ Д.В. Сухоруков, В.А. Кечин, В.Н. Шаршин // Прогрессивные литейные технологии: труды V Международной научно-практической конференции 19-23 октября 2009 года «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» - М.: Лаборатория рекламы и печати.-2009.-С.232-235 .

8. Сухоруков Д.В. Исследование качества поверхности газифицируемых моделей, полученных в композиционных полимерных пресс-формах [Текст]/ Д.В. Сухоруков // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надёжность машин, приборов и оборудования: Материалы пятой международной научно-технической конференции. Т.2.-Вологда: ВоГТУ.-2009.-С.169-172.

9. Сухоруков Д.В. Исследование термодинамических режимов процесса изготовления газифицируемых моделей в полимерных пресс-формах [Текст]/ Д.В. Сухоруков, Е.В. Середа // Вузовская наука - региону: Материалы восьмой всероссийской научно-технической конференции. В 2-х т.- Вологда: ВоГТУ.-2010. - Т. 1.-С.282-284.

10. Сухоруков Д.В. Особенности изготовления газифицируемых моделей в полимерных пресс-формах [Текст]/ Д.В. Сухоруков [и др.] // Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона: Труды второй научно-практической конференции / ред. С.А. Сорокина. - Н.Новгород: типография HPJI.- 2010.- С. 109.

11. Пат. 2379151 Российская Федерация, МПК В22С 7/00. Способ изготовления пресс-форм для производства газифицируемых моделей [Текст] / Сухоруков Д.В., Кечин В.А., Шаршин В.Н., Сухорукова Е.В.; заявитель и патентообладатель Сухоруков Д.В.- № 2007118302/02; заявл. 16.05.2007; опубл. 20.01.2010, Бюл. №2.-7 е.: табл.

Подписано в печать 14.02.12. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ Издательство

Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

61 12-5/2270

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича

Столетовых»

На правах рукописи

Сухоруков Денис Владимирович

Исследование и разработка технологии изготовления полимерной оснастки для единичного и мелкосерийного производства отливок по газифицируемым моделям

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кечин Владимир Андреевич

Владимир - 2012

Содержание

Введение...................................................................................................................4

1. Основные достижения и направления развития технологии литья по газифицируемым моделям......................................................................................8

1.1. Состояние вопроса в области производства газифицируемых моделей 8

1.2. Технологические особенности получения газифицируемых моделей.. 12

1.3. Способы изготовления оснастки для производства газифицируемых моделей................................................................................................................30

1.3.1. Особенности конструкции и основные требования к материалу оснастки............................................................................................................30

1.3.2. Характеристика материалов и способов изготовления оснастки ....32 Выводы и задачи исследований...........................................................................38

2. Разработка состава композиционного полимерного материала и технологии изготовления оснастки для изготовления газифицируемых моделей...................................................................................................................41

2.1. Разработка полимерного материала с заданными свойствами..............42

2.1.1. Выбор основы полимерного материала оснастки.............................42

2.1.2. Выбор наполнителей.............................................................................49

2.2. Разработка технологии изготовления оснастки.......................................57

Выводы................................................................................................................60

3. Исследование основных свойств полимерного композиционного материала для изготовления элементов оснастки..............................................61

3.1. Исследование теплофизических свойств полимерных композиционных материалов..........................................................................................................61

3.1.1. Методика исследований, обработка и анализ достоверности результатов исследований..............................................................................62

3.1.2. Определение теплофизических свойств полимерных композиционных материалов с различными наполнителями....................67

3.2. Исследование влияния состава полимерного материала оснастки на качество получаемых моделей..........................................................................77

3.2.1. Методика оценки состояния поверхности газифицируемых моделей.............................................................................................................78

3.2.2. Исследование состояния поверхности газифицируемых моделей, полученных в оснастке из полимерных композиционных материалов ....81

3.3. Выбор наполнителей и технологических параметров изготовления газифицируемых моделей.................................................................................85

3.4. Оптимизация количества наполнителей в композиционных полимерных материалах и режимов изготовления моделей методом планирования эксперимента.............................................................................90

Выводы..............................................................................................................100

4. Исследование свойств полимерного композиционного материала оснастки для получения газифицируемых моделей........................................................102

4.1. Методики исследований...........................................................................102

4.2. Исследования технологических и эксплуатационных свойств полимерных композиционных материалов...................................................112

4.3. Анализ полученных результатов.............................................................121

5. Опытно-промышленные испытания композиционной полимерной оснастки ...............................................................................................................................124

5.1. Методика исследований...........................................................................124

5.2. Результаты исследований и анализ полученных результатов..............128

Основные результаты и выводы по работе.......................................................131

Список литературы..............................................................................................133

Приложения.........................................................................................................141

Введение

Повышение эффективности литейного производства, снижение трудоёмкости и материальных затрат при изготовлении отливок в условиях всевозрастающих требований к качеству литья является важной научно-технической задачей. В связи с этим, возрастает интерес к использованию прогрессивных методов получения отливок.

Одной из перспективных и наиболее активно развивающихся в

настоящее время в России является технология литья по газифицируемым

моделям. Она успешно применяется при серийном и массовом производстве

отливок любой категории сложности из всех типов сплавов в неразъемные

разовые песчаные формы и поэтому является наиболее экономичной.

Причем, максимальный эффект от ее применения достигается при

изготовлении отливок со сложной разветвленной поверхностью,

многочисленными глубокими поднутрениями и обратными уклонами при

отсутствии явно выраженной поверхности разъёма. Однако, использование

указанной технологии для данной категории литья в единичном и

мелкосерийном производстве отливок производственно-технического и

культурно-бытового назначения существенно ограничено в связи с высокой

трудоёмкостью и, следовательно, высокой стоимостью изготовления

оснастки. Указанное обстоятельство является существенным недостатком

технологии литья по газифицируемым моделям, поскольку оно, во-первых,

ограничивает возможности её применения на предприятиях единичного и

мелкосерийного производства отливок, а во-вторых, значительно затрудняет

процесс подготовки производства при освоении новых конструкций литых изделий.

Перспективным направлением в расширении объёмов применения литья по газифицируемым моделям в условиях единичного и мелкосерийного производства отливок является внедрение новых прогрессивных технологий изготовления оснастки из полимерных композиционных материалов с заданными теплофизическими характеристиками. Решение проблемы по

замене материала оснастки с металлического на полимерный композиционный позволит значительно ускорить и удешевить процесс, повысить эффективность метода литья по газифицируемым моделям.

В связи с этим, актуальной проблемой на сегодняшний день является создание эффективных технологий изготовления оснастки на основе новых полимерных композиционных материалов для производства газифицируемых моделей.

Цель работы заключается в повышении эффективности технологии литья по газифицируемым моделям в условиях единичного и мелкосерийного производства отливок за счет использования оснастки из новых полимерных композиционных материалов с заданными теплофизическими свойствами.

Научная новизна работы

1. Выявлены закономерности изменения качества получаемых газифицируемых моделей от теплофизических характеристик материала оснастки. Установлены значения основных теплофизических характеристик материала оснастки для получения качественных моделей: теплоёмкость < 1200 Дж/(кг°С); теплопроводность >0,21Вт/(м °С); температуропроводность >8,4.10'8м2/с, и теплоаккумулирующая способность > 697 Вт с°'5/(м2 °С).

2. Разработан новый полимерный композиционный материал на базе полиуретанового компаунда, с добавками алюминия (железа) в количестве 37-48 (34-41) % масс, соответственно, обеспечивающий получение газифицируемых моделей высокого качества.

3. Получены математические модели, описывающие зависимость качества газифицируемых моделей от содержания модифицирующего наполнителя в полимерном композиционном материале и технологических параметров процесса.

Практическая значимость работы.

1. Разработана технология изготовления оснастки для получения газифицируемых моделей. (Патент № 2379151 от 16.05.2007)

2. Разработана методика определения теплофизических свойств композиционных полимерных материалов.

3. Разработан экспресс метод качественной оценки состояния поверхности газифицируемых моделей.

4. Установлены оптимальные значения давления пара при изготовлении газифицируемых моделей методом внутреннего теплового удара в оснастке из полимерного композиционного материала на основе полиуретанового компаунда, модифицированного алюминием (железом) в количестве 37-48 (34-41) % масс соответственно.

Положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту

1. Состав нового полимерного композиционного материала и технология изготовления оснастки на его основе.

2. Закономерности влияния теплофизических характеристик материала оснастки на качество газифицируемых моделей.

3. Математические модели, описывающие влияние технологических параметров и состава полимерного композиционного материала на качество газифицируемых моделей.

4. Методика определения теплоёмкости и коэффициента теплоаккумулирующей способности полимерного композиционного материала, основанная на обработке экспериментальных данных температурных полей.

Апробация работы.

Основные положения настоящей работы доложены и обсуждены на всероссийской НТК «Новые материалы и технологии», г. Москва, 2006; на III международной научно-практической конференции «Информационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения «ИТМ-2008», г. Казань, 2008; на V международной научно-технической конференция «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надёжность машин, приборов и оборудования», г. Вологда, 2009; на V международной научно-

практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», г. Москва, 2009; на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону», г. Вологда, 2010; на ежегодных научно-технических конференциях ВлГУ, г. Владимир.

Публикации. По теме диссертации получен патент РФ и опубликовано 10 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях, из них 4 научных статьи, рекомендованные ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников. Изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц, 48 рисунков. Библиографический список содержит 82 наименования.

1. Основные достижения и направления развития технологии литья по

газифицируемым моделям

Технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) является одной из перспективных и развивающихся в настоящее время технологий и позволяет получать самые разнообразные отливки высокого качества, весом от 10 грамм до 2000 килограмм с чистотой поверхности Rz40, размерной и весовой точностью до 7 класса (ГОСТ 26645-85) из всех видов сплавов. Поскольку модель будущей отливки, выполненная из пенополистирола, после формовки не извлекается из формы, а выжигается под действием тепловой энергии заливаемого расплава, технология ЛГМ обеспечивает достижение максимального эффекта при изготовлении отливок со сложной разветвленной поверхностью, многочисленными глубокими поднутрениями и обратными уклонами при отсутствии явно выраженной поверхности разъёма, то есть тех отливок, изготовление которых обычными способами затруднено или невозможно [1,2].

1.1. Состояние вопроса в области производства газифицируемых моделей

Основоположником литья по газифицируемым моделям в 1956 г стал

американский архитектор Г. Шроер, который первый изготовил модель из пенополистирола для получения художественной отливки. В 1958 г он получил патент США на способ «Cavityls castings Mold and Method for Making Same» [3]. В том же году, архитектором А. Дука, в Массачусетском техническом университете, была получена первая художественная отливка из бронзы скульптуры «Пегас», массой 150 кг, модель для которой была изготовлена из пенополистирола. В 1961 г, его коллега из Англии, Кларк, тем же способом получил отливку чугунной мачты для колокола, весом 3,5 т [4].

В 1958 - 1970 гг. - происходит внедрение данной технологии для производства единичных отливок массой от нескольких килограмм до нескольких тонн (обычно не более 15). Первая промышленная отливка массой 12 т была получена в Германии в 1962 г [5]. К концу 1964 г в 10

литейных цехах различных фирм США применялось литьё по газифицируемым моделям для производства единичных отливок [6]. В 1967 г была создана Международная Ассоциация литья по газифицируемым моделям. Она объединила 150 фирм, занимающихся производством отливок с помощью ЛГМ - процесса, суммарная производительность которых, на то время, составляла 800 т в сутки.

Однако, технология ЛГМ не получила бы такого распространения, если бы не многочисленные научно - исследовательские работы, проводимые научными центрами различных фирм. Основная задача того времени состояла в том, чтобы сделать эту технологию не единичной, а серийной или массовой. В 1960х Нелин публикует патент о применении песка без связующего при изготовлении форм по полистироловым моделям [7]. Изначально, пенополистироловую модель помещали в контейнер, который впоследствии засыпали сухим песком или другим огнеупорным материалом и уплотняли вибрацией, затем полученную форму заливали металлом. Суть предложенного им метода состоит в том, что при деструкции пенополистирола, образующиеся пары пропитывают прилегающий слой песка, связывая песчинки в тонкий, но прочный слой. От тепла отливки слой быстро теряет прочность и разрушается, но тем не менее, времени выгорания слоя оказывается достаточно для образования тонкой корки металла на поверхности затвердевающей отливки. Однако, применение данного способа при получении отливок со сложной конфигурацией и с протяжёнными стенками часто приводило к браку из-за обвала формы. Поэтому, дальнейшие научные изыскания были направлены на упрочнение формы из несвязанных сухих сыпучих огнеупоров. Прорывом в этих работах становится патент Гофмана на способ получения отливок по пенополистироловым моделям в магнитной форме [8]. Опираясь на это изобретение, на 35 Всемирном Конгрессе литейщиков, профессор А. Витмозер сделал доклад о применении магнитной формовки. Сущность его идеи заключалась в том, что для формовки было предложено использовать ферромагнитный песок или дробь,

размером 0,3 - 0,5 мм. Пенополистироловую модель помещали в опоку, засыпали этим песком (дробью) и уплотняли форму вибрацией. После уплотнения, её помещали в постоянное магнитное поле, которое обеспечивало магнитную связь межу частицами наполнителя, что придавало форме необходимую прочность, предотвращая её разрушение при заливке металла [1]. Данный вид формовки получил широкое распространение в США, Японии, Западной Европе. На многих предприятиях были установлены полуавтоматические установки магнитной формовки для производства серийных отливок из различных сплавов. Однако дороговизна ферромагнитного песка (дроби) сводила на нет всю экономическую выгоду литья по пенополистироловым моделям. Поэтому, в 1968 г был опубликован патент о способе вакуумной формовки [9]. Согласно этому способу, пенополистироловую модель засыпали кварцевым песком и с помощью вибрации уплотняли. Затем готовую форму накрывали плёнкой и вакуумировали для предотвращения её разрушения при заливке и затвердевании металла.

Период с 1970 по 1980 гг являет собой время накопления опыта производства сложных отливок по газифицируемым моделям и наладки их серийного изготовления. Во многих крупных литейных фирмах создавались научные центры, занимающиеся именно разработкой технологии производства отливок по газифицируемым моделям. В 80 - ые годы в развитых странах технология литья по газифицируемым моделям окончательно утверждается в серийном и массовом производстве отливок ответственного назначения, потеснив традиционные способы и, в первую очередь, технологию литья в песчано-глинистые формы по извлекаемым моделям. Технология ЛГМ полностью или практически полностью исключает применение стержней, что приводит к исключению из производства стержневого оборудования, кроме того, она не нуждается в формовке на формовочных машинах, поскольку для заполнения форм используют сухой кварцевый песок без связующего.

В СССР исследования касающиеся технологии литья по газифицируемым моделям были начаты в 1963 г. инженером А. Чудновским в научно-исследовательском институте специальных способов литья (г. Одесса), и в том же году ему было выдано авторское свидетельство на отечественный вариант ЛГМ. Промышленное применение данная технология получила уже в 1965 г. на Горьковском автомобильном заводе, где была получена первая партия отливок в количестве 227 наименований общей ма