автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Комплексное исследование влияния вакуумирования на размерно-геометрическую точность и физико-механические свойства моделей и оболочковых форм с целью получения качественных точных отливок в литье по выплавляемым моделям

На правах рукописи

САЛИНА МАРИНА ВЛАДИМИРОВНА

УДК 621.74 045

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАКУУМИРОВАНИЯ НА РАЗМЕРНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКУЮ ТОЧНОСТЬ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОДЕЛЕЙ И ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ТОЧНЫХ ОТЛИВОК В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

05.16.04 - Литейное производство

технических наук

Комсомольск-на-Амуре - 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждениии высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ГОУ ВПО "КнАГТУ") и Институте машиноведения и металлургии ДВО РАН (ИМиМ ДВО РАН)

Научный руководитель: докт. техн. наук, профессор

Евстигнеев Алексей Иванович

Официальные оппоненты: докт.техн.наук, профессор,

заслуж. деятель науки РФ Ри Хосен; канд. техн. наук Васин Валерий Викторович (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая организация: Открытое акционерное общество "Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина" (ОАО КнААПО)

Защита состоится "_" марта 2005 г. в 14 00 часов на

заседании диссертационного совета Д 212.092.02 при ГОУ ВПО "КнАГТУ" по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, Ленина, 27, ГОУ ВПО "КнАГТУ ".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО 'КнАГТУ"

Автореферат разослан "11" февраля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, профессор В.В. Петров

з

Актуальность_работы. Развитие точного машино-и

приборостроения, а также рост потребностей населения в ювелирных и стоматологических изделиях предъявляют повышенные требования к их качеству, чистоте поверхности и дизайну. Это требует создания более совершенных и стабильных технологических процессов, обеспечивающих получение литых изделий с высокой размерно-геометрической точностью, без последующей механической обработки. Этим требованиям отвечает метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ).

Главными технологическими задачами в процессе изготовления отливок в ЛВМ является получение выплавляемых моделей (ВМ) и оболочковых форм (ОФ) с высокой размерно-геометрической точностью, чистотой поверхности и удовлетворяющих требованиям по физико-механическим и технологическим свойствам.

Вопросами повышения качества ВМ и ОФ, изысканием новых материалов, разработкой технологических процессов в ЛВМ занимались многие отечественные и зарубежные исследователи, такие, как Озеров В.А., Шкленник Я.И., Иванов В.Н., Васин Ю.П., Лакеев А.С, Тимофеев Г.И., Рыбкин В.А., Евстигнеев А.И., Петров В.В., Дошкарж И. и др.

Однако, несмотря на это, проблема повышения качества поверхности и размерно-геометрической точности моделей и ОФ остается актуальной и требует новых подходов к исследованию и разработке эффективных технологических процессов изготовления моделей и ОФ.

Анализ известных технологических процессов и направлений в области ЛВМ показал, что одним из эффективных методов повышения качества форм и отливок является использование вакуума.

В разное время проблемой разработки технологических процессов с применением вакуума в ЛВМ занимались ученые — литейщики Германии, Англии, США, Японии, России. В их работах предлагаются способы изготовления гипсовых и керамических форм, сушки, прокалки и заполнения расплавом форм с применением вакуумирования.

Применение вакуума при изготовлении форм способствует выводу воздуха и газов, что повышает прочностные свойства и уменьшает растрескивание форм. При заполнении форм расплавленным металлом с применением вакуума улучшается заполняемость форм, что позволяет получать сложные тонкостенные отливки.

Большой вклад в разработку новой технологии заполнения форм -метод литья вакуумным всасыванием внесли такие ученые, как Рыжков Н.Ф., Гини Э И., Тимофеев Г.И., Трифонов Ю.И. и многие другие. Их фундаментальные теоретические и практические работы явились основой изучения и внедрения в производство нового эффективного метода заполнения форм при помощи вакуума и улучшения качества точных отливок в ЛВМ.

Однако применение вакуумирования на других стадиях технологического процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям недостаточно изучено. Поэтому исследование процессов вакуумирования на стадиях изготовления выплавляемых моделей и ОФ определяет актуальность данной работы.

Повышение трещиностойкости и прочностных свойств ОФ также является одной из главных технологических задач повышения качества отливок в ЛBМ. На трещиностойкость ОФ значительное влияние оказывает их напряженно-деформированное состояние (НДС), особенно на стадиях прокалки, заливки ОФ металлом и затвердевании отливки. Снижение НДС значительно повышает трещиностойкость форм и сокращает брак отливок по засорам и поверхностным дефектам. Таким образом, актуальным направлением исследования также является определение НДС на этапах заливки ОФ расплавом и затвердевании отливки, поэтому в работе уделяется особое внимание вопросам математического моделирования НДС ОФ.

Актуальность работы подтверждается тем, что исследования выполнялись в рамках тематического плана по единому заказу-наряду министерства образования РФ (2000-2004 гг.)

Цели и задачи работы. Целью представленной работы является изучение процессов формирования пористых выплавляемых моделей (ПВМ) и оболочковых форм с применением вакуума для повышения качества поверхности, размерно-геометрической точности и физико-механических свойств, а также исследование влияния НДС оболочковой формы на ее трещиностойкость.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- анализ существующих процессов изготовления моделей, ОФ и отливок с применением вакуумирования на основе литературно-патентного обзора;

- исследование процесса изготовления выплавляемых моделей при воздействии вакуумирования и влияние различной степени вакуумирования на физико-механические, технологические свойства и размерную точность моделей.

- исследование процесса образования поверхностной пористости облицовочного слоя гипсовых, керамических и оболочковых форм в зависимости от температурных воздействий и различной степени вакуумирования на стадии их изготовления;

- математическое моделирование напряженно-деформированного состояния многослойных осесимметричных ОФ численным бескоординатным методом при заливке их расплавом и затвердевании отливок;

- экспериментально-производственное опробование технологии вакуумирования при изготовлении выплавляемых моделей, ОФ и отливок, полученных методом ЛВМ.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались как общепринятые методики исследований свойств моделей, ОФ и отливок, так и специально разработанные с участием автора. Из числа известных методик использовались методы определения структурных, физико-механических, технологических свойств и размерной точности моделей, ОФ и отливок.

К числу разработанных методик следует отнести методы определения влияния вакуумирования на качество поверхности и свойства пористых выплавляемых моделей (ПВМ) и ОФ. Предложена методика расчета НДС многослойных осесимметричных ОФ при высокотемпературных воздействиях.

Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики с помощью пакетов прикладных программ (Microsoft Excel и STATISTICA).

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложен новый подход в технологии изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования;

- установлено и научно обосновано влияние температур технологических сред и различной степени вакуумирования на формирование облицовочного слоя гипсовых, керамических и ОФ;

- установлено и научно обосновано влияние вакуумирования и технологических режимов изготовления ПВМ на их физико-механические, технологические свойства и размерно-геометрическую точность;

- выявлены особенности НДС пористых осесимметричных ОФ при высокотемпературных воздействиях на основе математического моделирования процессов заливки ОФ и затвердевания отливокиз сплава АЛ 9 численным бескоординатным методом;

- проведен статистический анализ влияния технологических параметров (температуры формы и степени вакуумирования) на процесс получения тонкостенных отливок различного диаметра методом вакуумного всасывания.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- технологические процессы формирования структуры и физико-механических свойств пористых и литых выплавляемых моделей, полученных при воздействии различной степени вакуумирования;

- технологические процессы формирования облицовочного слоя и прочностных свойств форм, полученных при воздействии различной степени вакуумирования;

результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния многослойных осесиммметричных ОФ при заливке их расплавом и затвердевании отливки;

- результаты статистического анализа влияния технологических параметров (температуры формы и степени вакуумирования) на процесс получения тонкостенных отливок различного диаметра;

результаты опытно-промышленного опробования способа получения точных отливок с использованием ПВМ и ОФ, изготовленных при воздействии вакуумирования.

Практическая значимость работы. Разработана действующая установка для вакуумирования ОФ и ПВМ и для получения точных отливок методом вакуумного всасывания.

Разработана методика исследования влияния температур технологических сред и степени вакуумирования на качество облицовочной поверхности ОФ.

Предложен способ изготовления ПВМ на основе воскообразных компонентов и ОФ с применением вакуумирования, направленный на улучшение качества поверхности, физико-механических, технологических свойств и размерно-геометрической точности выплавляемых моделей и форм.

На основе исследований проведен статистический анализ влияния технологических параметров (температуры формы и степени вакуумирования) на процесс формирования тонкостенных отливок методом вакуумного всасывания, что дает возможность управлять этими параметрами при получении отливок различного диаметра.

Предложена методика расчета НДС осесимметричных ОФ при высокотемпературных воздействиях на основе численного бескоординатного метода.

Результаты исследований в виде методик, технологической оснастки и экспериментальных установок используются при проведении лабораторных работ в курсе "Специальные виды литья", а также используются при выполнении научно-исследовательских работ студентами и аспирантами кафедры "Машины и технология литейного производства" ГОУ ВПО "КнАГТУ."

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Комсомольского-на-Амуре Государственного технического университета в 2000-2001 г.г; региональной научной конференции студентов,

аспирантов и молодых ученых "Наука. Техника. Инновации", г. Новосибирск, 2001г., международных научно-технических конференциях, проводимых в г. Комсомольске-на-Амуре в 2001-2004 г.г., г. Хабаровске в 2004 г.

Предложенные методики изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования были опробованы при получении точных отливок в литейном цехе ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 85 наименований. Работа изложена на 204 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 70 рисунков и приложения на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, поставлена цель и сформулирована научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ основных видов брака моделей, ОФ и отливок в точном литье по выплавляемым моделям, рассмотрены существующие методы повышения качества поверхности, размерно-геометрической точности и физико-механических свойств моделей, ОФ и отливок в ЛВМ.

Анализ существующей патентной и научной литературы показал, что основное внимание при устранении исследованных бракообразующих факторов в ЛВМ уделялось физико-химическим методам воздействия на удаляемые модели и ОФ. Разработанные ранее методы, как правило, либо ограничены для применения в условиях производства, либо предназначены только для ликвидации определенного вида брака ОФ.

Установлено, что одним из методов сокращения брака ОФ по растрескиванию является применение ПВМ. Модели, полученные прессованием порошкообразной модельной массы, отличаются отсутствием усадки, повышенным качеством поверхности и небольшим коэффициентом термического расширения. А также удовлетворяют требованиям по размерно-геометрической точности. Проанализировав известные вакуумные технологии изготовления форм и отливок в ЛВМ, можно сделать вывод, что технологии получения удаляемых моделей с применением вакуумирования пока не известны. Известные вакуумные технологии получения гипсовых и керамических форм и отливок в ЛВМ показали, что вакуумирование улучшает качество поверхности,

заполняемость и физико-механические свойства изготавливаемых форм и отливок. Используя возможность управления параметрами процесса вакуумирования, можно повысить качество поверхности и физико-механические свойства выплавляемых моделей и ОФ.

Так как процесс изготовления выплавляемых моделей и ОФ с применением вакуумирования не изучен, поэтому актуальным является исследование процесса влияния степени разряжения на физико-механические, технологические свойства и размерную точность выплавляемых моделей и ОФ в ЛВМ.

Проведенный анализ существующих методик определения и прогнозирования НДС ОФ показал, что поиск и выбор путей повышения трещиностойкости пористых осесимметричных ОФ за счет снижения НДС возможен на основе комплексного изучения формирования структуры и свойств оболочек в процессе их заливки расплавом и затвердевании отливок.

Недостаточно также изучен процесс получения тонкостенных отливок методом ЛВВ, при этом не исследовано влияние таких технологических параметров процесса, как температура формы и степень

вакуумирования на заполняемость тонкостенных отливок (до 0,5 мм).

Поэтому изыскание новых высокоэффективных методов повышения качества поверхности и прочности ОФ, а также получение качественных точных отливок в ЛВМ, возможно только при комплексном исследовании процессов формирования выплавляемых моделей, ОФ и отливок с применением вакуумирования.

Исходя из этого, была поставлена цель и определены задачи исследований.

Во второй главе приведены описания объектов исследований и методик проведения экспериментов. Исследования проводились на экспериментальной базе и в лабораториях ГОУ ВПО КнАГТУ, ИМиМ ДВО РАН, ОАО «КнААПО».

Приведены методики исследования влияния температур технологических сред (температуры модели, формы и среды) и различной степени вакуумирования на характер изменения поверхностной пористости облицовочного слоя гипсовых, керамических и ОФ.

Приведены методики исследования прочности, твердости, плотности и размерно-геометрической точности ПВМ, полученных холодным прессованием при атмосферном давлении и при воздействии различной степени вакуумирования. Также приведены методики исследования влияния технологических параметров процесса (температуры формы и степени вакуумирования) на заполняемость тонкостенных отливок методом ЛВВ.

В качестве используемых материалов применялись: порошкообразный модельный состав на основе воскообразного материала

марки ПС 50-50 фракции 0,63 мм, огнеупорные материалы, связующее ЭТС 40, гипс строительный Г-3 (алебастр) ГОСТ 125-79, соляная и ортофосфорная кислоты, этиловый спирт, ацетон.

Вакуумирование моделей и ОФ проводилось на специально смонтированной вакуумной установке.

Пористые выплавляемые модели изготавливались холодным прессованием порошкообразного модельного состава с предварительным вакуумированием глубиной от 0,09 до 0,03 МПа в специально разработанных и стандартных пресс-формах.

Литые модели изготавливались заливкой расплавленного модельного состава в специально разработанные и изготовленные цилиндрические и стандартные пресс-формы с последующим вакуумированием, при этом варьировалась степень вакуумирования (от 0,09 до 0,03 МПа) и время вакуумирования (от 1 до 4 мин) и исследовалось влияние этих параметров на плотность, объемную усадку и прочность моделей.

Формирование ОФ производилось послойным нанесением огнеупорной суспензии на литые и пористые модели с последующим

вакуумированием при 0,09 до 0,03 МПа и сушкой слоев. Формирование гипсовых и керамических форм производилось заливкой состава в подготовленные формы.

После изготовления образцы гипсовых, керамических и оболочковых форм исследовались на поверхностную пористость, средний диаметр пор облицовочного слоя и прочность. Исследование поверхностной пористости облицовочного слоя и прочностных свойств ОФ проводилось после выплавления моделей и просушивания при нормальной температуре (18-20 °С). Поверхностная пористость облицовочного слоя и средний диаметр пор гипсовых, керамических и оболочковых форм исследовались визуально при помощи отсчетного микроскопа МПБ-2, а прочность на специальной установке (разрывной машине РМУ-0,05-1, ГОСТ 7855-77).

Тонкостенные отливки изготавливались на разработанной установке вакуумным всасыванием. Исследовалось влияние температуры формы и степени вакуумирования на заполняемость отливок, полученных в гипсовые формы (в виде трубок длиной 300 мм и диаметра 0,2-1,0 мм). Заполняемость исследовалась посредством измерения длины полученных отливок. По результатам исследования проведен статистический анализ влияния вышеуказанных параметров на процесс получения тонкостенных отливок.

В третьей главе представлены результаты исследований размерной точности, физико-механических и технологических свойств литых и ПВМ, изготовленных при воздействии различной степени вакуумирования и при атмосферном давлении. Для исследований влияния различной степени

вакуумирования на плотность, прочность, твердость и размерно-геометрическую точность ПВМ образцы изготавливались по трем различным вариантам:

1) с одинаковой насыпной массой модельного порошка и разными усилиями прессования (820-1200 Н);

2) с одинаковой насыпной массой модельного порошка и одинаковыми усилиями прессования (1500 Н);

3) с подсыпкой модельного порошка после вакуумирования и одинаковым усилием прессования (1200 Н).

Исследование прочности на разрыв ПВМ типа «восьмерок», изготовленных по разным вариантам, показало, что наибольшую прочность 0,11-0,17 МПа имеют образцы, изготовленные по третьему варианту. С увеличением глубины вакуумирования от 0,03 до 0,085 МПа прочность возрастает.

Исследование прочности на сжатие показало, что наибольшую прочность 0,55-0,73 МПа имеют цилиндрические образцы ПВМ, изготовленные по второму варианту при степени вакуумирования от 0,085 до С,03 МПс. С уменьшением степени сакуумирозания от 0,085 до 0,03 МПа прочность на сжатие уменьшается. Образцы, изготовленные по двум другим вариантам, имеют прочность намного ниже (от 0,087 до 0,17 МПа).

Исследование прочности на изгиб образцов ПВМ (размером показало, что наибольшую прочность от 0,7 до 1,4 МПа имеют образцы, изготовленные при одинаковой насыпной массе и разных усилиях прессования. С увеличением глубины вакуумирования от 0,05 до 0,085 МПа прочность уменьшается.

Наименьшую прочность на изгиб 0,533 - 0,57 МПа имеют образцы, изготовленные при одинаковых усилиях прессования и с подсыпкой модельного порошка. При этом наибольшую прочность имеют образцы, изготовленные при воздействии вакуума 0,05 МПа.

Образцы ПВМ типа «восьмерок», изготовленные с подсыпкой модельного порошка после вакуумирования и при одинаковых усилиях прессования (1200 Н), имеют плотность 0,8-0,87 кг/м 3. Наименьшую плотность 0,57-0,6 кг/м3 имеют образцы ПВМ, изготовленные по первому варианту.

Образцы ПВМ (размером 49,1 *14,5Х10), изготовленные при усилии прессования 1500 Н, имеют наибольшую плотность 0,85-0,87 кг/м3 при вакуумировании глубиной 0,07 МПа. Наименьшую плотность 0,705-0,748 кг/м3 имеют образцы, изготовленные при одинаковой насыпной массе и разных усилиях прессования (820-1200 Н). С увеличением глубины вакуумирования от 0,03 до 0,085 МПа плотность увеличивается.

Исследование плотности цилиндрических образцов ПВМ показало, что наибольшую плотность 0,83-0,87 кг/м3 имеют образцы, полученные

при одинаковых усилиях прессования (1500 Н). Плотность цилиндрических образцов ПВМ, изготовленных, по первому и третьему варианту, имели низкую плотность (0,44-0,49 кг/м3). Но с увеличением степени вакуумирования плотность образцов ПВМ, изготовленных при различных условиях, увеличивалась.

Исследование твердости образцов ПВМ показало, что значения твердости колеблются от 35 до 60 НВ. Наибольшую твердость имеют образцы ПВМ, полученные при давлении разряжения 0,05 МПа.

Исследование размерной точности образцов показало, что наибольшие отклонения от заданных размеров от 1,4 до 24,5 % (в зависимости от условий изготовления и типа образца) имеют невакуумированные образцы. ПВМ, изготовленные при воздействии вакуумирования от 0,05 до 0,07 МПа имеют наименьшие отклонения от заданных размеров (от 1,6 до 0,1 %). Вакуум способствует удалению воздуха из модельного порошка, пористая модель после вакуумирования становится более плотной. После снятия нагрузки (усилия прессования) упругое последействие минимально и размеры модели не имеют больших отклонений. Невакуумированные пористые модели обладают меньшей плотностью, так как в них содержится воздух и после снятия нагрузки под действием упругого последействия размеры высоты изменяются в большую сторону и имеют большие отклонения от размеров. Поэтому, при изготовлении ПВМ с применением вакуумирования, на рабочей поверхности пресс-форм нет необходимости делать большие припуски на размеры.

Результаты исследования влияния времени и степени вакуумирования на плотность, объемную усадку и прочность литых моделей показали, что вакуумирование не оказывает существенного влияния на плотность, усадку и прочность литых моделей.

Если обобщить все полученные результаты исследования свойств ПВМ, изготовленных при воздействии вакуумирования можно сделать вывод, что применение различной степени вакуумирования позволяет получать ПВМ с прогнозируемым уровнем плотности, твердости, прочности и размерно-геометрической точности. Управляя глубиной вакуумирования и усилием прессования при изготовлении пористых выплавляемых моделей, можно регулировать физико-механические свойства и размерно-геометрическую точность получаемых моделей.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния температур технологических сред и степени вакуумирования на качество поверхности облицовочного слоя гипсовых, керамических и ОФ.

Известно, что на снижение прочностных свойств и возникновение брака по растрескиванию форм в ЛВМ большое влияние оказывает образование поверхностной пористости и увеличение диаметра пор облицовочного слоя. На образование поверхностной пористости на стадии

изготовления форм большое воздействие оказывает перепад температур технологических сред (температура модели, формы и среды).

Исследования на первом этапе проводились при атмосферном давлении и различных температурных условиях формирования пористого облицовочного покрытия, т.е. системы «модель-покрытие-среда». Перепад температур системы составлял 30 - 40 °С.

Влияние температур технологических сред проверялось на формах разного типа: толстостенных (гипсовых) и тонкостенных (керамических на спиртовой суспензии и оболочковых на водной суспензии). Формы изготавливались при следующих температурных условиях:

I • Т >т =т II- Т =Т =Т Ш- Т <Т =Т

1 - 'м * сусп *ср Ч- *М * С) СП 1 ср 1 м 1С)СП 1 Ср

По результатам исследований построены поверхности отклика открытой пористости облицовочного слоя и среднего диаметра пор гипсовых, керамических и оболочковых форм в зависимости от температур технологических сред и соответствующие номограммы. По номограммам можно определить степень поверхностной пористости и средний диаметр

пор облицовочного слоя гипсовых, керамических и ОФ. И определить степень воздействия той или иной температуры на формирование поверхностной пористости. Анализ полученных результатов исследования показал, что поверхностная пористость облицовочного слоя гипсовых, керамических и оболочковых форм, изготовленных при атмосферном давлении и различных температурных условиях, колеблется от 2 до 50 %. При этом наименьшую поверхностную пористость (до 20 %) имеют образцы керамических и гипсовых форм, а наибольшую (до 50 %) -образцы ОФ на водной суспензии.

Как показывают полученные поверхности отклика, гипсовые и керамические формы, изготовленные при таких температурных условиях, как Тм<Т,усп>Тср, имеют наименьшую поверхностную пористость (до 10 %) и наименьший диаметр пор (до 0,05 мм). При увеличении температуры модели (т.е. при использовании нагретой модели до 30 °С) поверхностная пористость облицовочного слоя увеличивается до 20-25 %.

Анализ полученных поверхностей отклика открытой пористости и среднего диаметра пор ОФ и номограмм показал, что наименьшую поверхностную пористость облицовочного слоя (до 10 %) и наименьший диаметр пор (до 0,1 мм) имеют образцы, изготовленные при температурных условиях Тм = Тс)сп = Тср Повышение или понижение температуры модели приводит к увеличению поверхностной пористости облицовочного слоя до 40-50 %.

ОФ, в процессе изготовления отливок по выплавляемым моделям, подвержены термическим напряжениям (при выплавлении модели, при прокаливании форм и заливке металла). Поэтому, повышению

т < т >т

1 м 1 сусп С|

т < т < т

1 м 1 суи; 1 Í

трещиноустойчивости и прочности ОФ на стадии их изготовления должно уделяться большее внимание.

Следующим этапом исследования был анализ влияния различных температур технологических сред и различной степени вакуумирования на качество поверхности облицовочного слоя гипсовых и оболочковых форм. Образцы для исследований изготавливались при различных температурах технологических сред (температуре модели, формы и среды) и при воздействии различной степени вакуумирования от 0,09 до 0,03 МПа.

По результатам исследования построены поверхности отклика открытой пористости облицовочного слоя гипсовых и оболочковых форм, полученных при воздействии различных температур технологических сред и степени вакуумирования и соответствующие номограммы (рис.1, 2).

Обобщая все полученные результаты исследования влияния различной степени вакуумирования на качество облицовочной поверхности гипсовых форм, можно сделать вывод, что при вакуумировании уменьшается степень поверхностной пористости и снижается диаметр пор. Например, при получении гипсовых форм при

и соблюдая

вышеуказанные температурные условия можно снизить поверхностную пористость до 2 %. Благодаря этому повышаются прочностные свойства форм и возможность получения качественных отливок.

По результатам исследования открытой пористости облицовочного слоя ОФ построены поверхности отклика в зависимости от совместного влияния температуры модели, формы и среды и степени вакуумирования от 0,1 до 0,04 МПа и соответствующие номограммы. Анализируя полученные результаты исследований, поверхность отклика и номограмму открытой пористости облицовочного слоя ОФ, полученных при воздействии вакуумирования глубиной от 0,072 до 0,042 МПа, можно сделать вывод, что возможно получение ОФ с минимальной пористостью до 5 % (рис.1) при выполнении таких температурных условий: Тм < Тф < Тер > Тм = Тф < Тср , Тм > Тф < ТСр.

Анализ результатов исследования полученной поверхности отклика и номограммы открытой пористости облицовочного слоя ОФ, изготовленной при воздействии вакуумирования от 0,1 до 0,072 МПа показал, что возможно получение ОФ с минимальной поверхностной пористостью облицовочной поверхности до 1,5 % при температурах модели от -25 до 35 °С, среды сушки от -35 до 25 °С и суспензии от 0 до 6 °С.

В этом случае ни температура модели, ни температура среды сушки существенного влияния не оказывали на изменение характера поверхностной пористости ОФ (рис.2).

у=-121,553*х+474,308*у-102,898*2

модели, С

а) Поверхность отклика открытой пористости облицовочного слоя

б) Номограмма для определения поверхностной пористости облицовочного слоя

Рис 1 Поверхностная пористость облицовочного слоя ОФ, полученных при вакуумировании глубиной от 0,072 до 0,042 МПа, в зависимости от температур технологических сред

Если обобщить все результаты исследования, то можно сделать вывод, что при воздействии вакуумирования глубиной от 0,1 до 0,072 МПа и практически при всех исследованных значениях температур технологических сред, возможно получение качественной поверхности ОФ, с поверхностной пористостью менее 1,5 %

Проведенные исследования прочности ОФ, изготовленных при воздействии вакуумирования глубиной от 0,1 до 0,04 МПа, показали, что прочность образцов ОФ повысилась по сравнению с ОФ, полученными при атмосферном давлении на 30 % (рис 3)

Таким образом, послойное вакуумирование ОФ способствует выводу воздуха и газов из суспензии и удаляется при помощи вакуума с поверхности форм Благодаря этому уменьшается поверхностная пористость облицовочного слоя, улучшается сушка оболочек, повышается плотность и прочностные свойства ОФ

1,668*х+15,627*у +1,815*г

а) Поверхность отклика открытой пористости облицовочного слоя

б) Номограмма

облицовочного слоя

Рис. 2 Поверхностная пористость облицовочного слоя ОФ, полученных при вакуумировании глубиной 0,1 -0,072 МПа, в зависимости от температур технологических сред

20 30

Пористость, %

Рис 3 Зависимость прочности на изгиб от поверхностной пористости непрокаленных образцов ОФ, изготовленных при атмосферном давлении (1) и различной степени вакуумирования (2)

В пятой главе приводятся теоретические исследования и расчеты напряженно-деформированного состояния оболочковых форм при заливке их расплавом и затвердевании отливок.

На основе уравнений механики сплошных сред разработана математическая модель процессов заливки расплавленного металла в многослойную осесимметричную оболочковую форму и затвердевания отливки.

Для решения построенной системы уравнений теплопроводности использован численный бескоординатный метод, разработанный профессором Одиноковым В.И.. Согласно этому методу область деформирования разбивается на конечное число ортогональных криволинейных элементов. В соответствии с данным методом для каждого внутреннего элемента записывается система теплопроводности в

разностном виде и строится итерационная процедура.

При разработке математической модели процессов заливки расплава и затвердевания отливки рассматривались следующие условия: осесимметричное тело вращения; деформируемый материал считается изо'фопным; движение медленным, процесс нестационарный.

На основе теории малых упругопластических деформаций и эйлеровой системы координат составлены системы уравнений для каждой области. Толщина затвердевшего слоя отливки рассчитывается по уравнению Стефана-Больцмана, при этом время кристаллизации т разбивается на малые шаги Дтп. На каждом временном шаге Дт„ вычисляется толщина твердой фазы При этом предполагается,

что температура в твердой фазе по толщине изменяется по линейному закону и градиент температуры в жидкой фазе равен нулю.

С учетом начальных и граничных условий задачи разработан алгоритм решения. Расчеты выполнены для процесса заливки алюминия в ОФ. Сечение формы состоит из пяти слоев равных по толщине и одинаковых по физико-механическим свойствам. Заданы начальные и граничные условия. При решении уравнения теплопроводности использовалось граничное условие первого рода. Для этого был проведен эксперимент, при котором термопары в процессе заливки и охлаждения замеряли температуру поверхности формы и температуру металла по оси I-I (рис.4). После этого экспериментальные данные были аппроксимированы аналитическими зависимостями от времени остывания

На рис.5 представлены некоторые результаты решения задачи. Наибольшие значения имеют напряжения в форме. Напряжения приблизительно на порядок меньше, чем . Напряжения такого же порядка, как также изменяются по времени и координате но на 5 -г 10% меньше по абсолютной величине.

На рис.5,а показаны эпюры <г22 в различных сечениях формы. Видим, что при тепловом ударе, хотя формы и нагреты до температуры 280еС, внутренние слои испытывают напряжения сжатия, внешние -растяжения. Причем, в этом промежутке времени растягивающие и сжимающие напряжения нарастают (по абсолютной величине).

На рис.5,б показаны эпюры во временном интервале

Видим, что, хотя характер эпюр тот же самый, что и на рис.5,а, но со временем сжимающие напряжения на внутренних слоях формы уменьшаются (абсолютные величины), а растягивающие напряжения увеличиваются на наружных ее слоях.

Вверху приведен график изменения температуры внутри жидкого металла и формы.

Анализируя график изменения температур, можно заметить, что температура в жидком металле быстро выравнивается по сечению.

Расчеты показывают, что через 31 секунду начинается кристаллизация При этом на

появляются растягивающие напряжения, а значит, металл стремится отойти от поверхности формы.

Как указывалось выше, напряжения в основном ведут себя так же, как и только меньше по абсолютной величине. Исключение,

пожалуй, составляют в наружном слое формы. На рис.6, показано изменение в наружном слое с течением времени.

С помощью метода математического моделирования можно получить наглядную картину напряженно-деформированного состояния ОФ и использовать ее при разработке мер, направленных на снижение опасных напряжений в форме и тем самым процента брака отливок по вине ОФ.

I

Рис.4 Геометрические размеры формы по сечению

Рис.5. Распределение температуры и напряжений в форме после заливки металлом в интервале времени а) 0.01-0,06 сек, б) 1,15-18,65 сек

(мПа)

12

10

8

6

4

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 г(сек)

Рис.6. Изменение напряжений <г33 в наружном слое формы с течением времени после заливки металлом.

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям качества ПВМ, ОФ и отливок, полученных с применением вакуума и без вакуумирования.

В главе также приведены результаты исследования заполняемости протяженных тонкостенных отливок (диаметром 0,2-1,0 мм) в зависимости от температуры нагрева гипсовой формы и различной степени вакуумирования при литье вакуумным всасыванием. Результаты исследования длины полученных отливок при заливке вакуумным всасыванием показали, что хорошую заполняемость (до 250-300 мм), имеют отливки диаметром не только 1,0 мм, но и меньшего диаметра.

Например, анализ результатов исследования заполняемости отливок диаметром 0,2-0,4 мм, показал, что наибольшая длина отливок (до 270 мм) получена при минимальной степени вакуумирования от 0,08 до 0,06 МПа и температуре формы 550 °С и при вакуумировании глубиной 0,095 МПа и температуре формы 450 °С (рис.7).

Управляя такими технологическими параметрами процесса заполнения тонкостенных отливок вакуумным всасыванием, как температура формы и степень вакуумирования, можно получить тонкостенные отливки диаметром от 0,2 до 0,5 мм.

Степень вакуумирования, МПа

Температура формы, °С

рис 7 Поверхность откчика дтены попученных отливок диаметром 0,2-0,4 мм в зависимости от давления разряжения и температуры формы

Опробование технологии изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования проводилось при получении точных мелких отливок из сплава АК7ч Исследования проводились с использованием ПВМ и ОФ, полученных при воздействии вакуумирования глубиной 0,085 МПа и без вакуумирования

ПВМ, полученные при воздействии вакуумирования имеют более высокое качество поверхности и размерно-геометрическую точность по сравнению с моделями, изготовленными без воздействия вакуумирования В ходе эксперимента выявлено, что 50 % моделей, изготовленных без вакуумирования, имеют неудовлетворительную плотность и низкую прочность, что вызвало разрушение поверхностного слоя ПВМ и нарушение размерно-геометрической точности (отклонения от размеров пресс-формы до 5 %)

ОФ, изготовленные с послойным вакуумированием обладают удовлетворительным качеством поверхности, повышенной прочностью и размерно-геометрической точностью

Отливки изготавливались свободной заливкой и заливкой вакуумным всасыванием Экспериментально установлено, что отливки, полученные вакуумным всасыванием в ОФ, изготовленные с послойным вакуумированием имеют размерно-геометрическую точность соответствующую 9-10 квалитету, что на 1-2 квалитета выше, чем у отливок, полученных свободной заливкой Отливки, изготовленные

вакуумным всасыванием в невакуумируемые ОФ, имеют шероховатую поверхность и отклонения от размеров до 5 %.

Металлографический анализ структуры отливок показал наличие рыхлот и газовой пористости по второму классу в отливках, полученных свободной заливкой. Отливки, полученные заливкой вакуумным всасыванием в ОФ, изготовленные с послойным вакуумированием, не имеют видимых дефектов. Микроструктура данных отливок мелкозернистая и плотная.

Основные выводы:

1. Разработаны методики изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования и исследования влияния технологических параметров процесса на заполняемость протяженных тонкостенных отливок методом литья вакуумным всасыванием.

2. В ходе исследований процессов изготовления ПВМ выявлено

влияние различной степени вакуумирования и условий заполнения пресс-форм па физнго-мсханические, технологические свойства и размерпо-

геометрическую точность моделей.

3. Установлено влияние вакуумирования глубиной 0,03-0,085 МПа на улучшение плотности, прочности, твердости и размерной точности ПВМ. Выявлено, что более удовлетворительными свойствами обладают модели, полученные при воздействии вакуумирования с глубиной от 0,05 до 0,085 МПа и усилиях прессования 1500 Н.

4. Исследовано влияние температур технологических сред (температуры модели, суспензии и среды сушки) и степени вакуумирования 0,09-0,03 МПа на поверхностную пористость гипсовых, керамических и ОФ при их изготовлении. Установлено, что наибольшее влияние на увеличение поверхностной пористости форм оказывает температура модели и среды сушки. Наименьшую степень поверхностной пористости (менее 1,5 %) имеют ОФ, изготовленные с послойным вакуумированием при 0,072-0,042 МПа. Прочность ОФ, изготовленных при послойном вакуумировании выше на 30 % прочности невакуумированных ОФ.

6. Показана возможность и выявлены особенности применения численного бескоординатного метода расчета напряжений и деформаций в осесимметричной ОФ на стадиях заливки их расплавом и затвердевании отливок. Для реализации этого метода разработано программное обеспечение, внедренное в учебный процесс по курсу «Специальные виды литья». С помощью данного метода можно получить наглядную картину напряженно-деформированного состояния ОФ, и использовать ее при разработке методик, направленных на снижение опасных напряжений в форме и тем самым процента брака отливок по вине ОФ.

7. Предложенная технология изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования позволяет упразднить брак моделей по усадке, снизить коэффициент объемного расширения моделей, повысить размерно-геометрическую точность и прочность моделей и ОФ и тем самым повысить размерно-геометрическую точность и плотность отливок.

8. Применение ПВМ позволит сократить длительность процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям за счет сокращения времени изготовления моделей (т.к. исключаются стадии расплавления и охлаждения модельного состава, нагрева и охлаждения пресс-формы и др.)

9. Предложенная технология изготовления ПВМ, ОФ и отливок прошла опробование в литейном цехе ОАО Комсомольского-на-Амуре авиационного производственного объединения и показала свою работоспособность, а также результаты исследований в виде экспериментальной установки и оснастки используются в учебном процессе кафедры «Машины и технология литейного производства» ГОУВПО Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Вакуумная технология получения моделей, оболочковых форм и отливок в литье по выплавляемым моделям / М.В.Салина, И.Г Сапченко // Материалы докладов ЗО-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов, Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2001.- С. 10-11.

2. Возможности снижения брака оболочковых форм (ОФ) на стадии их изготовления за счет вакуумирования в литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) / М.В Салина., И.Г Сапченко. Материалы докладов 31-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов, Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2001.- С. 10-11.

3. Влияние температур технологических сред на качество поверхности форм изготавливаемых по выплавляемым моделям / М.В Салина., А.И. Евстигнеев, И.Г Сапченко // Тезисы докладов региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «НАУКА. ТЕХНИКА. ИННОВАЦИИ», Часть 3 - Новосибирск: НГТУ, 2001.-С. 7-8.

4. Сапченко И.Г., Евстигнеев А.И., Салина М.В. Влияние технологических параметров на качество форм, изготавливаемых по выплавляемым моделям. // Литейное производство, 2002 .- № 4. С. 19-20

5. Влияние температур технологических сред на качество поверхности и прочность форм изготавливаемых по выплавляемым моделям / И.Г.Сапченко, М.В.Салина // Вестник ГОУВП «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»,

Од'.^е

Вып.З. Сб.2. Прогрессивные технологии машиностроения: Сб.науч.тр.-Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2002 .- С. 91-94.

6. Вакуумная технология получения тонкостенных отливок в литье по выплавляемым моделям / М.В. Салина // Нелинейная динамика и прикладная синергетика. Тезисы докладов международной научной конференции 23-24 сент. 2000 г. 4.1. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003 г.-С. 130-133.

7. Вакуумная технология изготовления удаляемых моделей в литье по выплавляемым моделям высокоточных отливок / В.Ю Щербина, М.В. Салина // Материалы докладов 34-й научно-технической конференции аспирантов и студентов, Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2004. - С.28-31.

8. Евстигнеев А.И., Петров В.В., Салина М.В., Одиноков В.И. Расчет напряжений и деформаций в осесимметричной оболочковой форме при затвердевании отливки. // Литейное производство, 2004.- № 6. С. 29-31.

КнАГТУ, тир. 100, зак. 18587

468

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. 10 1.1 .Основные задачи повышения качества отливок, получаемых по выплавляемым моделям.

1.2. Технологии получения моделей и оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Постановка экспериментов и объекты исследований

2.2. Исходные материалы для изготовления пористых и литых выплавляемых моделей, гипсовых, керамических, ОФ и отливок

2.3. Приготовление модельных составов, гипсового шликера и суспензий для керамических и оболочковых форм (ОФ)

2.4. Контроль свойств и качества порошкообразных модельных составов и суспензий.

2.5. Методики исследования влияния давления разряжения на свойства пористых выплавляемых моделей.

2.6.Методика исследования качества поверхности гипсовых, керамических и ОФ.

2.7. Методика исследования процесса заполнения тонких капилляров в гипсовой форме при литье вакуумным всасыванием

2.8.Вывод ы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАКУУМИРОВАНИЯ

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И РАЗМЕРНУЮ

ТОЧНОСТЬ ВЫПЛАВЛЯЕМЫХ МОДЕЛЕЙ.

3.1. Предпосылки выбора технологии изготовления пористых выплавляемых моделей.

3.2. Исследование влияния различной степени вакуумирования на физико-механические, технологические свойства и размерно-геометрическую точность ПВМ.

3.3. Исследование влияния различной степени и времени вакуумирования на плотность, объемную усадку и прочность литых выплавляемых моделей

3.4.Вывод ы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ВАКУУМИРОВАНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ

ОБЛИЦОВОЧНОГО СЛОЯ ФОРМ В ЛВМ.

4.1. Исследование влияния температурных условий на формирование облицовочной поверхности гипсовых, керамических и оболочковых форм. 122 4.2. Исследование влияния температурных условий и степени вакуумирования на формирование облицовочной поверхности гипсовых и оболочковых форм.

4.3 .Выводы.

ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛА В ОБОЛОЧКОВОЙ

ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ФОРМЕ.

5.1. Инженерная постановка задачи.

5.2. Математическая постановка задачи.

5.3. Выводы.

ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПВМ И ОФ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВАКУУМИРОВАНИЯ, ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТОЧНЫХ ОТЛИВОК В ЛВМ.

6.1. Анализ технологического процесса изготовления точных тонкостенных отливок методом литья вакуумным всасыванием.

6.2. Экспериментальное исследование процесса получения точных мелких отливок методом ЛВМ с применением ПВМ и ОФ, изготовленных при воздействии вакуумирования.

6.3. Выводы.

Развитие точного машино- и приборостроения, а также рост потребностей населения в ювелирных и стоматологических изделиях предъявляют повышенные требования к их качеству, дизайну и чистоте поверхности. Это требует создания более совершенных и стабильных технологических процессов, обеспечивающих получение литых изделий с высокой размерно-геометрической точностью, без последующей механической обработки.

Для получения мелких высокоточных, ювелирных, художественных и стоматологических изделий основное применение получило литье по выплавляемым моделям (ЛВМ). Этот способ обладает рядом преимуществ, таких, как возможность получения мелких сложных отливок практически из любых сплавов, с высокой размерно-геометрической точностью и чистотой поверхности, что позволяет приблизить отливки по качеству к готовым изделиям.

Но наряду с его достоинствами существует и множество недостатков: многооперационность и длительность цикла изготовления отливок, необходимость использования большого количества вспомогательных материалов, повышенная энергоемкость процесса, трудность управления технологическим процессом и несовершенство методов контроля, которые являются основными причинами сохраняющегося брака при получении отливок/1,2,3/.

Ввиду специфичности стоматологических, ювелирных и др. видов мелких высокоточных изделий устранение брака отливок очень проблематично. Конструктивные элементы такого типа отливок имеют крайне ограниченные размеры, тонкие стенки и сложную конфигурацию, но они должны выдерживать определенную функциональную нагрузку. Поэтому, иногда даже малозаметный дефект в отливке делает все цельнолитое изделие совершенно непригодным для использования. Последствия брака в мелком высокоточном литье усугубляются еще и тем, что не могут быть ликвидированы путем замены отдельных бракованных элементов новыми или ремонтом таких элементов. Отливка, полученная с каким-то видом брака, требует полной замены. Это наносит значительный материальный ущерб и требует дополнительных капиталозатрат. Поэтому в технологии изготовления мелкого высокоточного литья методом JIBM исключительное значение приобретает вопрос предупреждения брака. Предупреждение брака в литье целиком зависит от умения распознать характер брака и причину его возникновения.

Анализ основных видов брака отливок и причин его возникновения в JIBM показывает, что на брак отливок наибольшее влияние оказывает выплавляемая модель и оболочковая форма (ОФ). Поэтому проблема снижения брака удаляемых моделей и ОФ, повышение размерно-геометрической точности и качества поверхности моделей и ОФ является одной из актуальных в ЛВМ. В многочисленных работах современных отечественных и зарубежных исследователей, таких, как Шкленник Я.И., Озеров В.А., Иванов В.П., Лакеев A.C., Васин Ю.П., Баландин Г.Ф.,Тимофеев Г.И.,Рыбкин В.А., Евстигнеев А.И., Дошкарж И., Чернышов Е.А., Петров В.В.и др. были выявлены основные причины возникновения брака моделей и ОФ и разработаны методы их устранения.

Однако, несмотря на это, проблема повышения качества поверхности и размерно-геометрической точности моделей и ОФ остается актуальной и требует новых подходов к исследованию и разработке новых эффективных технологических процессов изготовления моделей и ОФ, а так же совершенствования известных методов.

Одним из эффективных направлений повышения качества форм и отливок в ЛВМ является использование вакуумирования. Вакуумирование при изготовлении отливок улучшает заполнение форм, позволяет получать тонкостенные отливки, способствует выходу газов. Использование вакуума при сушке ОФ позволяет ускорить этот процесс, вакуумирование суспензии при изготовлении гипсовых и оболочковых форм выводит воздух и газы на поверхность формы, что способствует повышению прочности форм.

Однако применение вакуумирования на других стадиях технологического процесса изготовления отливок (изготовление моделей, формирование ОФ) в ЛВМ недостаточно изучено. Поэтому актуальным является исследование воздействия вакуума на формирование моделей и форм в ЛВМ. Решение этой задачи требует комплексного изучения процессов, протекающих при формировании выплавляемых моделей и форм, а также физико-механических свойств моделей и форм, полученных при воздействии вакуума.

Одним из видов брака ОФ в ЛВМ также является растрескивание форм при высокотемпературных воздействиях (прокалке, заливке расплавом и затвердевании отливки). Растрескивание формы вызывает такой вид брака отливок, как засоры и др. поверхностные дефекты. На стойкость ОФ к растрескиванию влияет напряженно-деформированное состояние (НДС) форм. Снижение НДС значительно повышает трещиностойкость форм и сокращает брак отливок по засорам и поверхностным дефектам. Таким образом, актуальным направлением исследования также является определение НДС на этапах заливки ОФ расплавом и затвердевании отливки, поэтому в работе уделяется особое внимание вопросам математического моделирования НДС ОФ.

Таким образом, целью представленной работы является изучение процессов формирования пористых выплавляемых моделей (ПВМ) и ОФ с применением вакуума для повышения качества поверхности, размерно-геометрической точности и физико-механических свойств, а также исследование влияния НДС оболочковой формы на ее трещиностойкость.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

- анализ существующих процессов изготовления моделей, ОФ и отливок с применением вакуумирования на основе литературно-патентного обзора и определение задач исследования;

- исследование процесса изготовления выплавляемых моделей при воздействии вакуумирования и влияние различной степени вакуумирования на физико-механические, технологические свойства и размерную точность моделей;

- исследование процесса образования поверхностной пористости облицовочного слоя гипсовых, керамических и оболочковых форм в зависимости от температурных воздействий и различной степени вакуумирования на стадии их изготовления; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния многослойных осесимметричных ОФ при высокотемпературных воздействиях - при заливке их расплавом и затвердевании отливок численным методом;

- экспериментальная проверка применения вакуумирования при изготовлении выплавляемых моделей, ОФ и отливок, полученных методом ЛВМ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- предложен новый подход в технологии изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования;

- установлено и научно обосновано влияние температур технологических сред и различной степени вакуумирования на формирование облицовочного слоя гипсовых, керамических и ОФ;

- установлено и научно обосновано влияние вакуумирования и технологических режимов изготовления ПВМ на их физико-механические, технологические свойства и размерно-геометрическую точность;

- выявлены особенности НДС пористых осесимметричных ОФ при высокотемпературных воздействиях на основе математического моделирования процессов заливки ОФ и затвердевания отливок численным бескоординатным методом;

- сделан статистический анализ влияния технологических параметров (температуры формы и степени вакуумирования) на процесс получения тонкостенных отливок различного диаметра методом вакуумного всасывания.

Автор считает приятной обязанностью особо поблагодарить к.т.н., доцента Сапченко И.Г. за оказанное внимание при выполнении данной работы, преподавателей и сотрудников кафедры «Машины и технология литейного производства» КнАГТУ и сотрудников ИМиМ ДВО РАН за содействие в выполнении работы.

Работа выполнена в лаборатории и на экспериментальной базе Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета и Института машиноведения и металлургии ДВО РАН (ИМиМ ДВО РАН). Опробование проводилось в литейном цехе ОАО Комсомольского-на-Амуре авиационного производственного объединения (ОАО КнААПО).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа патентно-литературных данных выявлены основные виды брака отливок в ЛВМ на разных стадиях их изготовления и обоснован выбор направлений теоретико-экспериментальных исследований изготовления моделей, ОФ и отливок.

2. Разработаны методики изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования; методики исследования влияния технологических параметров процесса на заполняемость протяженных тонкостенных отливок методом литья вакуумным всасыванием. ПВМ изготавливались холодным прессованием с предварительным вакуумированием, ОФ изготавливались с послойным вакуумированием и при различных температурных условиях. Давление разряжения при вакуумировании моделей и форм 0,085-0,03 МПа.

3. Исследовано влияние различной степени вакуумирования на физико-механические и технологические свойства ПУМ. Установлено, что при воздействии давления разряжения 0,085-0,05 МПа и усилии прессования 12001500 Н, ПВМ обладают более высокой прочностью, плотностью, твердостью и размерно-геометрической точностью. Исследование размерной точности ПВМ показало, что наибольшие отклонения от размеров до 24 % имеют образцы, полученные при атмосферном давлении, наименьшие отклонения от заданных размеров (0,1 - 1,6 %) имеют образцы ПУМ, изготовленные при воздействии давлений разряжения от 0,07 до 0,05 МПа.

4. В ходе исследований выявлено влияние температур технологических сред и давлений разряжения на изменение поверхностной пористости форм. Установлено, что наибольшее влияние на увеличение поверхностной пористости облицовочного слоя форм оказывает температура модели и среды сушки. Управляя температурами модели (т.е. используя замороженные модели до - 10 - 15 °С) можно получить ОФ с минимальным процентом поверхностной пористости до 5-10 %.

5. При послойном вакуумировании оболочковых форм было установлено, что при давлениях разряжения 0,072-0,04 МПа поверхностная пористость снизилась на 30-40 %. Наименьший процент пористости до 1-2 % получен при изготовлении ОФ практически во всем интервале температур модели, суспензии и сушки. Исследования оболочковых форм на прочность при статическом изгибе показали, что прочность ОФ, полученных при послойном вакуумировании на 10 % выше по сравнению с прочностью ОФ, изготовленных традиционным способом.

6. Показана возможность и выявлены особенности применения численного бескоординатного метода расчета напряжений и деформаций ОФ на стадии заливки их расплавом и затвердевания отливки. Математическое исследование процесса заполнения расплавом и кристаллизации отливки в пористой осесимметричной оболочковой форме показало характер возникновения растягивающих и сжимающих напряжений и деформаций в слоях ОФ. С помощью данного метода можно получить наглядную картину напряженно-деформируемого состояния ОФ, которую можно использовать при разработке методик, направленных на снижение опасных напряжений в форме и тем самым процента брака отливок по вине ОФ.

7. Экспериментальные исследования применения вакуумирования при --> г изготовлении ПВМ, ОФ и отливок показали значительное повышение качества поверхности, размерно-геометрической точности, плотности и прочности. ПВМ, изготовленные без вакуумирования имеют отклонения по геометрической точности (в некоторых случаях до 50 %), низкую плотность и прочность, отклонения от заданных размеров до 5-7 %. ОФ изготовленные традиционным способом (без вакуумирования) имеют повышенную пористость облицовочного слоя (до 25-30 %) и снижение прочности. Оболочковые формы, изготовленные при послойном вакуумировании (давление разряжения 0,085

МПа) имеют удовлетворяющее требованиям качество облицовочной поверхности, размерно-геометрическую точность, соответствующую 9-10 квалитету, что на 1-2 квалитета выше, чем у традиционных ОФ. Отливки, полученные, заливкой вакуумным всасыванием с применением ПУМ и ОФ, изготовленных по разработанной вакуумной технологии имеют высокую размерно-геометрическую точность, по сравнению с отливками, полученными по традиционной технологии.

1. Литье по выплавляемым моделям. / Под ред. Я.И. Шкленника и В.А. Озерова. М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.

2. Богословский С.Д. Литье мелких стальных деталей по выплавляемым моделям. М.: Машиностроение, 1982. - 72 с.

3. Специальные способы литья. Справочник / В.А. Ефимов, Г.А. Анисович, В.Н. Бабич и др. Под общ.ред. В.А. Ефимова. М.: Машиностроение, 1991. -436 с.

4. Лакеев A.C. и др. Прогрессивные способы изготовления точных отливок. К.: Техника, 1984. - 160 с.

5. Высокочастотное литье в зубопротезной технике. М.: Медицина, 1977.—142 с.

6. Степанов Ю.А., Баландин Г.Ф., Рыбкин В.А. Технология литейного производства: Специальные виды литья. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1983. - 251 с.

7. Евстигнеев А.И., Тимофеев Г.И., Сапченко И.Г. и др. Совершенствование технологических процессов формообразования керамических форм. Хабаровск, 1989. - 48 с.

8. Лакеев A.C. Формообразование в точном литье. Киев: Наукова думка, 1986.-256 с.

9. Дошкарж И., Габриэль А., Гоушть М. и др. Производство точных отливок. -М.: Машиностроение, 1980. 296 с.

10. Гаранин В.Ф., Климкин Ю.И. Теплофизические характеристики воскоподобных модельных материалов // Вопросы теории и технологии литейных процессов. Комсомольск-на-Амуре, 1985. - С. 92-95.

11. Хориути Н., У гота К., Мюрита Я. Точное литье крупногабаритных отливок// Имоно, 1984. -С. 110-115.

12. Евстигнеев А.И. Управление деформационной устойчивостью оболочковых форм по выплавляемым моделям. // Автореф. дис. доктора техн. наук. Владивосток. - 1996. - 45 с.

13. Куренков В.И. Управление структурой и свойствами оболочковых форм по выплавляемым моделям // Автореф. дис. канд. техн. наук. -Комсомольск-на-Амуре. 1996. - 24 с.

14. Жилин С.Г. Управление структурой и свойствами пористых комбинированных удаляемых моделей // Автореф. дис. канд. техн. наук. -Комсомольск-на-Амуре. 2002. - 19 с.

15. Шуляк В.С., Рыбаков С.А., Григорян К.А. Производство отливок по газифицируемым моделям / Под ред. проф., д.т.н. В.С.Шуляка М.: МГИУ, 2001.-330 с.

16. Писарев И.Е. Одна оценка шероховатости поверхности оболочковых форм по выплавляемым моделям // Изв. вузов. Машиностроение. 1985. № 5. -С.110-116.

17. Писарев И.Е., Писарев О.И. О размерной точности оболочковых форм по выплавляемым моделям // Изв.вузов. Машиностроение. 1985. № 7. - С.97-101.

18. Писарев И.Е., Писарев О.И. О шероховатости поверхности оболочковых форм и керамичесих стержней // Рукоп. деп. в ВНИИТЭМР2806.88. № 233 -мш.88.

19. Писарев И.Е., Писарев О.И. Еще раз о шероховатости поверхности оболочковых форм и керамичесих стержней // Рукоп. деп. в ВНИИТЭМР0604.89. № 136-мш.89.

20. Сокол И.Б. Обжиг и заливка оболочковых форм, изготовленных по выплавляемым моделям. // Взаимодействие литейной формы и отливки: Сборник. М.: АН СССР, 1962. - С.326-332.

21. Иванов В.Н., Чулкова А.Д. и др. Снижение времени прокаливания формы из кристаллического кварца. // Повышение качества и эффективности литья по выплавляемым моделям. М.: МДНТП, 1981. - С. 64-72.

22. Тимофеев Г.И., Евстигнеев А.И. и др. О термостойкости армированных форм в литье по выплавляемым моделям. // Повышение качества отливок и слитков. Горький, 1981. - С.86-91.

23. Брайнин М.И., Маценко А.П., Юдин В.В. Увеличение термостойкости оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям // Литейное производство. 1982. № 7. - С.37-38.

24. Руденко А. А., Рыбкин В.А. Применение пористых огнеупорных материалов в оболочковых формах, полученных по выплавляемым моделям // Литейное производство. 1979. - № 2. - С. 18-20.

25. Моисеев С.Т., Юй Г.М. и др. Пористые огнеупорные материалы в литье по выплавляемым моделям // Технология производства, научная организация труда и управления. 1979. № 4. - С. 1-2.

26. Голеников Ю.В., Рыбкин В.А. Оценка деформаций оболочковых форм при заливке // Литейное производство. 1989.- № 7.- С.17-18.

27. Добродеев В.В., Воздвиженский В.М., Кудрявцева Е.Е. Повышение качества отливок при литье по выплавляемым моделям. // Новые высокопроизводительные технологические процессы. Киев, 1986. - С. 110111.

28. Добродеев В.В., Воздвиженский В.М., Кудрявцева Е.Е. Повышение точности графитовых форм по выплавляемым моделям. // Эконом, мет. при констр. И про-ве отливок. Вып.1. Пенза, 1986. - С.17-20.

29. Евстигнеев А.И., Латухин А.Ю. К вопросу напряженно-деформированного состояния ОФ по выплавляемым моделям // Совершенствование технологических процессов и оборудование в литейном производстве. Хабаровск, 1989. - С. 107-114.

30. Лозингер В.А. Повышение термостойкости оболочек для литья по выплавляемым моделям. // Автореф. дис. канд.техн.наук. Киев. - 1985.-18 с.

31. A.c. 458390 СССР. В 22 С 9/12. Выплавляющий водный раствор для удаления легкоплавких моделей из керамической формы. / Ю.С. Ислантьев, Н.П. Фролов. Опубл. 1975. Бюлл. № 4.

32. Иванов В.Н., Чулкова А.Д. Разделение выплавляющей среды и модельной композиции. // Литейное производство. 1974. - № 4. - С. 37-38.

33. Заявка 57-17156. Япония. МКИ В 22 С 9/04 / Морита Ясухору. -Опубл. 12.02.81.

34. Заявка 57-17158. Япония. МКИ В 22 С 9/04 / Морита Ясухору. -Опубл. 12.02.81.

35. Волокнистые композиционные материалы. / Под ред. С.З. Бокштейна. -М.: Мир, 1967.-284 с.

36. Будников Н.П., Ливинский Ю.Е. Новые керамические материалы. -М.: Знание. 1968.-48 с.

37. A.c. 1139560 СССР. В 22 С 9/04. Способ изготовления оболочковых форм, полученных по выплавляемым моделям. / И.Е. Писарев, В.М. Рогожин, О.И. Писарев. № 3607964/22 - 02; Заявл. 17.06.83; Опубл. 1985. Бюлл. № 6.

38. Евстигнеев А.И., Тимофеев Г.И., Сапченко И.Г. Барботажная технология и установки приготовления связующих растворов и суспензий для ЛВМ. Владивосток: ИМиМ ДВО РАН, 1997. С.234-246.

39. Евстигнеев А.И., Тимофеев Г.И., Сапченко И.Г. Проектирование и расчет пневмоустановок для приготовления связующих и суспензий. // Литейное производство. 1985. - № 9. - С.22-23.

40. Евстигнеев А.И., Чернышов Е.А., Сапченко И.Г. Некоторые направления и предпосылки проектирования барботажных перемешивающих аппаратов. // Повышение качества и эффективности литья по выплавляемым моделям. М.: МДНТП, 1986. - С.99-106.

41. A.c. 1196100 СССР. В22 С9/04. Способ приготовления суспензии и установка для его осуществления. / В.И. Уваров, Е.А. Чернышов и др. Опубл. 1985. Бюлл. № 45.

42. Евстигнеев А.И., Чернышов Е.А. Установки приготовления связующих растворов и суспензий для керамических оболочковых форм. // Литейное производство. 1984. - №5. - С.20.

43. Евстигнеев А.И., Сапченко И.Г. Основные процессы и аппараты приготовления связующих растворов и суспензий в точном литье по постоянным моделям. // Повышение эффективности литейных процессов и качества отливок. Хабаровск: КнАПИ, 1986. - С.115-130.

44. Евстигнеев А.И., Васин В.В., Черномас В.В. и др. Модель технологического процесса и установок приготовления связующих растворов и суспензий. // Управление строением отливок и слитков. Горький, 1989. -С.95-101.

45. Сапченко И.Г., Петров В.В., Евстигнеев А.И. Тепловые процессы управления пористостью структур ОФ в ЛВМ. // Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела: Сб. науч. трудов. Владивосток: ИМиМ ДВО РАН, 1997. -С.234-246.

46. A.c. 1135528 СССР. МКИ В 22 С 9/04, 9/12. Способ изготовления литейных форм по выплавляемым моделям. / Пиевский И.М., Шпильский А.Б. -Опубл. 1985. Бюлл. №3.

47. Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье: Учебник для >- технических вузов и художественно-реставрационных училищ. СПб.:1. Политехника, 1996.-231 с.

48. Точное литье. GIFA 84: Fein und Genaugießverfahren. Büchen Wolfgang. // "Giesserei", 1984, 71 № 21, 832-837,2.

49. Л.Г. Знаменский. Вакуумно-ультразвуковая дегазация гипсовых смесей в точном литье. // Литейное производство. 2002. - №10. - С.26-27.

50. Применение процессов заливки форм с использованием вакуума. Reynolds Y. A. "Ghh World Conf. Investment Cast., Washington, D.C., Oct. 10-13, 1984" S.Y., s.a., V. 3/01 3/07.

51. Пат. 4791977 США. МКИ 4 В22 Д18/06. Способ изготовления отливок. Chondley George D.; Metal Casting Technology. № 47907; Опубл. 20.12.88; НКИ 164/63.

52. A.c. 1214313 СССР. МКИ В22 С9/12. Способ сушки форм, получаемых по выплавляемым моделям./ Бутцева JI.H., Бутцев А.Н. Опубл./ 1986. Бюлл. №8.

53. Шагеев З.А. Современные скоростные способы точного литья по выплавляемым моделям. М.: МАИ. - 1970. - 107 с.

54. Курепин В.И. Трещинообразование в ОФ при выплавлении модельного состава. // Литейное производство. 1983. -№11.- С.21-22.

55. Евстигнеев А.И. Управление деформационной устойчивостью ОФ по выплавляемым моделям. // Автореферат дис.д.т.н. Владивосток. - 1996. - 45 с.

56. Васин В.В. Исследование процессов формообразования оболочки повыплавляемым моделям и их влияние на свойства форм. // Авторефератдис.к.т.н. Комсомольск-на-Амуре. - 1996. - 20 с.

57. Ферштатер И.Б. Низкотемпературное прокаливание ОФ. // Литейное производство. 1985. - №10. - С.20-21.

58. Заявка 6328044 Япония. МКИ В22 С9/04 / Минами Йоити-ро. Опубл. 06.02.87.

59. Reynolds Y.A. The scrata replicact process advances in shell-moulding techniques // Six world conf. Investment cast. Washington. - 1984. - P. 10-13.

60. A.c. 1197767 СССР. МКИ B22 C9/04, B22 Д18/06. Способ получения отливок в оболочковой форме и литейная форма для его осуществления. / Ефремов С.А., Пушкарев A.A., Ткаченко В.Н. Опубл. 1985. Бюлл. № 46.

61. Cost effective investment costing of thin Sections the CLA - process. Recaldin A.Y. "Des. Eng" (Gr. Brit.), 1985, Oct., 149,153,157 (англ.)

62. Литье по выплавляемым моделям в вакууме. Präzision aus dem

63. Vakuum: Aluminiumfeingussniit hoher Oberflächengüte und Massgenauigkeit. Lorch D., "Aluminium", 1988, 64 № 5, 500-501 (нем.)

64. Применение CLA процесса. Some developments in investment castings. Recaidin A.J. "Stainless Steel Ind.," 1984,12. - № 69, 12-15 (англ.)

65. Литье по выплавляемым моделям. Nichigori Toruro. "Umono, J. Japan, Fourdrjmen ■ s Soc.", 1987, 59, № 1, (9-15) япон.

66. Заливка керамических оболочковых форм. Klement Josef. Slevarens tvi, 1986, 34 №9, 377-381.

67. A.c. 1310098 СССР. B22 C9/04. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям / Ю.П. Васин, Т.М. Евсеева и др.- № 3915600/31-02; Опубл. 1987. Бюлл. № 18.

68. Заявка 56-148440 Япония. МКИ В 22 С 7/02 / Кубота Кацуеси // Дайсэру кагаку коге к.к. 1981.

69. Заявка 57-165156 Япония. MICH В 22 С 7/02 /Мураки Минору // Дайсэру кагаку коге к.к. 1982.

70. A.c. 1214321, СССР. МКИ В 22 Д 18/06. Устройство для заливки под вакуумом литейных форм. / Филимонова В.Н., Ченцов A.C., Петров А.Н., Жданов Г.С. Опубл. 1986. Бюлл. № 8.

71. Одиноков В.И. Численное исследование процесса деформации материалов бескоординатным методом. Владивосток: Дальнаука, 1995. 168 с.

72. Одиноков В.И. Численное исследование процесса деформации материалов бескоординатным методом. Владивосток: Дальнаука, 1985.- Т.21. -№ 1. -С.97-102.

73. Петров В.В., Аласкаров Н.И., Одиноков В.И. Расчет напряжений и деформаций в оболочковой форме при затвердевании отливки. // Литейное производство.- 2000. №3. - С.53-55.

74. Сапченко И.Г., Штерн М.В. Расчет напряжений и деформаций в оболочковой форме при затвердевании отливки // Сборник « XXI Российская школа по проблемам науки и технологий. Краткие сообщения. Екатеринбург: УрО РАН. - 2003. - С.263-265.

75. Рыжков Н.Ф., Гини Э.Ч. Литье методом вакуумного всасывания.- М.: Машиностроение, 1982-95 с.

76. Сапченко И.Г. Управление пористым строением и свойствами оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям // Автореферат дис.канд.техн.наук. Н.Новгород. - 1991. - 24 с.

77. Одиноков В.И. Численный метод решения дифференциальных уравнений пластического течения // Прикладная механика. 1973. - Вып.9.№ 12.

78. Одиноков В.И. Численное решение некоторых задач о деформации несжимаемого материала // Прикладная механика. 1974. - Вып. 10. - № 1.

79. Одиноков В.И., Песков A.B. Методика расчета напряжений и деформаций при упругой и упруго-пластической деформации: Учеб. пособие / Свердл. инж.-пед. ин-т, Свердловск 1989. - 36 с.

80. Щур В.А. Современные методы контроля и исследования процессов литья по выплавляемым моделям. — М.: НИИМАШ, 1970.- 72 с.

81. Медведев Я.И., Валисовский И.В. Технологические испытания формовочных материалов. М.: Машиностроение, 1973. - 310 с.

82. Гуляев В.В., Корнюшкин O.A., Кузин A.B. Формовочные процессы. -JL: Машиностроение: Ленинградское отделение, 1987. 264 с.

83. Литье вакуумным всасыванием. Койке Сусуку, Хироеэ Иосиоки: к.к. Кобэ сэйкосе. Япония. Заявл. 13.11.85 № 60-255786, опубл. 26.05.87 МКИ В 22- ' Д 18/06.

84. Способ литья вакуумным всасыванием и устройство для его ^ осуществления. Уодзумо Минору, Масаока Тосино и др. Тоета дзидося к.к.1Г311ПЗаявка62-33051,Япония. Опубл. 13.02.87. МКИВ22 Д 18/06

85. А.с. 39668 НРБ, МКИ 2 В 22 С 9/ 00/ Кирилов Кирилл Любенов; Висш. Машиино-електротехн. Институт «В.И. Ленин» № 69698; Заявл. 11.04.85; опубл. 29.08.86. Способ изготовления оболочковых форм.

86. Borsan Alex Литье по выплавляемым моделям художественных изделий Metallurgia, 1970,22, № 9, 566-567.-V/