автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование процессов деформирования формовочных смесей и разработка системы автоматического управления их качеством

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ __ АКАДЕМИЯ_____

УДК 621.74

гз

РОВИН Сергей Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВОМ

05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1998

Рабат выполнена и Белорусской государственной политехнической академии

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор лауреат Гос премии РБ Кукуй Д.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор лауреат Госпремии СМ СССР Тутов В.И.;

Оппонирующая организация -

кандидат технических наук Пикянер С.М.

Научно-производственное предприятие «Институт БелНИИлит (гМинск).

Зашита состоится 1998 года в часов I

заседании совета по запвггё диссертаций Д 02.05.06 в Белорусскс государственной политехнической академии по адресу: 220027, г.Минс проспект ФСкорины, 65, коп.1, ауд. 202. Тел. 232 42 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусе» государственной политехнической академии.

Автореферат разослан «сСЗ»

¡года.

Ученый секретарь совета но защите диссертаций Д 02.fl5.Q6, кандидат технических тук, доцент

БМ Немененок

© Ровин С.Л., 19

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Согласно статистическим данным более

дефектов отливок, полученных п разовых литейных формах, связаны с низким качеством форм, стержней и используемой смеси (ужимины, засоры, искажения геометрических размеров, газовая пористость и т.д.). У'ппывпп, что сегодня около 80% всего объема отливок изготавливается в разовых формах, а также растущие требования к качеству отливок, задача стабильного получения литейной формы с требуемым уровнем физико-механических и технологических свойств становится одной из важнейших в современном литейном производстве.

Успешное решение этой проблемы предполагает рациональный выбор состава формовочной смеси,, способов и режимов смесеприготовления и формообразования, а также непрерывный контроль качества смеси на всех этапах процесса изготовления литейной формы.

Однако в настоящее время практически отсутствует надежные и эффективные методы расчета параметров процессов формообразования и прогнозирования характеристик литейной формы. Это же в полной мере относится и к используемым методам автоматического контроля и управления качеством формовочной смеси.

В связи с изложенным, актуальной задачей является исследование закономерностей деформирования формовочных смесей в процессах смесеприготовления и формообразования, определение факторов, решающим образом влияющих на реологические свойства смеси и качество л шейной формы, а также разработка надежного метода непрерывного контроля и управления этими факторами непосредственно в технологическом потоке.

Связь работы с крупными научными программами. Проблемы повышения качества отливок, сокращения материальных и энергетических затрат на их изготовление, снижения трудоемкости процессов получения литейных форм и стержней, на решение которых направлена представленная работа, актуализированы в Республиканских научно-технических программах ГНТП па 1996-2000 гг., среди которых программа "Технологии", утвержденная постановлением Совета Министров РБ №7 от 17.01.96, - задание 1.02 "Разработать и внедрить автоматизированный технологический процесс приготовления формовочных смесей, основанный на системе непрерывного контроля и управления качеством смеси" 1997-1998г г.. Межвузовская программа фундаментальных исследований "Металлургия" - задание 1.04 "Создание реологической модели процессов смесеприготовления и формообразования" 1996г. Результаты работ были использованы также при выполнении ряда хоздоговорных работ: «Исследование и анализ технологических переделов, разработка и проведение комплекса мероприятий, направленных на повышение качества отливок с литейном цехе завода «Полесьэлекгромащ» (х/д №3-03/95 завод «Полесьзлекромаш» г.Лунинец), «Разработка и внедрение системы

аиюмашческого комгроля и управления процессом смесепршоговлеиия в СЛЦ ПО «МТЗ» (х/д №2-02/97 ПО «МТЗ» г.Минск), «Исследование и разработка зффекпшного метода формообразования для жидкостекольных смесей. Разработка технологического процесса изготовления форм на участке средней формовки МЗАЛ и технического задания на проектирование нестандартного оборудования и оснастки» (х/д №1897 «МЗАЛ» г.Минск).

Цель и задг^и исследования. Целью на стоящей работы является построение обобщенной физической модели деформирования формовочных смесей в процессах смесеприготовления и формообразования, а также разработка иисокозффективншо метода контроля и автоматического управления качеством смеси в технологическом потоке.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать закономерности деформационных явлений в процессах смесеприготоалеиия и формообразования;

разработать методику экспериментальных исследований реологических свойств формовочных смесей и деформационных явлений, сопровождающих процессы смесеприготовления и формообразования; • разработать обобщенную модель деформирования формовочной смеси, связывающую параметры процессов деформирования, состав смеси, реологические характеристики ее компонентов и качественные показатели получаемых литейных форм;

- разработать метод экспресс-коптроля качества формовочной смеси в технологической потоке;

- разработать принципы организации и функционирования систем автомагического управления качеством смеси и процессами формообразования;

- провести экспериментальную проверку адекватности построенной физической модели поведения формовочной смеси в процессах деформирования и разработанного метода экспресс-контроля качества;

- провести промышленную апробацию и внедрение результатов исследований.

Объект и предмет исследования. В качестве основного объекта исследования были избраны жидкостекольные смеси, представляющие собой своеобразную модельную систему, объединяющую некоторые характерные признаки как песчано-смоляиых, так и песчано-глинистых смесей. С одной стороны, жидкостекольные смеси по своим реологическим характеристикам близки к смесям на. органических связующих, реология которых в настоящее время практически не изучена. С другой стороны, жидкостекольнйе связующее относится к неорганическим и представляет собой коллоидный водный раствор, диэлектрические характеристики, которою в СВЧ-диапазоне близки к характеристикам глинистых суспензий, что делает принципы контроля песчано-глниистых и жидкостекольных смесей идентичными. В связи с этим результаты, полученные при исследовании реологии жидкостекольных смесей и иршщипов

контроля их качества могут быть распространены на широкий спектр формовочных и стержневых смесей.

Предмет исследований - закономерное™ деформирования формовочных смесей, их реологические свойства, взаимосвязи состава смеси, параметров техпроцесса и качества получаемой литейной формы, а также диэлектрические характеристики формовочных смесей в СВЧ-диапазоне.

Методология и методы проведенных исследований. Для исследования деформационных процессов и анализа реологических характеристик формовочных смесей была разработана специальная методика, основанная на использовании испытательных стендов, моделирующих различные процессы формообразования и смесеприготовления, набора экспериментальных моделей и технологической емкости, системы датчиков и КИП. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью рег-рессионого анализа и поиска аппроксимирующих функций, описывающих зависимости деформаций от деформирующих усилий и времени, их приложения, а также влияние состава смесей на их реологические свойства и диэлектрические характеристики.

Анализ физико-механических и технологических свойств формовочных смесей проводился в соответствии с. ГОСТ 23409-78. Для исследования диэлектрических свойств формовочных смесей и анализа применимости методов микроволновой влагомстрии в системах контроля качества смеси был разработан и изготовлен специальный лабораторный СВЧ-счетчик, позволяющий мгновенно определять влажность смеси или содержание жидкого. связующего и однородность ее состава.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Работа содержит новые научно обоснованные результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей деформирования формовочных смесей, совокупность которых имеет существенное значение для разработки реологических основ процессов формообразования н создания новых высокоавтоматизированных технологических процессов получения литейной формы.

Научная новизна полученных результатов заключается п следующем:

1. Разработана обобщенная реологическая модель напряженно-деформированного состояния жидкостеколышх смесей, установлено, что реологические свойства смесей определяются свойствами и соотношением входящих в их состав компонентов, и в первую очередь - характеристиками и количеством жидкой связующей композиции, а также текущей плотностью смеси.

2. Получены новые экспериментальные данные, раскрывающие качественные и количественные взаимозависимости между составом формовочных смесей, их, реологическими свойствами и параметрами процессов формообразования и смесеприготовления. Установлено, что в общем случае процессы деформирования могут быть представлены в виде системы уравнений, включающей в себя ураонсние состояния, уравнение равновесия и условия неразрывности, которые в совокупности представляют собой обобщенную модель 'деформирования формовочной смеси.

3. Определена поглощающая способность ряда формовочных смесей ь микроволновом диапазоне, а также дана опенка влияния различных компонентов и примесей, входящих в состав формовочных смесей, на диэлектрические характеристики смесей в СВЧ-дпагшоне.

4. Разработан новый метод 'экспресс-контроля качества формовочных смесей в технологическом потоке по уровню поглощения СВЧ-сигнала.

Практическая и экономическая значимость подученных результатов.

Практическая направленность и экономическая значимость проведенных

исследований подтверждается внедрением конкретных результатов работы в

производство на ряде предприяиш:

1. Оптимизирован и прии»1 к внедрению новый технологический процесс получения разовых литейных форм из жндкостекольных смесей в литейном цехе Минского завода автоматических линий им П.М.Машерова (МЗАЛ).

2. Разработаны новые эффективные способы получеши форм из жндкостекольных смесей, один из которых запатентован в Российской Федерации (Патент РФ № 2017564 ог 15.08.94).

3. Разработаны, прошли апробацию и внедрены на ряде заводов оригинальные СВЧ-приборы экспресс-контроля формовочных смесей в лабораторных условиях и непосредственно в технологическом потоке, в том числе на Бобруйском машиностроительном заводе («БМЗ»), Горьковском автозаводе (ОАО «ГАЗ»), Минском автомобильном заводе (ПО «МАЗ»), Минском заводе отопительного оборудования (АО «МЗОО»), Барановичском станкостроительном заводе (БСЗ АО «Атлант»),

4. Разработана система автоматического контроля качества формовочной смеси и управления процессами ее подготовки' и приготовления. В 1998 году системы были смонтированы и внедрены на заводах «Полесьэдекромаш» (г.Лунинец), Заводе литья и нормалей («ЗЛиН». г.Гомепь) и Минском тракторном заводе (ПО "МТЗ", г.Минск). Ожидаемый экономический эффект от внедрения этих систем, связанный со стабилизацией качества смеси и снижением брака отливок, составит около 10 млрд руб. в год.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту В соответствии с

вышеуказанным на защиту выносятся:

1. Выявленные зависимости реологических параметров жндкостекольных смесей от их состава, содержания связующего и обобщенная реологическая модель этих смесей;

2. Выявленные закономерности деформационных явлений в процессах формообразования и обобщенная физическая модель деформирования формовочных смесей;

3. Метод экспресс-анализа качественных характеристик формовочных смесей с помощью СВЧ-влагомеров;

4. Выявленные зависимости поглощающей способности различных формовочных смесей от влажности, температуры и состава;

5. Принцип построения и структура систем автоматического контроля р управления качеством формовочной смеси в процессе се подготовки, приготовления и формообразования.

Лнчный. вклад соискателя. Автором работ!,I получены все представленные результаты физических н теоретических исследовании, выполнена их математическая обработка, разработаны реологическая модель напряженно-леформировашюго состояния жидкостекольных смесей и сообщенная физическая модель деформирования формовочных смесей. Разработан метод экспресс-контроля качества формовочных смесей с помощью СВЧ-влагомеров, определены основные принципы построения и разработана система автоматического контроля и управления качеством формовочных смесей, выполнен анпнз н обобщение полученных результатов. Совместные работы выполнены соискателем п соавторстве с научным руководителем диссертационной работы д.т.н., профессором Д.М.Кукуем, которому принадлежит постановка цели и задач исследования, общее руководство исследованиями.

В разработке опытных приборов для контроля качества формовочных смесей с помощью метода поглощения принимали участие специалисты в области СВЧ-влагометрии и лромэлекгроники Ренгарт И.И. н Сиротин В.И., которыми были разработаны принципиальные электрические схемы приборов.

Апробация научных результатов диссертации. Материалы и результаты исследований, включенные в диссертацию, были представлены и докладывались на ряде республиканских и международных научно-технических хошрессоп, конференций и семинаров. В том числе: на Международном семинаре по литейному производству и экологии "Эколит-93", проводившемся под эгидой ООН и при поддержке правительства Республики Беларусь (г.Минск, 1993), на 5! международной научно-технической конференции (МНТК), посвященной 75-летию БГПА (г.Минск, 1995г.), на 62 - Всемирном конгрессе литейщиков, посвященном 100-летию литейного производства США (г.Филадельфия, США, 1996г.), на МНТК "Современные проблемы машиноведения" (г.Гомель, 1996г.), на 57. МНТК "Технические вузы - Республике'' (г.Минск, 1997г.).

Публикации. По результатам исследований было опубликовало 14 работ, в том числе 4 статьи в сборниках научных трудоа, из них 1 опубликована на английском языке в сборнике, посвященном 100-летию литейного Производства США (г.Филадельфия, США, 1996г., с.1-7), 2 статьи в информационном бюллетене "Литье и металлургия" (№ 5/6 и № 7/8/9 за 1997г.), 3 публикации в тезисах докладов Международных научно-технических конференций, получен 1 патент Российской Федерации на изобретение "Способ изготовления литейных форм и стержней из жидкостекольных смесей" (Патепт № 2017564 от 15.08.1994г.), кроме того, подготовлены 4 заключительных отчета по итогам НЛР, из них два по бюджетным темам, включенным в ПГПТ "Технологии" и программу «Металлургия».

н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей харак-гернстли« работы, пяти глав (118 страниц машинописного текста, 7 таблиц и 56 рисунков), общих выводов, списка использованных источников (96 наименований) и 10 приложении (33 страницы).

Основное содержание работы

Но введении обоснован выбор темы диссертации, представлена оценка современного состояния решаемой проблемы, показана ее значимость.

В общей характеристике работы раскрыта актуальность темы диссертации, представлены цель н задачи исследования, научная новизна, практическая и экономическая значимость полученных результатов, основные положения работы, выносимые на защиту, личный вклад соискателя, апробация результатов работы.

В первой главе представлен аналитический обзор известных методов исследования процессов деформирования формовочных смесей, определены наиболее рациональные способы физико-математического моделирования процессов смесеприготовления и формообразования, приведена сравнительная оценка используемых в литейном производстве систем и методов контроля и управления качеством формовочной смеси, определены общие принципы построения этих систем.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что наиболее перспективным методом исследования деформационных процессов в формовочных смесях является использование положений реологической теории. С одной стороиц реологические характеристики формовочных смесей определяют их поведение в процессе деформирования и напрямую связаны с их основными технологическими свойствами: текучестью, формуемостью, податливостью и т.д. С другой стороны, разработка реологической модели напряженно-деформируемого состояния позволяет установить связь между деформирующими нагрузками и деформациями в смеси и, таким образом, определить параметры процессов смесеприготовления и формообразования, выявить наиболее рациональные режимы и определить КПД тех или иных технологических процессов.

Анализ технологического уровня современного литейного производства, а также литературных источников показал, что несмотря на многообразие методов смесеприготовления и формообразования, большое количество типов и составов формовочных смесей, сегодня практически отсутствует научно обоснованный способ расчета параметров техпроцесса исходя из требований, предьявляемых к готовой форме, и состава используемой смеси. И если применительно к пссчаио-глинистым смесям в последнее время разработаны более или менее удачные модели, описывающие их поведение в различных процессах формообразования в зависимости от состава и реологических характеристик, то смеси I рода (несчано-смоляные, жидкостекольные, масляные и т.н.) с этой точки зрения малонзучены, что влечет за собой недостатки при проектировании и приводит к непроизводительным энергетическим и материальным потерям при их нршзювленин и формообразовании.

О горая ' проблема, которую выявил проведенный анализ литературных п статистических данных, - отсутствие общепризнанных падежных систем контроля качества формовочных смесей непосредственно в технологическом потоке. Эт проблема тесно связана с предыдущей и в свою очередь приводи'; к неоправданным потерям (перерасходу) исходных материалов при смесспрнгоговлении, отклонениям п свойствах смеси и формы н как следствие увеличивает процент брака отливок, снижает качество.

В результате проведенного анализа были сформулированы цели н задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке обобщенной реологической модели напряженно-деформированного состояния жидкостекольных смесей и построению физической модели их деформирования в процессах смесеприготовления и формообразования.

Разработанная реологическая модель приведена на рис.1 и представляет собой упруговязкопластнческое сжимаемое тело, каждый элемент которого отражает реологические свойства входящих в смесь компонентов: элемент Гука (Н„) характеризует упругость зерен наполнителя, элементы (N„) и (11с) -соответственно объемную вязкость и упругость связующего, (N„) и (Н„) -упругость и вязкость BHyTpiinopoBqro воздуха, динамический элемент Ньютона (N с«) отражает структурную вязкость смеси, многоэлемеигшое динамическое тело Сен-Венана (SV см) - струюз'рную пластичность смеси. Сг.язп между элементами этого тела характеризуют взаимодействие компонентов в объеме смесп, 8 деформирование структурно-механической модели в целом позволяет представить полную картину напряженно-деформированного состояния смеси в процессах формообразования и смесеприготовления.

При насыпных плотностях (8-{1050-1250) кг/м3), на стадии смесеприготовления или в начале процесса уплотнения (Ф1), уже незначительные нафузкн (<т=(0,015-0,020) МПа) вызывают'заметные сдвиговые деформации по псему объему смеси, которые сопровождаются перекомпоноькой зерен наполнителя, перераспределением связующего, сжатием н частичным вытеснением внутрипорового воздуха. Поведение смеси при этом подчиняется законам вязко-пластического течения и практически полностью может быть охарактеризовано величиной предела текучеста (ог) н структурной вязкостью (Чем):

где а - напряжения, действующие в смеси; б' - скорость деформирования смеси.

В свою очередь предел текучести - напряжение, необходимое для ' разрушения структуры смеси, существовавшей до момента приложения внешней нагрузки, можно представить как произведение прочности единичного контакта (v) между частицами смеси и количества этих контактов n единице объема (Nv):

0 ив\

^ ¡с!..

Рис. 1 .Обобщенная реологическая модель жидкостеколышй смеси

. изм.

ЯЧЕЙКА

ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ

образец

| Генератор

[Антенна

I Ашепиа Детектор

ОБРАЗЕЦ

Инцикацим АЦП В*, ¡сил. .

о г

Вычит.

ФПЧ

Них усял.

Рис 2. Прибор для исследования поглощающей способности формовочных смесей:

а - внешний вид и конструкция прибора; б - блок-схема прибора

где к - коэффициент пропорциональности, зависящий ог равномерности распределения связующего по поверхности наполнителя, учитывающий дефекты и неоднородность структуры дисперсной системы (для жндкостекольных смесей ИО, 3-0,5).

Структурная вязкость в жидкостекольных смесях (как и вообще в смесях 1 рода) определяется плотностью, коэффициентом внутреннего трения (Г) и соотношением связующего и наполнителя. Учитывая, что прочность единичного контакта между частицами смеси определяется условиями на границе раздела, т.е типом связующего и толщиной его оболочки на зернах наполнителя, становится очевидным, что предел текучести смеси и ее структурная вязкость в процессах смесеггригоговления, транспортировки и уплотнения фактически определяются количеством и свойствами связующей.композиции.

Переменный характер предела текучести и вязкости смеси, их зависимость от текущей плотности отражены в представленной модели динамическими (переменными) элементами Ньютона (Ы см) и Сен-Венана (БУ'сч).

Сжатие ппутркнорового воздуха .и сдвиговые > деформации, сопровождшо:цие уплотнение смеси, вызывают нарастание" сжимающих напряжений в объеме смеси, эти напряжения воспринимаются скелетом смеси, представляющим собой совокупность зерен наполнителя, покрытых оболочкой связующего (Ф И).

Обобщенная реологическая модель Напряженно-деформированного состояния жидкостсколыюй смеси может быть описана следующей структурной формулой:

~-К)IКл,\З'СН^с. IНс)-Нп1 (3)

Представленная обобщенная реологическая модель жидкостсколыюй смеси условно может быть разбита на две часта, деформирование которых отражает различные стадии пропессоп формообразования. При этом первая часть модели (Ф1) отражает поведение смеси в допредельном состоянии (при плотностях от насыпных (1000-1100) кг/м3 до предельных (1700-1750) кг/м3) п процессах смесеприготовлештя, транспортирования и на начальной стадии уплотнения и характеризует процессы вязкопластнческого сдвига и сжатия в смеси. Пр.т достижении предельных плотностей сдвиговые деформации в замкнутом объеме становятся невозможными, основную роль начинают играть упругие деформации либо рэзрушеше частиц смеси. Вторая часть модели (Ф11), собственно, и отражает послеоредельное состояние смеси, характеризуя деформирование готовой литейной формы. '

В отличие от известных реологических моделей разработанная модель отражает поведение смеси как п условиях объемного сжатия, так и в условиях сдвига, и включает в себя как статические, так и динамические (переменные) элементы, что позволяет использовать ее для анализа процессов деформирования и формообразования.

Используя известные в механике сплошных сред приемы математической интерпретации реологических формул, связывающих текущие- напряжения (а) н деформации (ё), поведение представленной реологической' модели может быть описано системой дифференциальных уравнений (для Ф1 и ФИ соответственно):

А]

Л Еа Ш и{е„-ЕЛ „ ,

о-;/ -О

Е„ а?

(-1)

где а'т - мгновенное значение предела текучести смеси; - текущее значение структурной вязкости смеси, для абсолютного большинства жидкостекольных смесей остальные коэффициенты могут Г-шь приняты неизмененными; 1„К, -соответственно коэффициент вязкости и модуль упругости виутринорового воздуха ( по справочным данным г|в~1,77 10"5 Пас; Е„-4 104 Па (в замкнутом пространстве при Р„=Р„Ш)); !)„, Еш - соответственно коэффициент вязкости и модуль упругости жидкостекольного связующего (г) в,~(0,4-2) Пас, Е„~40 МПа).

Учитывая следующие соотношения: ец«е1> е„бщ~с1 и г|шйт]сб»ть. имеющие место в реальных процессах формообразования, система может быть сведена к выражению:

. . ¡к п и'( ст-а,) г/п с? с 1 кмсИ Е; (Л Е £

(5)

Полученное выражение представляет собой упрощенный ьариант нелинейною дифференциального уравнения состояния деформируемой смеси. Соединив это выражение с уравнением равновесия смеси в технологической емкости и условиями неразрывное ги, можно по лучин, физическую модель, в данном случае одномерную, описывающую деформационные явления, происходящие на различных этапах процесса формообразования:

_ а. <,{С7< ЧЛ»

1+-Т-5Г

3) Иш ¿(х) д(х, ),<) Мх,

л

где Мк - масса к-слоя смеси; а^ - у скорение к-слоя смеси; Г - силы внешнего трения; Я, - площадь элементарною слоя смеси.

(6)

и

D представлений сисгеыс уравнение соскмшш ( I ) шралдег фь шчсекмс н струкгурно-механическне свойства смеси, ураиненне равновесия (2) опнсываег силы, действующие а объеме смеси в процессе деформирования, условии неразрывности (3,4) передают "геометрию" проплта, задавая лсырсрыилый характер зависимостям "шютиоаь (3) - координата злемсчпарногп сли.сия я смеси (х)" и "изменение плотности (.Vi) - зремя (I)", а также фиксирую! условие необратимости деформаций (1), что характерно для пр-.пгссг.ь )пчогненни.

Система уравнений (6) описывает процессы деформирован!« жндкостекошшх смесей, содержащих or 3 до 10% жидкой связуюшей композиции, при плотностях от 1000 до 1800 ьт/м1, деформирующих усилиях or 0 до 4 МПа и скоростях гшружения от 0 до 5û МП а/с. Учитывая сходные реологические характеристики, эта система может быть использована для описания процессов деформирования и других смесей I рода, а с некоторыми дополнительными ограничениями н соответствующими коэффициент- ни—для описания деформирования песчаном лшшетых смесей.

Совместное решение уравнений системы (6) позволяет определить плопюсть или прочность смеси, а также напряжения, действующие в каждой ее точке, исходя из конкретных условий и режима деформщкшлння, и наоборот -задавать параметры процессов формообраюваиии (смесеприготовлеши, транспортирования, уплотнения и т.л ) исходя из требуемых характеристик смеси иди готовой формы.

Разработанная модель и аналитические исследования закономерностей протекания процессов де<{юрмнроиакия позволили определить, что основным фактором, определяющим реологические характеристики формовочной смеси и решающим образом влияющим на ее качественные показатели (сырая и конечная прочность, газогворность, газопроницаемость и т.д.), является содержание и характеристики жидкой связующей композиции. Учитывая это, была разработана концепция построения системы автоматическою контроля и управления качеством, основанная на непрерывном анализе влатосодержания и управлении дозированием воды либо жидкой связующей композиции. Учитывая же недостатки традиционных метопов автоматическою контроля, в качестве базового был использован метод нот лощения СВЧ-игтучения влажным материалом. Выбор этого метода основан на уникальных диэлектрических характеристиках воды о микроволновом диапазоне, где коэффициент поглощения составляет около 30 едт в го время как для остальных диэлектриков ois практически равен нулю, что обеспечивает высокую надежность и точность измерений.

В третьей главе изложена разработанная методика проведения экспериментальных работ и обработки полученных данных. Результаты экспериментов обрабатывались с помощью методов математического анализа путем поиска аппроксимирующих функций, связывающих деформации смеси (dc/dt) иди изменения ее плотности (AS) с параметрами процессов деформировали« (деформирующими нагрузками (а м» Р„), временем их действия (I) и интенсивностью тнменеиич (ilo/di)), a также состав смеси с ее реологическими и диэлектрическими характеристиками. При проведении

;ксперименгов использовались специальные стенды (вкбростевд 12МВ100/196-1, установка импульсной формовки кафедры «Литейное производство» Московскою автомобилетроительною института (MACH) и др.), позволяющие моделировать различные процессы формообразования и смесеприготовлення, разнообразная контрольно-измерительная аппаратура, набор специально нл отопленной модельной и технологический оснастки, а также комплект станларшого оборудования для определения фнэнно-мсханических свойств смеси по i ОСТ 23-109-78"

Для анализа диэлектрических характеристик формовочных смессн в СВЧ-лиапазоне, оценки влияния тех или иных компонентов и примесей на поглощающую способность смеси, а также исследования возможностей применения методов микроволновой влагометрии в литейном производстве был ргпрабонш новый меюд экспресс-контроля качества формовочной смеси с помощью СВЧ-влагомеров оригинальной конструкции. Их внешний вид и принципиальная схема представлены на рнс.2.

Принцип действия прибора основан на измерении величины поглощения СВЧ-импульса влажным материалом в волководном тракте влагомера и преобразовании эти величины в цифровой код, соответствующий уровню поглощения или влажности материала.

Образен исследуемого ма!ернала, помещаемый в прибор, формируется на стандартом лабораторном копре по стандаршой методике (ГОСТ 23409-78).

Испытания показали, что разработанный прибор может быть успешно использован для экспрссс-коитроля влажности (в интервале (2-8) %) различных формовочных и стержневых смесей в лабораторных условиях.

Разработанный лабораторный прибор был использован в качестве п ¡хм слипа при создании поточных приборов контроля качества смеси, которые прошли успешную апробацию на ряде заводов и Республике Беларусь и Российской федерации.

Четвертая глава содержит результаты фшических исследований реологических характеристик различных формовочных смесей и закономерностей их деформирования как в условиях статического так и при динамическом иагружении. Здесь же приведена оценка адекватности разработанной реологической модели жлдкостекольной смеси. Аппроксимирующие выражения, найденные при анализе экспериментальных данных, в целом согласуются с соответствующими частыми решениями системы, описывающей обобщенную модель процессов деформирования.

Так, процессам статического уплотнения соответствует дробно-линейная зависимость:

. с , с Act

= (7)

где А5М - предельное для данной смеси приращение плотности; <?т - средний в интервале уплотнения предел текучести смеси.

Деформирование смеси в процессах динамического шпружепия, например, при импульсной формовке Или высокоскоростном прессовании может быть

представлено отрицательной экспоненциальной ^аисимосчью

3 =

где 8М - максимальная и начальная достигаемая плотность смеси данного состава; К(С) - соотношение доли жидкой связующей композиции к количеству наполнителя; I - импульс внешних деформирующих сил.

Кроме того, в холе исследований были определены оптимальные режимы уплотнения и приготовления жидкостекольных и других смссеЯ 1 рода, отличающихся высокой подвижностью хорошей текучестью, низкой вязкостью н структурной прочностью в сыром состоянии, выявлены критерии онтнмшацнн этик режимов. Так, наиболее рациональным для приготовления жидкостекольных смесей является использование скоростных вертикальных либо вихревых смесителей: нх эффективность при пршотовлении таких смесей более ч: I в два раза выше катковых смесителей. Среди известных. методов формообразования наиболее рациональными способами применительно к жидкостекольнмм смесям являются тгзксзпергетическне метолы, такие как инброуплогненнс с подпрессовкой, либо воздушно-импульсное уплотнение низкого давления.

С помощью разработанного лабораторного прибора для измерения поглощающей способности смеси в СВЧ-днапазоне были исследованы диэлектрические характеристики различных формовочных смесей, проанализирована корреляция уровня поглощения с влажностью смеси, содержанием связующей композиции н соответственно с реологическими параметрами смеси. Прямая зависимость диэлектрических потерь о СВЧ-диапазоне от влагосодержания и количества жидкой связующей композиций, а с другой стороны, независимость уровня поглощения от содержания других компонентов а примесей доказали преимущества использования СВЧ-методоа для автоматического контроля и управления качеством формовочной смеси в процессах смесепрнготовлепия и формообразования по сравнению с традиционными: высокую информативность и достоверность оценки, надежность метода, простоту инструментальной реализации.

В пятой главе представлен опыт практической реализации результатов проведенных исследований:

- выполнены работы по оптимизации технологического процесса изготовления средних форм из жидкостекольных смесей в литейном цехе М'ЗАЛ (г.Минск). Разработанный техпроцесс получения форм методом кнброуплотнення (Г-(45-50)Ги, Л-(0,8-1,0) мм, тНЮ1,, (25-30)с) позволит повысить качество лигейной формы, снизить припуски на мехобработиу и соответственно себестоимость отливок 1) был принят к внедрению Ы>\ 1897, акт производственных испытан ий от 15.05.95);

- разработан и запатентован новый техпроцесс изготовления жидкостекольных форм газоимнульсным методом, позволяю шин интенсифицировать процесс формообразования путем совмещения процессов уплощения и. упрочнения смеси (патент №2017561 от 15.08 91);

- разработаны н внедрены на ряде предприятий Беларуси а России («ЗЛиН»

г.Гомель, ЬСЗ АО «Атлант» г.варано'внчи, АО «МЗОО» и 110 «МТЗ» г.Минск, «БМЗ» г.Бобруйск, ОАО «ГАЗ» г.Н. Новгород) лабораторные и промышленные приборы экспресс-контроля влагосодержания различных формовочных смсссп; - разработана система автоматического контроля и управления качеством смеси (рис.3), представляющая собой самонастраивающуюся систему управления технологическим процессом с гибкой обратной связью, основанную на непрерывном контроле и управлении влажностью (или содержанием жидкою сетующего) формовочной смеси с помощью метода поглощения СВЧ-сигиала влажным материалом. Такие системы в 1998 году были внедрены на заводах «ЗЛнН» (г Гомель), «Полесмлектромаш» (г.Лунине«), [10 «МТЗ» (г.Минск), что позволило стабилизировать качество формовочной смеси, снизить непроизводительные погерн и процент брака отливок. Ожидаемый экономический эффект ог внедрения этих систем составляет около 10 млрд рублей в год при сроке окупаемости менее одного года

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I

Проведенные исследования процессов формообразования, анализ взаимосвязей между реологическими, физико-механическими, диэлектрическими характеристиками формовочных смесей н т составом, разработка методов непрерывною контроля качества формовочных смесей и систем управления процессами смесеприготопления и формообразования, а также проверка полученных результатов в производственных условиях позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлено, что жидкостскольиые смеси, как и формовочные смеси вообще, в процессах деформирования ведут себя как сложное упруго-вязкопластическое тело, их напряженно-деформированное состояние характеризуется нелинейностью и зависит от собственных реологических свойств смеси и параметров процесса /1, 7, 8/.

2. Впервые разработана обобщенная реологическая модель напряженно-деформированного состояния жидкостекольных смесей. Установлено, что реологические свойства смесей определяются свойствами и соотношением входящих в их состав компонентов и, в первую очередь, характеристиками и количеством связующей композиции, а также текущей плотностью смеси /1,2/

3. Показано, что в общем случае процессы деформирования формовочных смесей могут быть описаны системой уравнений, включающей в себя уравнение состояния, уравнение равновесия и условия неразрывности /1,11 -13/.

4. Экспериментально доказана прямая зависимость между поглощающей способностью формовочной смеси в СВЧ-диапазоне и ее влажностью (или количеством жидкой связующей композиции), при этом установлено, что остальные компоненты смеси практически не влияют на величину диэлектрических потерь. В результате был разработан эффективный метод экспресс-контроля качества формовочных смесей и создан прибор для его реализации 12 - 5, 9/.

5 Установлено, 'по применительно к жндкостекольмым смесям, наиболее рациональном с энергетической точки зрения является выбор динамических (лысоюскоросгных) методов смесеиригоюялення и формообразования РатраГхпгшы новые методы импульсной формовки жидкостекольных смесей, ноштммпне интенсифицировать процесс формообразования, совместив операчни уп.чо11и:ння н упрочнения. Рассчитай и оптимизирован процесс ш)бро\плоп1С1шя крупных >t средних жидкестеколышх форм в литейном чехе MÍAJÍ/10'

6, Клаюларя выявленным закономерностям процессов деформирования (¡кфмопочиих смесей и установленной взаимосвязи между их реологическими, физико-механическими и количественными характеристиками, разработана система автоматического контроля и управления качеством формовочной смссн в процессах смесепригтовлсмия н формообразования /2 - 5,13,14/.

7. Результаты работы апробированы и внедрены в литейных цехах заводов МЗАЛ, НО «МТЗ» (г,Минск), ЗлиН (г.Гомель), «Полесьеэлсктромаш» (г.Луннпсн), ОАО «ГАЗ» (г.Нижний Новгород), БСЗ АО «Атлант» (г.Ьаранопнчи) с общим ожидаемым экономическим эффектом более 10 млрд рублей с юл (в ценах на 1.01.1998г.).

XiiJicoKjinxfenK^^

V. Кукуй Д М., Ровни С Л. Повеление жидкостекольных смесей в процессе формообразования, математические описание процесса и разработка высокоэффективных и экологически чистых методов формообразования^ Литейное производство к экология: Материалы Международного семинара ОКОЛИТ-93/ Белорусская госуларстьеннач политехническая академия. -Минск, 1993.- С 88-90.

2. D.Kukui, S.Rovin, I.Reingart. Continuous Quality Control of the Sand-Mixtures in the Control Systems of Mixture I'reparatioii Process// 62 World Foundry Congress/Philadelphia, Pennsylvania. - USA, 1966.-P.2-7.

3. Кукуй ДМ, Ровин C.Jl. Использование методов СВЧ-влагометрии// Современные проблемы машиноведения: Сб.материалов МНТКУ Гомельский политехнический институт им. П.О.Сухого,- Гомель, 1996. - С.206-207.

4. Кукуй Д.М, Ровин СЛ. Создание систем автоматического управления качеством формовочной смеси на основе непрерывного контроля ее диэлектрических параметров// Металлургия и литейное производство: Сб. науч. трудов/ - Минек: Ьслгорсганкинпромиздат, 1997. - С.41-44.

5. Кукуй Д.М, Ровин С Л. Влияние состава жидкостекольных смесей на их реологические свойства// Литье и металлургия,- 1997. - №5/6.- С.28-30.

6. Байдак И.Б., Ровин С.Л. Использование информационной теории идетлпфнкации при автоматизации технологических процессов// Литье и металлургия,- 1997. - J& 7,8,9,- С.20-21.

7. Кукуй Д.М., Ровин С.Л. Моделирование и расчет технологического процесса изготовления литейных формII Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации: Тез. докл. 51 МНТК/

i t

Белорусская государственна* подикнннческая академия - Мниск 1995 - Ч Я.-С.5.

Ü. Ровин СЛ., Peii.ирг ИИ., Ковале» ПИ. Ч».мф СИ Ракитника и использование электрофизических методов дти кошролд и ^праалеми* качеством формовочной смсси а процессе см^ссприютсялснин'' Стояние И лерспеьтнвм развшня науки а нодпионкн инженеров высокой квалификации: 'Гез.яокл. 51 МНТК/ Белорусская государавелма.* ишшгсхническа* акалеши.

- Минск, 1995. - Ч. 8.- С б.

9. Ровин CJ1. Использование методоа СОЧ-алагоиезрни в системах вонгршм качества жидкостекольных смесеШ'/ Технические вузы - Республике: Тсздокл. 52 МНТК/ Белорусская государственная- политехническая академия. - Минск, 1997,- Ч 2,- С 188.

10. Нат. 2017564. МКИ SB 22С 15/ 22. Способ изготовления литейных форм к стержней из жидкостекольных смесей/ ДМ.Кукуй, ИВ. Матясенко. ЕАРезчикоа, С.Л.Ровин - № 4921654/02; Опубл. 15 08 9-1// ОфшшалышП бюллетень / Комитет Российской федерации по патентам и товарным знакам.

- 199-1. -№15.

И. Исследование и анализ технолошческих лсределин. Разработка и поведение комплекса мероприятии, налраюенних па повышение хзчеааа оьмеоя в литейном цехе завода «Полесьэлестромаш»: Отчет о НИР (заключит.) (х/д №3-03/95)/ БП1А, УНШ1 «Технолпт»: Рук. С.Л.Ровин. № ГР5195-Мннск, 1995.

12 Создание реологической молелн процессов смесснрнгогоьлсння и форуообраювання: Отчет о НИР (заключит ), (Задание 1.0-1. Межвузовской программы фундаментальных исследований «Металлурги я »У БГПА: Рук. Д.М.Кукуй.-Л* Г'Р1996896-Мннск, 1996

13. Разработка и внедрение автоматизированною технологического процесса приготовления формовочных смесей, основанный на системе непрерывного контроля и управления качеством смеси: Огчет о НИР (заключиг^ДЗадаине 1.04. ГИ ГИ «Технологии»)/ БГПА: Рук. Д М КукуИ.-№ 1Р1 W72342-Mh»cx, 1997

Н. Разработка и внедрение системы авюмитнческого контроля и управдешм процессом смссепрнгозоаления в СЛЦ ПО «МТЗ»: Отчет о НИР (заключит. \ (х/д №2-02/97)/ БГПА, УНПП «Технолиг»: Рук С Л Ровни, № ГР19972354,-Минск, 1997.

18

РЕЗЮМЕ

Ровин Сергей Леонидо-зич

I кследоватше тцюцесеов деформирования формовочных смесей и разработка системы автоматического управления их качеством

Ключевые слова: литейное производство, процессы формообразования, реологическая модель, закономерности деформирования, качество формовочной смеси, методы экспресс-контроля, системы автоматического управления.

Исследованы закономерности деформирования формовочных смесей в процессах смесепритотовлення и формообразования. Разработана обобщенная модель напряженно-деформированного состояния формовочной смеси на примере смеси на силикатном связующем. Экспериментально установлены взаимосвязи между составом смеси, се реологическими характеристиками, параметрами техпроцесса и качеством полученной литейной формы. Разработан метод экспресс-контроля качества формовочной смеси, основанный на использовании метола поглощения СВЧ-импульса влажными материалами. Разработана система автоматического контроля и управления качеством смеси в процессе смесепритотовлення и формообразования. По результатам проведенных исследований разработаны и оптимизированы техпроцессы изготовления литейных форм (применительно к жидкостекольным смесям), разработаны и изготовлены лабораторные и промышленные приборы экспресс-контроля качества различных формовочных смесей, на базе которых были созданы и внедрены в производство системы автоматического контроля и управления качеством формовочной смеси. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 10 млрд. рублей в год.

РЭЗЮМЕ

Ровтн Сяргей Леашдав1ч

Даследаванне працзсау дэфармавання фармовачных сумесяу 1 распрацоука ст'стэмы аутамашзапанага ю'равання ¡х якасцю

Ключавыя словы: лшейная вытворчасиь, праюсы формаутварэння, рэалапчная мадэль, заканамернасти дэфармавання, якасць фармовачнай сумеет, метаны экспрэс-катттролю, сигтэмы а;ггаматызаванага ктравання.

Даследаваны заканамернасщ дэфармавання фармовачных сумеся^ У працэсах сумесепрыгатавання 1 форма^варэння. Распраиавана суполытая мадэль напружана-дэфармаванага стану фармовачнай сумеет на прыкладзе сумеет тта сипкатным связуючым. Эксперыментальна установлена узаемасувязь памтж складам сумеет, яе рэалагтчнымт характарыстыкачк параметрам! тэхнрацэсу 1 якасцю атрыманай лщейнай формы. Раснрацаваны метад экспрэс-кантролю якасш фармовачнай сумеет, заснаваны на выкзрыеташн методу наглынаиня ЗВЧ-

iiutyjibcy. ишыотным! магэрыялаш. Распрапавана uoraua ауммашзакиша кантролю i мравання якасцю cyweci J? npaime сушмприттъваиня i формаутварэння. Па вышках праведзеных даследаваиияу распрашаани i атим1завШ1ы тэхлраиэсы витворчасщ лщеЯннх форм (прымяняльна да воднашкляних сумесяу), распрашваны i выраблены лабараторныя i прамысловыя приборы зкспрэс-кантролю якасщ розных фарыовачмых сумесяу, на базе кых был! створами i укаранбны у вытворчасць cicioMbi аугаыатызаванага кантролю i ктраваинл якасню фармовачнай сумесй. Маканы эканашчны эфект ад укарапеши вышка у работы складае каля 10 млрд рубле}» у год.

The Investigation of the Processes of the Straining of Sand Blend and (he Development of Automatic Quality Control Systems,

Key words: foundry, forming processes, Theological model, regularities of straining, the quality of sand blend, the methods of express-control, automatical control

systems.

The regularities of the straining of sand blends during the preparation and casting have been studied here. During the studies the generalized model of the mode of deformation of sand blend have been developed for silicate preform binder blends. Interrelations between the blend composition, flow characteristics of the blends, parameters of technological process and the quality of casting mold have been determined experimentally. The method of express quality control, based on using of the method of the absorbtion of microwave impulse by damp materials heve been developed as well. The system of the automatic quality control of the quality of of sand blend during the preparation and casting have been also designed. According to the . findings, technology of fluid-sand process have been developed and optimized, the laboratory and industrial devices for express quality contiol have been engineered as well Expected benefit of the implementation of the findings is about 10 billion rubles.

SUMMARY

ROV1N SERGEY L.

РОВИН Сергей Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЯ. ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВОМ

05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

._Редактор Т.Н.Микулик_______

Подписано в печать' 12.10.98. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №2. Офсст.печать.

_Усл.печ.л. 1,2. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100. Зак. 537.____

Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусская государственная политехническая академия. Лицензия JIB №155 от 30.01.98. 220027, Минск, пр. Ф.Скорины, 65