автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Основы теорий и технологий получения корпусных чугунных отливок ответственного назначения для станкостроения

РГЗ од

. Д'сп 1398

ТКАЧЕНКО Станислав Степанович

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОРПУСНЫХ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ СТАНКОСТРОЕНИЯ

Специальность - 05.16.04 - литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ 1998г.

Работа выполнена в Проектно-технологическом институте литейного производства (ПТИлитпром) Санкт-Петербург

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие: АО УЗТиУС, г.Ульяновск

Защита состоится "24"декабря 1998 года в "— часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.08. по присуждению учёных степеней Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург,Политехническая ул., 29 (химический корпус,ауд.51).

Ваш отзыв на автореферат диссертации в двух экземплярах,заверенных печатью организации,просим выслать по указанному адресу на имя Учёного секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ.

Г.А.КОСНИКОВ

И.В.ВАЛИСОВСКИЙ

В.В.ДЕСНИЦКИЙ

Автореферат разослан " 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Г. С. КАЗАКЕВИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Требования к металлорежущим станкам по чистоте и точности обработки непрерывно повышаются. Новое поколение станков должно обеспечивать скорость вращения шпинделя более 100 ООО об/мин и норму точности 3-5мкм. Успешное соблюдение точностных параметров станков зависит от корпусных (базовых) деталей -станин, стоек, столов, траверс и др., на долю которых приходится 80-85% от массы металлообрабатывающего комплекса. Эти детали должны обладать высокой жёсткостью, износостойкостью, демпфирующей способностью, точностью геометрических размеров и нормируемой шероховатостью поверхностей.

Характерными особенностями отливок этого класса являются: сложность конфигурации, значительная масса (5-120т), мелкосерийный и единичный характер производства.Основным процессом формообразования таких отливок остаётся формовка в почве и опоках.

Технология производства отливок с требуемыми эксплуатационными свойствами для изделий различных отраслей машиностроения достаточно изучена и освоена. Однако, для станкостроительной отрасли производство монолитных базовых отливок, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, остаётся актуальной проблемой.

Необходимо исследование управляющих факторов технологического процесса, влияющих на структурообразование, демпфирующие свойства и геометрическую точность отливок, обеспечивающих улучшение их эксплуатационных свойств.

В базовых монолитных отливках из серого чугуна не достигаются одновременно оптимальные значения параметров износостойкости, демпфирующей способности и остаточных напряжений.

Изготовление базовых деталей станков методом сварки из стальных элементов или из полимеров с неорганическими наполнителями также не обеспечивает получения дифференцированных свойств.

Эту проблему предлагается решить, используя технологию изготовления композиционных отливок с дифференцированными свойствами (КОДС), позволяющую синтезировать отдельные элементы изделия. Они могут быть изготовлены наиболее прогрессивными методами формообразования из материалов с оптимальными эксплуатационными параметрами, что обеспечивает получение базовых деталей с заданными эксплуатационными характеристиками.

В машиностроении объединение деталей в узлы, получаемые из раз личных металлов, осуществляется механическим способом. При этом контактная зона ослаблена и восприимчива к вибрации. При композиционном литье между элементами отливки осуществляются физико-химические связи.

Опыт изготовления базовых отливок станков из' композиционных элементов (модульный метод) в мировой практике отсутствует. Это связано как с технологическими, организационными особенностями производства композиционного литья, так и с недостаточной информированностью конструкторов о свойствах и возможностях композиционных литых заготовок как конструкционного материала.

Технические решения, опробованные в станкостроении, могут быть внедрены и в других отраслях промышленности.

Цель работы: повышение эксплуатационных характеристик базовых деталей станков с регламентированным уровнем свойств на основе совершенствования традиционных технологических процессов производства литых заготовок, разработки и внедрения принципиально новых процессов изготовления корпусных деталей станков из бесстержневых композиционных чугунных отливок, обладающих дифференцированными свойствами.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

- исследовать влияние шихтовых материалов на базе передельного чугуна, комплексных легирующе-модифицирующих добавок и внепечной обработки расплава на сруктуру серого чугуна;

- исследовать влияние ферроникелевых лигатур на структуру и механические свойства чугуна в отливках;

- исследовать влияние факторов, оказывающих воздействие на разброс размеров в системе модель-форма-отливка, на основе обмеров и статистического анализа и разработать методы повышения размерной точности отливок;

- исследовать процесс образования пространственных отклонений -заливов;

- изучить условия формирования поверхности элементов формы и определить их влияние на шероховатость поверхности отливок;

- разработать технологический процесс, минимизирующий образование подповерхностных газовых пороков в отливках станин, определяющих их износостойкость и контактную жёсткость;

- исследовать возможности изготовления станочных отливок сложного контура и повышенной точности в композиционных формах (ЖСС-керамика);

- экспериментально показать возможность использования композиционных методов изготовления деталей;

- разработать основы технологического процесса производства композиционных отливок с дифференцированными свойствами - (КОДС) и провести промышленное опробование.

Научная новизна. Основные научные результаты работы:

- выявлены закономерности образования трещин в станочных отливках

при использовании в шихте литейных и передельных чугунов и на их основе разработана комплексная проба на трещиноустойчивость и сформулированы условия, обеспечивающие отсутствие трещин в отливках;

- уточнён механизм влияния ковшевой обработки расплава, полученного с использованием шихты, содержащей 50-100% передельного чугуна, легирующе-модифицирующими добавками ферросиликохрома различных марок (ФСХ18, 30, 40) на механические свойства и структуру чугуна в отливках;

- установлены закономерности влияния ферроникелевых лигатур на структуру и механические свойства отливок при использовании в шихте передельных чугунов;

- установлены закономерности влияния отдельных стадий техно. логического процесса изготовления отливок на их геометрическую точность,

позволяющие подобрать методы и технологические приёмы повышения геометрической точности;

- исследованы процессы и выявлены причины образования заливов;

- разработан комплекс математических моделей, позволяющих оптимизировать технологические решения, обеспечивающие - заданную структуру и механические свойства чугуна в отливках при использовании в шихте ферросиликохрома, минимизацию величины заливов и повышение точности отливок;

- выявлены закономерности процессов взаимодействия в системе чугун-сталь при изготовлении композиционных тливок.

Практическая значимость

и реализация результатов работы в промышленности:

- разработана и внедрена внепечная обработка жидкого чугуна комплексным ферросплавом (ФСХ-18), обладающим легирующим и модифицирующим воздействием;

- разработана и реализована технология легирования серого чугуна ферроникелем взамен легирования дефицитным природнолегированным чугуном, а также гранулированным № и ферромолибденом;

- разработаны составы унифицированной шихты на базе передельных чугунов, позволяющие полностью исключить из процесса литейные чугуны;

- разработана и реализована технология производства крупных чугунных отливок для уникальных металлообрабатывающих комплексов с числовым программным управлением, обеспечивающая минимизацию заливов, подкорковых неметаллических включений и газовых раковин;

- разработаны и реализованы комплексные мероприятия по борьбе с заливами;

- разработана и реализована технология производства резьбовых реек в композиционных песчано-керамических формах;

- предложена технология и организовано производство композиционных отливок с дискретными направляющими, обладающих дифференцированными свойствами.

Предложена комплексная программа для определения степени армирования, температуры металла и арматуры, состава матрицы для образования надёжных когезионных связей.

Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью расчётных и экспериментальных данных, использованием современных методик, оборудования и приборов, внедрением результатов работы в производство.

В результате выполненной работы решается проблема внедрения в станкостроении литых заготовок с высокими жёсткостью, износостойкостью, демпфирующей способностью, точностью геометрических размеров при изготовлении наиболее ответственных деталей металлообрабатывающих комплексов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических семинарах в Санкт-Петербурге в 1990-96г.г., на научно-технических конференциях Минстанкопрома в городах Москве, Ульяновске, Иваново, Рязани, Краматорске в 1980-1988 г.г., на Третьем Всесоюзном съезде литейщиков в Волгограде (1989г.), Втором съезде литейщиков России в г. Ульяновске (1995г.), на конгрессе станкостроителей в Москве, ( 1997г.), на 3-м съезде литейщиков России в Г.Владимире, (1997г).

Отливки, полученные с применением в шихте ферроникеля и внепечной обработки расплава комплексными модификаторами, использованы в серийных станках станкостроительной отрасли. Композиционные отливки с дискретными направляющими использованы в горизонтально-фрезерном станке -2А622МФ4

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 брошюры, 48 печатных статей, получено 8 авторских свидетельств.

Личный вклад авто р а. В представленной работе обобщены результаты экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ЛСПО им.Я.М.Свердлова, ВПТИлитпрома, СПбГТУ, ИПЛ НАНУ в качестве руководителя хоздоговорных работ. При этом автору принадлежит постановка проблемы в целом и задач экспериментальных исследований; непосредственное участие в интерпретации и обработке результатов экспериментов, написание статей; решение основных задач по выбору вариантов технологии получения монолитных базовых отливок и композиционных модульных литых заготовок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложены особенности, технико-экономические требования и методы изготовления базовых отливок металлорежущих станков.

Корпусные детали металлорежущих станков традиционно изготавливаются из серого чугуна, который имеет удовлетворительную износостойкость при трении скольжения, обладает высокой демпфирующей способностью и хорошими литейными свойствами.

Характерными особенностями корпусных (базовых) деталей станков являются:

- сложность конфигурации;

- разностенность;

- разнородность свойств в отдельных частях;

- большие габариты и массы отливок (до 120т).

Одним из основных требований, предъявляемых к корпусным деталям, является износостойкость, зависящая от структуры матрицы (микротвёрдости перлита), размеров графитовых включений и расстояний между ними и доминирующая способность, функционально зависящая от структуры графита.

Установлено, что отливки, обладающие высокой демпфирующей способностью, имеют структуру с крупными графитовыми включениями, получаемыми при заливке чугуна с высоким углеродным эквивалентом, в то же время такая стуктура понижает износостойкость. Таким образом, при изготовлении отливок из чугуна одного состава можно получать структуру матрицы с усреднёнными параметрами износостойкости и демпфирующей способности, что не отвечает эксплуатационным требованиям, предъявляемым к станкам с повышенной точностью обработки.

Технология заливки корпусных деталей (станин) из чугуна разных составов с целью получения дифференцированных свойств в монолитной отливке затруднительна, т.к. в реальных условиях производства трудно обеспечить надёжную связь двух слоев расплавов. Необходим поиск новых технологий, обеспечивающих получение направляющих базовых деталей из износостойкого чугуна, а всей остальной части из чугуна с высокой демпфирующей способностью.

Одним из факторов, определяющих точностть станка, является коробление деталей в процессе эксплуатации под влиянием остаточных напряжений.

Создание условий терморегулирования охлаждения отливок, имеющих разностенную конструкцию,в период кристаллизации осуществляется литыми холодильниками. Однако в процессе прогрева холодильников создаются тепловые узлы, увеличивающие остаточные напряжения. Охлаждение массивных частей отливки холодильниками с проточными средами позволяет

выравнивать- скорости охлаждения тонких и толстых частей отливки, но такая технология весьма сложна и её применение очень ограничено. Поэтому наблюдаемый уровень остаточных напряжений в отливках зависит от релаксационной стойкости чугуна.

Все известные методы стабилизации отливок из серого чугуна позволяют создать лишь равновесие между остаточными напряжениями и релаксационной стойкостью для данной геометрии отливки. Остаточные явления коробления устраняются за счёт снятия припуска при механической обработке.

Для исключения коробления отливок необходимо, чтобы напряжения были на низком уровне и не появлялись даже при малой релаксационной стойкости чугуна. Существующая технология изготовления базовых отливок пока не позволяет это сделать, хотя и осуществляется интенсивный поиск минимизации напряжений в процессе изготовления отливок.

Сложность конфигурации базовых деталей, вызванная требованиями к ним по жёсткости, обуславливается применением в процессе формообразования большого количества стержней, что создаёт дополнительные трудности в управлении контактными процессами в системе форма - металл.

Имеющие место усадочные процессы приводят к образованию различных пороков, требующих затрат на их исправление и ухудшающих эксплуатационные свойства отливок.

В настоящее время, помимо изготовления корпусных деталей из серого чугуна литьём в песчаные формы, возможно применение и других технологических процессов, например:

- сварных конструкций из стального проката;

- литья из полимеров с зернистым наполнителем (синтегран).

Сварные конструкции позволяют сократить массы корпусных

деталей на 15-30% и цикл их изготовления в 2-3 раза, обеспечить высокую жёсткость, изготавливать детали со стенками различной толщины. Недостатками этих конструкций являются:

- низкая демпфирующая способность, влияющая на износ направляющих и точность обработки деталей на станке;

- создание повышенного звукового давления;

- необходимость термостабилизации для сохранения формы и размеров.

Область применения сварных конструкций для корпусных деталей

станков с учётом повышенных требований к их точности не превышает 10% от общего производства корпусных заготовок в станкостроении.

Литьё из полимеров с зерновым наполнителем "синтегран" разработано фирмой ЭМАГ. В качестве наполнителя используется горная порода высокой прочности, связующим материалом служит эпоксидная смола. Синтегран практически не реагирует на колебания температурной среды, устойчив к воздействию внешних сред и обладает высокой

демпфирующей способностью. Технологический процесс изготовления корпусных деталей из полимеров значительно оперативнее, чем из чугуна, сокращает объём механической обработки, позволяет обеспечить стабильность геометрии и получить высокую износостойкость за счёт закладных направляющих. Однако, прочностные характеристики синтеграна в 12-15 раз ниже, чем у чугуна средней прочности, поэтому литьё из синтеграна может быть использовано только для малонагруженных корпусных деталей.

Таким образом, существует специфическая область производства базовых деталей станков, где могут быть использованы только литые чугунные заготовки, обеспечивающие оптимальное сочетание износостойкости, демпфирующих и прочностных свойств.

Прозводство таких заготовок может быть эффективным, если наряду с прочими будут решены вопросы минимизации или устранения характерных для этого вида литья дефектов: нестабильности структуры, заливов, газовых включений. Решение проблемы возможно как за счёт совершенствования традиционных технологических процессов литья, так и путём разработки и реализации приципиально новых технологических подходов.

Во второй главе приводятся результаты исследований влияния шихтовых материалов и обработки расплава комплексными легирующе-модифицирующими добавками на свойства чугуна.

Отсутствие природнолегированных и сокращение выпуска литейных чугунов и вынужденная замена их передельными чугунамй потребовали исследований и поиска технологий, обеспечивающих необходимую структуру металла и эксплуатационные требования к корпусным отливкам, полученным при ваграночном процессе.

Лабораторные и промышленные плавки с использованием в шихте передельного чугуна в количестве от 50% и более показали, что при этом:

- увеличивается склонность выплавляемых чугунов к отбелу и образованию трещин;

- происходит резкое размельчение пластинчатого графита до образования междендритнош;

- необходима дополнительная ковшевая обработка расплава ферросплавами.

Для изучения закономерности образования трещин при использовании различного количества литейного (ЛК2, ЛКЗ) и передельного чугуна (ПЛ1, ПЛ2) проведены исследования на отливках, моделирующих элементную часть станины. Предложена комплексная проба на трещиноустойчивость и отбеливаемость. Химический состав регулировался введением в вагранку ферросплавов (ФС18, ФМп, ФХ).

В результате исследований выявлены зависимости образования трещин в отливках из литейного и передельного чугуна. Установлено, что при достаточно близких химических составах (С - отбел при

использовании передельных чугунов в 2 раза больше, чем при литейных.

Для получения химического состава чугуна марок СЧ20, СЧ25 (в соответствии с требованиями ОСТ2 МТ21-2-90 "Отливки из серого чугуна с пластинчатым графитом для станкостроения") и установления вредного влияния передельного чугуна проведены исследования и поиск технологий, обеспечивающих необходимые свойства корпусных отливок при применении передельных чугунов.Выбор комплексных лигатур производился по эффективности их влияния на повышение твёрдости в массивных сечениях с учётом структурных изменений чугуна. В работе использованы ферросплавы с различным соотношением Сг:Б1 (ФСХ18, ФСХЗО, ФСХ40).

При плавке комплексные присадки вводились на жолоб вагранки во время выпуска металла. Усвоение легирующих элементов составляло 7595% при температуре 1350 - 1370 °С и 60 - 80% при температуре 1310 -1330 °С.

При исследованиях структуры и твёрдости легированных чугунов применены методы количественной металлографии, спектральный, химический и термографический анализы.

Износостойкость определялась в условиях контактного взаимодействия поверхностей трения, имитирующих режимы работы направляющих различных станков. Опытно-промышленная проверка способа повышения твёрдости и износостойкости направляющих базовых станочных деталей за счёт легирования комплексными присадками производилась при изготовлении отливок массой от 600 кг до 28 т.

При легировании ферросиликохромом для достижения одинаковых значений твёрдости в массивных сечениях величина добавки ФСХ18 должна быть на 15-25% меньше, чем ФСХЗО (р,ис.1).

Добавка ферросиликохрома,%

Рис. 1. Изменение твёрдости металла в центральной части образцов при легировании чугуна 3,11 С; 1,64 81 и 0,08 Сг ферросиликохромом ФСХ18 (а), ФСХЗО (б) и ФСХ40 (в).

Математическая обработка экспериементальных данных по изменению твёрдости чугуна за счёт легирования ферросиликохромом различных марок, в которых суммарное содержание хрома и кремния составляет 74-78%, а отношение Сг:51 =0,85-2,25, даёт следующую зависимость:

НВ = 478-47Сэ - (173-44СЭ )КФ + (100-22Сэ )(КФ)2 - 66Я +1 №2, (1)

где К = 1 + 0,4 (-£. - 1,7) - 0,08 (-91 - 1,7)2 ;

С = С + 0,381 - углеродный эквивалент;

Ф - добавка ферросиликохрома, %;

Я - приведённая толщина отливки, см.

Однако данная технология внепечной обработки обладает следующими недостатками:трудно достигается равномерность распределения легирующих элементов, при плавке в обычных вагранках низкое усвоение элементов, введение до 1,5% ферросиликохрома при больших объёмах ковша приводит к недопустимому снижению температуры чугуна.

Проблема получения корпусных отливок с высокой износостойкостью без природнолегированных чугунов и с высоким содержанием в шихте высокоуглеродистых и низкокремнистых передельных чугунов была решена за счёт применения в качестве лигатуры электропечного ферроникеля (ФН), имеющего химический состав №+Со - 3,5-4,0% ; - 6-8%; С < 1,5%; Сг - 1,0%;

Си - 0,1%; 8 - 0,1%; Р - 0,15%.

По химическому составу ферроникель имеет все компоненты, содержащиеся в природнолегированных чугунах: возможно осуществлять механизацию его загрузки в вагранку, т.к. в отличие от никеля он является магнитным материалом.

В результате исследований процесса выплавки чугунов СЧ25 и СЧЗО с содержанием в шихте передельных чугунов (50-100%) и ферроникеля (8-10%) достигнуты:

- снижение влияния разностенности отливок на термическое и фазовое напряжения;

выравнивание однородности структуры и обеспечение получения необходимой твёрдости;

- отказ в отдельных случаях от использования наружных холодильников.

Изменение твёрдости при снятии припуска на отливке из чугуна СЧЗО

на глубине 15мм от поверхности отливки представлено на рис.2, а частотные кривые распределения прочности при изгибе на рис.3.

Микроструктура чугуна направляющих отливки станины 2А622.111101, изготовленной с использованием ферроникеля ФН-06 без применения холодильников, представлена на рис. 4.

Структура состояла из сорбитообразного и мелкопластинчатого перлита

Пд 0,5 на площади более 98%, площадь графитовых включений 8%, длина Гд 7.

Приведённая структура соответствует ОСТ2 МТ21-2-90.

Полученные положительные результаты при использовании ферроникеля и ковшевая обработка расплава позволили разработать единую (универсальную) шихту для низколегированных чугунов (табл.1). Из универсальной шихты выплавляется базовый расплав, а необходимый состав чугуна для требуемой группы отливок получали при последующей обработке расплава в ковше ферросплавами. . Эта технология позволила стабилизировать свойства базовых отливок в различных сечениях, уравнять твёрдость, упростить ведение плавок (вместо 8 шихт одна в смену) и получить значительный экономический эффект.

В третьей главе рассматриваются проблемы повышения геометрической точности крупных чугунных отливок.

Геометрическая точность отливок оценивалась по параметрам размерной точности, пространственным отклонениям и качеству поверхности.

Исследовано влияние стадий технологического процесса производства отливок на значения этих параметров, разработаны методы расчёта и управления геометрической точностью.

Стремление к повышению размерной точности отливок предопределяется её влиянием как на эксплуатационные свойства литых деталей, так и на технологичность процесса их получения.

Таблица 1

Химический состав чугуна, %

Марка Толщин стенки, м С Б \ Мп Б Р Сг №

Базовая - 3,0-3,4 1,3-1,5 0,8-1,0 до 0,12 до0,: 0,1-0,2 0,1

I 30-60 3,0-3,4 1,4-1,6 0,8-1,0 до 0,12 до 0,3 0,3-0,5 0,1

II 15-30 3,0-3,4 1,5-1,7 0,8-1,0 до 0,12 до 0,3 0,2-0,4 0,1

Исследования возможностей различных технологических процессов обеспечить ту или иную размерную точность отливок при формовке в песчаные формы позволили определить удельное влияние различных элементов технологического процесса на точность отливок: модельная

оснастка 8%, расталкивание моделей 41%, деформация при просушке форм 7%, сборочные операции 12%, деформации формы при заливке 6%, усадка 14%, коробление отливок в процессе охлаждения 12%.

Повышение точности модельной оснастки позволяет повысить и точность отливок. Точность деревянных моделей может быть повышена за счёт гидрофобизации древесины, применения лигнамона, металлизации отдельных частей, использования износостойких покрытий.

На основе проведённых исследований дана оценка размерной точности стержней и форм.

При этом установлено: размеры стержней по длине и ширине увеличиваются и уменьшаются по высоте с увеличением их габаритов. Окраска и отделка заметного влияния на размеры не оказывают.

Отклонения в размерах сырых форм могут возникать после извлечения моделей в результате упругих деформаций смеси.

Значительную роль играют сборочные операции, оказывающие влияние на размерную точность литейных форм и отливок. НВ •

250

200

160

*

1 г 1 \ I

Ь-1 2

I---с > 3 |

/ * 4

• —) ^--- ):

10 15

Глубина слоя, мм

20

25

Рис. 2. Твёрдость отливок из чугуна марки СЧЗО, замеренная на различном расстоянии от поверхности.

1 - с холодильниками и с применением в шихте ферроникеля ФН-06;

2 - без холодильников и с применением в шихте ферроникеля ФН-06;

3-е холодильниками и без применениям в шихте ферроникеля;

4 - без холодильников и без применениям в шихте ферроникеля.

Количество испытаний 30

б

40 42 44 46 48 50 62 54 06 58 60 62 64 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Предел прочности при изгибе, кгс/мм2

Рис. 3. Частотные кривые распределения прочности при изгибе чугуна марки СЧ30. 1 - без применения в шихте ферроникеля; 2-е применением в шихте ферроникеля ФН-06.

х 340

Рис. 4. Микроструктура чугуна в направляющих станины 2А622.111.101, изготовленной с использованием ферроникеля

Если'уравнение размерной цепи выразить через допуски, то оно имеет следующий вид:

5Л = 5,+ 5, + . .. + 8 ,

Л I 2 . ш-1

(2)

или

где:

ш-1 1=1

6.

(3)

од - величина допуска замыкающего звена размерной цепи, мм; 8р 82, 8т1- допуски составляющих звеньев, мм; т - число звеньев цепи

Для того, чтобы замыкающее звено (стенка, ребро или любой другой элемент отливки, формирующийся стержнем) укладывалось в заданную величину допуска, необходимо одно из условий:

- повышение точности всех элементов литейной формы;

- уменьшение количества элементов формы (стержней);

- применение конструкций форм и оснастки, при которых отклонения отдельных элементов не приводили бы к суммарной ошибке.

Для первого условия средний допуск каждого звена должен быть равен:

8 = ср

"Д

Ш-1

(4)

Получить очень малые допуски можно при применении высококачественной оснастки и стабильных технологических процессов.

Второе условие требует короткой размерной цепи, т.к. чем меньше т, тем легче получить отливку повышенной точности. Технологическим решением получения короткой цепи является объединение стержней.

Третье условие требует, чтобы при технологическом процессе изготовления отливок было исключено суммирование всех отклонений размеров отдельных элементов.

Размерная точность стержневых отливок складывается из трёх управляемых факторов:

- формирование размерной точности элементов формы (стержней) с определением размеров статистическими методами;

- управление сборкой форм на базе анализа размерных цепей;

- управление усадкой с тем, чтобы допуск на усадку стремился к нулю.

Таким образом размерный анализ литой заготовки вероятностным методом позволяет учесть возможные погрешности и прогнозировать точность наиболее ответственных параметров: (припусков, толщин стенок) и

разработать технологию сборки формы, обеспечивающую требуемую размерную точность отливки.

Наименее изученным пороком пространственных отклонений отливок являются заливы. Условия образования заливов исследовались в направлениях изучения процессов:

- образования зазоров при сборке;

- образования зазоров при деформации форм в процессе заливки;

- заполнения зазоров расплавом.

В результате исследований разработаны технологические мероприятия по получению отливок без заливов.

Исследованием установлено, что зазоры между частями полуформ могут быть допустимы до 2,5-3,Омм для отливок массой свыше 3000кг. Величина зазора между элементами формы зависит от класса деревянной модельной оснастки, конструкции моделей и стержневых ящиков и стабильности размеров при их хранении.

При наличии качественной модельной оснастки колебания в размерах элементов форм зависят от условий сушки.

Исследование изменений размеров стержней и форм позволяет определить величину ожидаемых зазоров при сборке табл. 2, 3 и 4.

Установлено также, что наибольшее отклонение размеров формы от размеров модели происходит по линии разъёма. В процессе "расталкивания" модели, при извлечении её из полуформы, происходит неравномерная деформация слоя уплотненной смеси, в результате чего получается отпечаток больше образующей его модели. При увеличении размера от разъёма эти отклонения уменьшаются.

Таблица 2

Увеличение длины и ширины стержней в процессе сушки, мм

Площадь стержня в горизонтальной плоскости, см2 Высота стержня, мм

до 200 200-40 400-600 600-800 800-1000

1500-3000 0,50 0,95 1,25 1,6 2,1

3000-5000 0,70 1,10 1,35 1,5 1,75

5000-7500 1,0 1,25 1,4 1,7 1,9

7500-10000 1,25 1,40 1,65 1,85 2,0

больше 10000 1,4 1,65 2,0 2,3 2,5

Таблица 3

Изменение высоты стержня в процессе сушки

Высота стержня, мм до 200 200-400 400-600 600-800 800-1000

Уменьшение высоты стержня при сушке, мм 0,45-0,6 0,6-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,5-3,0

Произведённые измерения размеров формы в плоскости разъёма, а затем в параллельных плоскостях (через 50мм) показали, что формы на расстоянии 1/3 от основания строго соответствуют размерам модели, а на протяжении остальных 2/3 по высоте плавно увеличиваются.

Исследование образования заливов в процессе изготовления отливок произведено путём теоретической оценки сил, воздействующих на образование зазоров, и анализа результатов экспериментов на технологических пробах.

Деформация формы при заливке металлом исследовалась на установке с размером опок в мм 800x600x300 и 1100x1100x400 и измерялась индикаторами. В первую очередь начинали деформироваться боковые стенки формы. Верх формы начинал деформироваться после окончания заполнения формы. За это время величина деформации боковых поверхностей формы достигала максимального значения.

Начало деформации стенки стальной опоки происходило между началом деформации боковых и верхней поверхностей формы. Абсолютное значение деформации опоки несколько ниже,чем формы. Деформированная опока после окончания заливки стремится к первоначальным размерам.

Таблица 4

Увеличение длины и ширины формы, мм

Площадь формы,см2 Высота формы, мм

до 200 200-400 400-600 600-800 800-1000 1000-2000.

10000-20000 2,4 2,8 3,4 4,0 4,0 5,0

20000-40000 3,0 3,5 3,8 4,2 4,4 5,0

40000-60000 3,4 3,6 3,8 4,3 4,7 5,3

60000-100000 3,5 3,6 3,8-4,0 4,4 4,8 5,5

100000-200000 3,8 4,7 5,4 5,9 6,3 7,0

Рассматривая опоку с формовочной смесью как упругое тело, получим математическую модель величины залива от деформации в заданной точке на границе полуформ:

2 Yma

Ym = —— {[(a+m)W ](a+2m)-2l(/2 - m2 )} (5) E/H2

где: Ym - деформация полуформы в данной точке, Е - модуль деформации формовочной смеси, I - размеры опоки,

Н - высота слоя смеси над поверхностью отливки, m - удаление отливки от стенки опоки, а - размеры отливки, у - плотность жидкого металла.

Исследование влияния температуры чугуна на образование заливов от расположения зазоров в форме и влажности формовочных материалов позволило констатировать:

- снижение температуры чугуна при заливке уменьшает заливы;

- вертикальные заливы имеют большие размеры, чем горизонтальные;

- увеличение влажности смеси приводит к уменьшению заливов.

Предложены технологические приёмы, обеспечивающие минимизацию

заливов:

- укрупнение стержней и применение "чистых моделей";

- замена верних полуформ стержнями и применение блок-моделей;

- применение металлических постелей.

Величина заливов, полученных на опытных отливках, изготовляемых по технологическим процессам с учётом рекомендаций сокращена в 2-3 раза для мелких отливок и до 10-ти раз для крупных. Практически можно получать крупные отливки с массой до 20т с толщиной заливов до Змм (рис. 5).

К качеству поверхности корпусных отливок предъявляются следующие требования:

- отсутствие пригара частиц литейной формы;

- нормированные неровности (шероховатости) поверхности.

Несмотря на большое количество публикаций, посвящённых причинам

образования пригара при использовании различных формовочных смесей, а также рекомендаций для различных масс и конфигураций отливок из одного материала (чугун, сталь), обычно необходимы покрытия для конкретных форм и стержней.ы Не менее значимы разработки, определяющие формирование гладкости форм на этапе извлечения модели. Особенно это важно для жидких самотвердеющих смесей (ЖСС),обладающих высокой прилипаемостью (адгезией) к модельной оснастке.

При подборе разделительных материалов, устраняющих адгезию, в данном исследовании руководствовались теорией полярных связей, cor-

ласно которой вещества-растворители (вода НОН, щёлочь, ЫаОН, спирт гомологического ряда ^ЦОН) хорошо смачивают и растворяют некоторые вещества. Йапример, щёлочи хорошо растворяют абиетиновую смолу (содержит канифоль) и шеллак. Неполярные растворители (бензин, бензол и др.) не растворяют шеллак, канифоль, но хорошо растворяют углеводороды (битум), обладающие технологичностью и отсутствием прилипаемости.

Разработаны и использованы на ЛСПО им. Свердлова специальные разделительные покрытия на основе фторопласто-эпоксидных смол, которые значительно снижают адгезию смеси к поверхности оснастки.

Благоприятное действие на процесс формирования покрытия и его свойства оказывают грунтовки, имеющие высокую адгезию к плёнообразуе-щему и к подложке.

Нами предложен и применён для покрытия модельной оснастки корпусных отливок лак ПЭ933Л, который представляет собой раствор в органическом растворителе продукта конденсации полиэфиров на основе терефталевой и адилиновой кислот с эпоксидной смолой (78-82%).

п

ёо

20

10

0

А

/ У/

'Ф

А Ш V

///4 Ыш V/ У// т//,

2 3

10

6000

50 100 600 1000

Масса отливок, кг

Рис. 5. Величины заливов, полученных по старым и новым технологическим процессам

1 - вертикальные заливы по старой технологии;

2 - горизонтальные заливы по старой технологии;

3 - вертикальные и горизонтальные заливы по

новой технологии.

Технические показатели лака ПЭ933Л следующие:

- содержание нелетучих веществ, % - 50-55;

- вязкость по ВЗ-4, с - 30-60;

- время высыхания лака при температуре 150-155 °С,ч - 2.

Применение данных разделительных покрытий для деревянной модельной оснастки значительно повышает чистоту поверхности форм и стержней в сравнении с аналогичными изделиями, полученными в оснастке, покрытой нитроэмалями.

Перспективным путём повышения качества поверхности отливок является применение противопригарных красок для форм и стержней, в состав которых входят термостойкие связующие материалы.

Графито-бентонитовые противопригарные краски, несмотря на высокую огнеупорность наполнителя, часто не обеспечивают получение отливок без пригара.

Несмотря на значительное количество исследований, не удалось получить универсальных покрытий, надёжно гарантирующих отсутствие пригара. Поэтому применительно к корпусным отливкам проведены специальные исследования.

При участии автора разработана и прошла широкое промышленное опробование на ЛСПО им. Свердлова быстросохнущая термостойкая противопригарная краска. В качестве термостойкой добавки использована смола полибутилтитанат. Полибутилтитанат в состоянии поставки представляет собой прозрачную жидкость от светложёлтого до коричневого цвета плотностью 1,01-1,06 г/см3- Состав краски, мае. %: графит ГЛС - 60-65, графит ГЛ - 5; раствор каучука в бензине - 4-6; полибутилтитанат - 4-10; бензин БР-1 - остальное; плотность - 1,151,17 г/см3; вязкость по ВЗ-4 - 15-16с; продолжительность высыхания - 10-15мин.

Шероховатость существенно влияет на долговечность качества лакокрасочных покрытий на изделиях. При незначительной шероховатости снижается адгезия грунта к литой поверхности. При значительной шероховатости возрастает опасность пробоя изолирующего слоя покрытия на выступах с последующим проникновением влаги и агрессивных веществ, способствующих развитию подплёночной коррозии.

В соответствии с требованиями конструкторов шероховатость поверхности отливок массой до 1000 кг не должна превышать 50 мкм, а массой от 1000 до 10000 кг - 100 мкм. Для чугунных отливок массой больше 10000 кг максимально допустимая величина Ra - 200мкм.

Для контроля шероховатости поверхности отливок в производственных условиях разработан комплект образцов шероховатости чугунных и стальных отливок, обработанных литой дробью. В лаборатории ВПТИлитпром по специальной технологии были отлиты образцы из СЧ, из них выбраны пять образцов - оригиналов со значениями параметров Ra 12,5; 25; 50; 100 и 200 мкм.

Рабочие поверхности каждого из образцов - оригиналов получили при формовке в стержнях из жидкостекольной смеси. Заданные значения шероховатости обеспечивали с помощью выбора наиболее подходящей композиции основных параметров процесса, влияющих на её формирование: зернистости песка смеси, температуры и химического состава чугуна, типа и размера обрабатывающей дроби. Значение шероховатости определяли на профилографе - профилометре мод. 293 с диапазоном измерений по параметру Иа 2-300 мкм.

С образцов-оригиналов в лаборатории гальванопластики и пластмасс Рижского опытного завода технологической оснастки гальванопласти-ческим способом были получены никель-кобальтовые копии поверхностей сравнения и изготовлена опытная партия образцов в виде прямоугольных пластин, состоящих из двух склеенных между собой частей - никель-кобальтовой гальванопластической копии толщиной 1,6-2,0мм и основания из коррозионностойкой стали.

Образцы прошли государственные приёмочные испытания и внесены в

государственный реестр средств измерений.

Разработан и издан отраслевой РТМ, устанавливающий единую методику оценки (контроля) поверхности отливок с помощью образцов шероховатости.

В результате изучения факторов, влияющих на образование в отливках неметаллических включений и газовых раковин, разработаны методы борьбы с этими пороками.

Главным фактором образования неметаллических включений является размыв струёй металла наиболее нагружаемых частей формы. Коллекторы, литниковые каналы, подвергающиеся термическому и ударному воздействию струи, должны быть выполнены из шамотного припаса (кирпича, изготавливаемого централизованно). Части формы сложной конфигурации рекомендуется выполнять из керамики цехового изготовления с температурой обжига 950-1000 °С.

Керамизация форм увеличивает их надёжность и исключает размыв форм струёй металла, причём тип керамики выбирают в зависимости от конфигурации и назначения корпусной отливки.

Газовые пороки, также как и неметаллические включения, являются объёмными. Закономерность их расположения непредсказуема. Они могут быть выявлены при механической обработке отливки на различной глубине от её поверхности. Исправление таких пороков любыми существующими методами (заварка, напыление, вставки и др.) не обеспечивает однородности свойств поверхности. Это ведёт к неравномерности износа и снижению эксплуатационных характеристик станка. Для корпусных отливок особенно необходимы надёжные технологии, исключающие образование газовых пороков на обрабатываемых трущихся поверхностях. Газовые раковины составляют примерно 40-50% от

неисправимых, дефектов. В целях решения данной проблемы разработан ряд теоретических положений, расчётных формул, проведено много экспериментальных работ, но многофакторность процесса их образования значительно усложняет получение отливок без газовых раковин. Источником их образования могут быть газы, которые поглощает металл при плавке и заливке.

Газы, поглощённые металлом в процессе плавки, могут быть удалены различными методами дегазации металла в ковше до содержания их ниже растворимости при температуре затвердевания, что исключает образование газовых раковин по этой причине. Значительно сложнее устранить образование газовых раковин при заливке металла в литейную форму.

Все формы из пластичных смесей с органическими и неорганическими связующими имеют разную степень газотворности.Корпусные отливки в станкостроении, как правило, относятся к единичному производству. Для их изготовления используют почвенные формы. При этом главными проблемами остаются недеформируемость форм и эффективный газоотвод.

Почвенные формы при любой тепловой обработке стабильно негазот-ворными сделать нельзя, т.к. влага мигрирует к поверхности формы. Однако, управляя миграцией влаги, можно создать условия, при которых форма превращается в негазотворную (квазинегазотворную) на время от начала заливки до полного затвердевания металла.

При разработке технологии изготовления почвенных форм следует руководствоваться следующими положениями: дегазация (сушка) стержней производится отдельно в сушилах; тепловая обработка полости формы и постели производится одновременно; отвод газов из стенок форм производится через плиты с двойными стенками; отвод газов из стержней и постели осуществляется через газоотводные трубы, соединённые с вакуумным насосом; удаление влаги и газов от органических добавок, входящих в состав формовочных смесей, осуществляется при термической сушке форм в пределах 500-600 0 С (рис. 6)

Разработана технология изготовления отливок сложного контура и повышенной точности в композиционных формах, приведены результаты исследований оценки точности форм и отливок, результаты промышленного опробования процесса.

Такими отливками являются рейки для перемещения столов металлорежущих станков

В ЛСПО им. Свердлова чугунные резьбовые рейки для перемещения столов станков изготовляли литьём по деревянным моделям в песчаных формах с последующей обработкой на металлообрабатывающих станках. Профиль зуба резьбы реек формировался исключительно за счёт обработки резанием с окончательной доводкой чистоты поверхности в пределах 56 классов при сборке с винтом.

к вакуумному насосу

Рис. 6. Схема почвенной вакуумированной негазотворной формы.

1 - верхняя грузовая плита;

2 - верхний стержень;

3 - внутренний стержень;

4 - холодильник;

5 - металлическая постель;

6 - плита с отверстиями.

Процент брака в виде усадочной пористости на поверхности профиля резьбы и других дефектов для отдельных партий реек достигал 40%.

Главной задачей данного раздела является разработка технологического процесса получения точнолитых реек в песчано-керамических формах с минимальными припусками на чистовую механическую обработку по всем поверхностям, в том числе и по профилю резьбы.

В качестве детали-представителя была выбрана рейка с размерами 293x150x30мм, с осевым шагом резьбы 16мм, углом подъёма резьбы = 2 град.44', идущая на координатно-расточной станок модели 2В460. Материал рейки - чугун АСЧ-1.

При изготовлении форм по новой технологии использовали ГПСМО-процесс, предложенный Ф.Д.Оболенцевым.

Для обоснования рациональности разработанной технологии проведена оценка размерной точности литых реек. При этом рашались следующие задачи:

- оценка точности размеров пробной литой рейки по её профилю, по сравнению с этими же размерами керамической рейки и механически обработанной заводской рейки;

- определение допустимых отклонений и назначение припусков на ме-

ханическую обработку с целью ликвидации разности в требуемом и получаемом отклонении по шагу резьбы. Измерения элементов резьбы проводились на универсальном измерительном микроскопе.

Для оценки возможной точности литых реек необходимо было знать закономерности распределения усадки металла при заливке в керамическую форму и закономерности распределения усадки модельной композиции при заливке её в прессформу. Анализ проводился с учётом общих закономерностей расчёта размерных цепей.

По результатам проведённых экспериментов и расчётов было выдано техническое задание на проектировавние прессформы.

При производственном опробовании разработанной технологии была изготовлена опытная партия литых реек.

Измерение шагов резьбы керамических и литых реек производилось на аттестованном универсальном измерительном микроскопе.

Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать значение допуска, обеспечивающего точность отливок по шагу резьбы.

Л . /л лЛ^\? .(б)

Г. ~~ \

8Г =Л/(51Ф )2 + (4 ДМУ):

средн. X 4 среди/ 4 у

где: средн. средн. - допуски на шаг резьбы отливки

и формы,

АЛ1УХ - величина усадки металла

Сопоставление статистических вероятностей, полученных по экспериментальным данным, с расчётными значениями допустимых отклонений по шагу резьбы по разработанной математической модели примерно совпадают.

Четвёртая глава посвящена исследованиям процессов получения композиционных отливок с дифференцированными свойствами (КОДС).

Для обеспечения долговечности работы станка с сохранением первоначальной точности необходимо иметь твёрдость направляющих в пределах 180-200НВ, заданную структуру и удовлетворительную демпфирующую способность. С этой целью для получения монолитных отливок с дифференцированными свойствами была разработана технология заливки форм из различных составов чугунов.

Направляющие, для достижения высокой износостойкости, заливались высоколегированным чугуном (табл. 5), а корпус станины из чугуна с высоким углеродным эквивалентом, что обеспечивало повышенную демпфирующую способность. Заливка производилась через индивидуальные литниковые системы специальной конструкции.Износостойкость таких направляющих за счёт повышения демпфирующей способности станины

Таблица- 5

я у: о. Толщина стенки, мм Химический состав чугуна, %

С Б [ Мп Б Р Сг N1 Мо

III леги-ров 20-60 3,0-3,4 1,4-1,7 0,8-1,0 до 0,12 до 0,3 0,5-0,7 0,8-1,3 0,3-0,5

более высокая, чем направляющих у монолитной отливки, выполненной полностью из легированного чугуна.

Кроме того, такая технология сокращала расход лигатуры, т.к. масса направляющих составляла от массы всей отливки 10-16%. На рис.7 представлены структуры чугуна в различных зонах отливки.

Однако, применение этой технологии в станкостроении встретило ряд трудностей (отсутствие стабильности и надёжной связи направляющих с корпусом, необходимость отдельного плавильного агрегата, выплавляющего металл для направляющих, попадание шлака при заливке направляющих).

В целях обеспечения стабильности и надёжных связей между элементами в отливках с дифференцированными свойствами рассмотрены теоретические основы и проведены исследования формирования когезионных связей в системе жидкий чугун-твёрдая сталь(Чж-Ст) как результат диффузионных процессов.

Установлено, что если между матрицей (чугун) и арматурой (сталь) возникают диффузионные процессы,прочность соединения системы почти не отличается от матрицы. Диффузионные процессы, определяющие прочность контактной зоны,происходят наиболее активно при хороших когезионных связях системы.

Изучено влияние температуры нагрева арматуры (закладных частей) и температуры жидкого чугуна на условия формирования переходных (контактных) зон.

Переход углерода и кремния из чугуна в сталь при изотермической выдержке происходит по стадиям: поверхностный слой арматуры насыщается углеродом из жидкого чугуна; поверхностный слой арматуры переходит в жидкое состояние; из жидкого поверхностного слоя арматуры углерод и кремний диффундируют вглубь арматуры. При изотермической выдержке этот процесс- может протекать до полного растворения арматуры в чугуне. Экспериментально установлены следующие параметры пары:

- арматура нагревается в интервале 600-1200 0 С;

- температура расплава чугуна 1200-1500 °.С.

а) б) в)

Рис.7 Микроструктура образцов, в различных зонах отливки:

а) направляющих;

б) в зоне контакта металлов;

в) в верхней части отливки.

(легирование хромом 0,4%, никелем 0,8%, молибденом 0,3%)

При изготовлении реальной композиционной отливки подогрев арматуры внешними источниками практически невозможен. Были выполнены исследования, которые позволили оценить условия формирования контактной зоны при нагреве арматуры перепуском расплава чугуна. В качестве матрич-ного металла использовался чугун следующего состава (масс, %):С - 3,07; - 1,91; Мп - 0,64; Сг - 0,22; N1 - 0,63. Определение величины слоя контактной зоны производилось на микроскопе МИМ-8МХ100. Микроструктура переходной зоны при заливке чугуна с температурой 1450 град.С на пластину толщиной Змм и времени заливки 28 сек. состояла из обеднённого углеродом слоя чугуна 180-200мкм, примыкающего к стальной пластине. Науглероженная часть стальной пластины состояла из трёх зон:

I перлитно-цементитная ( ЗОмкм), обогащённая кремнием;

II перлит + Ц (30-40мкм);

III перлитная (200-220мкм) и далее феррито-перлитная структура, переходящая к исходнойй структуре малоуглеродистой стали.

Изменение микротвёрдости контактной зоны в системе чугун-сталь приведено на рис. 8.

Для управления переходной зоной между двумя железо-углеродистыми сплавами целесообразно:

- активизировать диффузионные процессы за счёт перегрева расплава;

- применять эвтектические чугуны, позволяющие создать длительный контакт жидкой фазы с твёрдой поверхностью арматуры;

- устранить барьеры, препятствующие диффузии.

При использовании стальной арматуры для армирования чугунных отливок особое внимание следует обратить на устранение оксидных плёнок.

На основании исследований условий формирования когезионных связей в системе Чж-Ст разработана технология производства композиционных отливок (КО), с дифференцированными свойствами (КОДС).

Технология композиционного литья позволяет синтезировать отдельные элементы отливки, которые могут быть выполнены прогрессивными методами формообразования из материалов с оптимальными свойствами, т.е. эта технология позволяет получать изделия с дифференцированными свойствами.

В машиностроении объединение деталей в узлы, получаемые из разных металлов, осуществляется чаще всего механическим путём, при этом контактная зона ослаблена и восприимчива к вибрациям. При композиционном литье между элементами отливки осуществляются физико-химические связи, и контактная зона формируется в результате диффузионных процессов,обеспечивая выполнение трудносовмещаемых требований технологичности и надёжности.

Процесс получения базовых деталей с дифференцированными свойствами методом композиционного литья состоит из ряда этапов.

Первый этап - декомпозиция , расчленение отливки (объекта) на

отдельные элементы.

Второй этап - разработка технологам изготовления элементов объекта.

Третий этап - разработка технологии армирования элементов и их изготовление, включая разработку конструкции арматуры, технологии изготовления формы для армируемого элемента, конструкции литниковой системы, гарантирующей связь между арматурой и отливкой.

Четвёртый этап - обеспечение надёжных физико-химических связей между элементами. Активность диффузионных процессов между элементами зависит от диффузионных потенциалов. Между материалами, близкими по составу, диффузионные процессы протекают очень медленно. Для увеличения их диффузионного потенциала вводится прослойка из низкоуглеродистой стали.

Из-за отсутствия опыта изготовления композиционных базовых деталей предварительно были проведены эксперименты на макетах по определению условий формирования связей между арматурой и направляющей, между направляющей и несущей частью стойки.

На основании проведённых теоретических исследований и разработанной технологии производства композиционных отливок было проведено экспериментальное опробование процесса. В качестве объекта была выбрана и изготовлена стойка горизонтально-расточного станка мод. 2А622МФ4 112120 с дискретными направляющими. Масса отливки - 2470кг, габаритные размеры 2200x800x700мм, приведённая толщина направляющих - 21мм, материал - чугун марки СЧ25 (рис. 8).

При выборе объекта была обеспечена максимальная совместимость существующей технологии изготовления отливок с композиционной (неизменность материалов и процессов формообразования, использование существующего плавильного и другого оборудования, минимальная переделка оснастки).

Рис.8. Отливка базовой детали "Стойка"

Разработана технология изготовления шпиндельной бабки (2А622-211501) с расчлением объекта на семь элементов и последующим осуществлением физико-химических связей диффузионными процессами с закладными армирующими вставками.

Эффективность изготовления композиционных базовых отливок на примере выбранных экспериментальных отливок складывается из следующих показателей:

- снижение массы изделий на 15-20%;

- снижение расхода легирующих материалов на 85-90%;

- устранение брака по твёрдости, микроструктуре, газовым и песчаным раковинам;

- повышение виброустойчивости изделия и износостойкости направляющих.

снижение расхода формовочных, стержневых и вспомогательных материалов;

- улучшение санитарно-гигиенических условий в литейных цехах и экологической обстановки в прилегающих районах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Диссертационная работа представляет собой комплекс теоретических и экспериментальных исследований в области производства базовых станочных отливок из серого чугуна с повышенными эксплуатационными характеристиками, изготовляемых в песчаных формах по традиционной технологиии методами композиционного литья.

1. Установлено влияние шихтовых материалов на структуру и механические свойства серого чугуна и выявлены закономерности образования отбела и трещин в станочных отливках при использовании в шихте различного количества литейного и передельного чугуна.

2. Исследован механизм влияния ковшевой обработки расплава, содержащего в шихте 50-100% передельного чугуна, комплексными легирующе-модифицирующими добавками (ФСХ18, ФСХ30, ФСХ40) на механические свойства и структуру чугуна в отливках.

3. Разработана математическая-"модель в виде системы регрессионных уравнений и номограмма для определения необходимого количества ферросиликохрома, вводимого в ковш, с целью достижения регламентированной твёрдости в отливках.

4. Исследовано и установлено положительное влияние ферроникеля (ФНОб) при использовании унифицированной шихты на стабилизацию структуры, повышение механических свойств, демпфирующей способности отливок и устранение отрицательного влияния разностенности и наружных холодильников.

5. Результаты исследований внедрены в производство с корректировкой технологических процессов.

6. Исследовано влияние факторов, оказывающих воздействие на размерную точность отливок и формирование поля допуска на различных стадиях процесса

их изготовления. Разработаны методы и технологические приёмы повышения размерной точности отливок.

7. Исследованы процессы и выявлены причины образования заливов, предложена методика, позволяющая управлять их величиной в зависимости от технологических факторов. Разработана математическая модель, определяющая возможную величину залива в заданной точке отливки на границе полуформ.

8. Разработаны разделительные покрытия для модельных комплектов и антипригарные краски для форм и стержней, обеспечивающие получение нормируемой шероховатости поверхности отливок.

Разработана методика определения величины шероховатости отливок по выполненным образцам.

9. Изучены факторы, влияющие на образование неметаллических включений и газовых раковин, разработаны методы борьбы с этими пороками.

10. Выполнены исследования, разработана технология и промышленное опробование изготовления отливок сложного профиля и повышенной точности в композиционных формах. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать технологические режимы для получения заданной точности.

11. Исследованы диффузищшые процессы и условия формирования контактных зон в системах жидкий-чугун-твёрдая сталь, разработаны конструкции арматуры (закладных частей) для элементов композиций, обеспечивающие прочные когезионные связи.

12. Разработана технология получения композиционных отливок с дифференцированными свойствами (КОДС) и изготовлена отливка детали "Стойка" 2А622.112120 массой 2470кг для серийного расточного станка завода им. Я.М.Свердлова, подтвержающая возможность производства композиционных отливок с дифференцированными свойствами для базовых деталей станков.

13. Проведена экспертная экологическая оценка достоинств технологического процесса производства композиционных отливок.

Основное содержание

диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. С.С.Ткаченко. Интенсификация процесса плавки чугуна в вагранках малой производительности. ЛЦНТИ, 1972, информационный листок, 2 с.

2. С.С.Ткаченко, АА.Гуторов. Применение передельных чугунов для ответственных станочных отливок Сб."Прогрессивные процессы в чугунолитейном производстве". ЛДНТП, 1972, с.44-46.

3. АА.Гуторов, С.С.Ткаченко. Опыт использования передельных чугунов для отливок станков. Научно-технический реферативный сборник, НИИМАШ, 1974, N3, с.27-29.

4. С.С.Ткаченко, АА.Гуторов. Унифицированная шихта для плавки чугуна в вагранке. Сб. "Современные методы повышения качества литейных сплавов на основе железа", ЛДНТП, 1976, с.65-66.

5. С.С.Ткаченко. Повышение качества крупных отливок для станкостроения и машиностроения. Сб. "Опыт повышения качества отливок и эффективность литейного производства", (сплавы на основе железа), ЛДНТП, 1979, с.90-93.

6. А.С.487156 от 16.06.75г. (СССР). Лигатура Соавторы: В.Г.Горенко, ТА.Здоровецкая

и др.

7. С.С.Ткаченко. Применение ферроникеля при производстве чугунных отливок. "Повышение эффективности производства и качества чугунных и стальных отливок". ЛДНТП, 1982, с.34-37.

8. А.С.645394 от 09.07.76r. (СССР). Лигатура Соавторы: В.И.Цветков, А.Д.Качан, Б.П.Онищин и др.

9. С.С.Ткаченко, А.Д.Качан. Опыт применения ферросиликохрома для комплексного модифицирования и легирования чугунных отливок. Плакат ЛДНТП, 1979, 1 п.л.

10. С.С.Ткаченко, Д.М.Рейниш. Опыт совершенствования процесса плавки чугуна в вагранках с применением электропечного ферроникеля. Серия - Прогрессивное формообразование, металловедение и термообработка. ЛДНТП, 1984 - 42с.

11. С.С.Ткаченко, В.И.Цветков. Совершенствование технологии ваграночной плавки серого чугуна. Литейное производство, N3, 1985, с.7-8.

12. С.С.Ткаченко, В.П.Жучков, Б.Б.Гуляев. Влияние технологических факторов на образование заливов при изготовлении отливок. Сб. "Прогрессивные методы литья в песчаные формы", ЛДНТП, 1967, с.82-86.

13. С.С.Ткаченко, Б.Б.Гуляев, В.П.Жучков. Влияние конструкций модельной оснастки на образование заливов. Сб. "Современные достижения в производстве литейной оснастки", ЛДНТП, 1968, с. 100-105.

14. С.С.Ткаченко, В.П.Жучков, Б.Б.Гуляев. Получение крупногабаритных отливок без заливов. Сб. "Современные достижения в производстве чугунного литья". ЛДНТП, 1968, 101-102.

15 С.С.Ткаченко, В.П.Жучков, Б.Б.Гуляев. Механизм образования заливов и борьба с ними. Труды XIII совещания по теории литейных процессов. АН СССР, Наука, 1969, с.27-30.

16. С.С.Ткаченко. Использование металлических плит в качестве постоянных постелей при производстве отливок. "Новаторы производства". ЛДНТП, 1967, 1 п.л.

17. С.С.Ткаченко, Б.Б.Гуляев, В.П.Жучков. Повышение точности крупных отливок. Литейное производство, N6, 1969, с.6-9.

18. Б.Б.Гуляев, С.С.Ткаченко, Г.А.Смирнов. Расчёт деформации формы при заливке металла. Литейное производство, N10, 1971, с.23-25.

19. Н.Р.Плотников, Г.А.Смирнов, С.С.Ткаченко. Расчёт припусков и анализ точности отливок. Литейное производство, N9, 1977, с.29-30.

20. С.С.Ткаченко. Формообразование с использованием ЖСС. Литейное производство, N7, 1976, с.18-19.

21. Е.П.Баранов, С.С.Ткаченко, АЛТуторов. Повышение качества поверхности чугунных отливок. Сб. "Опыт совершенствования процессов формовки". ЛДНТП, 1980, с.5-б.

22. С.С.Ткаченко. Исследование заливов и разработка мероприятий по борьбе с ними. Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук, Л., 1970, 19 с.

23. М.Я.Меерович, ИЯ.Балакин, С.С.Ткаченко. Новые требования к шероховатости отливок и средства её контроля. Литейное производство, N3, 1988, с.5-6.

24. А.С. 1405940 от 01.03.88г. (СССР). Постоянное разделительное покрытие для литейной оснастки. Соавторы: В.Д.Волков, В.Г.Кабиров, Р.И.Савельева, Ю.Н.Зинин, Н.Г.Колупаев.

25. Т.Б.Гуляева, С.С.Ткаченко, В.Л.Тризно. Фторопластовые покрытия для модельной оснастки. Сб. "Современные литейные материалы и технология получения отливок", ЛДНТП, 1992, с.41-43.

26. С.С.Ткаченко. Использование жидких самотвердеющих смесей на органическом связующем. ЛЦНТИ, Л., 1971, информационный листок, 2 с.

27. С.С.Ткаченко, П.Ф.Котяев. Установка для приготовления жидких самотвердеющих смесей на органическом связующем. ЛЦНТИ, Л., 1971, информационный листок, 4 с.

28. С.С.Ткаченко, П.Ф.Котяев. Применение жидких самотвердеющих смесей без жидкого стекла доя чугунных отливок. X совещание по итогам научно-исследовательских и производственных работ в области литейного производства, выполненных в 1969-1970гг., ЛДНТП, 1971, с.53-54.

29. С.С.Ткаченко, П.Ф.Котяев. Механизация процесса изготовления жидких самотвердеющих смесей на органическом связующем. X совещание по итогам научно-исследовательских и производственных работ в области литейного производства, выполненных в 1969-1970гг., ЛДНТП, 1971, с.83-84.

30. С.С.Ткаченко,П.Ф.Котяев. Пути механизации и снижения трудоёмкости при производстве крупных чугунных отливок. X совещание по итогам научно-исследовательских и производственных работ в области литейного производства, выполненных в 1969-1970гг., ЛДНТП, 1971, с.84-85.

31. С.С.Ткаченко, П.Ф.Котяев, И.М.Крахмальник. Новые направления в технологии изготовления отливок с применением форм и стержней из ЖСС. Сб. " Геометрическая точность отливок", ЛДНТП, 1972, с.9-12.

32. С.С.Ткаченко, С.М.Кравцов, В.А.Орлов. Изготовление форм из жидких самотвердеющих смесей (ЖСС) для крупных чугунных отливок. Сб. "Прогрессивные процессы в чугунолитейном производстве"., ЛДНТП, 1972, с.63-66.

33. С.С.Ткаченко, В.Т.Гриценко, А.А.Гуторов. Усовершенствование технологии изготовления крупного литья. Сб. "Прогрессивные способы формообразования отливок". ЛДНТП, 1972, с.З-б.

34. С.С.Ткаченко, В.Т.Гриценко. Методы механизации при производстве станкостроительных отливок. Сб. "Прогрессивные способы формообразования отливок". ЛДНТП, 1972, с.41-44.

35. Л.А.Станкевич, Е.П.Баранов, Н.Г.Колупаев, С.С.Ткаченко. Применение смесей холодного отверждения для изготовления стержней. НИИМАШ, 1974, информационный листок N111-74, 2 с.

36. С.С.Ткаченко. Технология изготовления отливок на базе жидких са-мотвердеющих смесей (опыт ЛСПО им. Я.М.Свердлова). ЛДНТП, 1974 - 47 с.

37. С.С.Ткаченко, В.А.Орлов. Прогрессивные методы изготовления форм и стержней. Сб."Прогрессивные методы изготовления литейных форм и стержней", ЛДНТП, 1975, с.20-22.

38. Е.П.Баранов, Н.Г.Колупаев, М.В.Боговой, С.С.Ткаченко, А.А.Гуторов. Стержневые смеси на основе синтетических смол. Сб."Прогессивные методы изготовления литейных форм и стержней", ЛДНТП, 1975, с.33-35.

39. A.C. ,361541 от 20.10.80г. (СССР). Холоднотвердеющая смесь. Соавторы: ЕА.Гамов, В.В.Серебряков, В.В.Андреев, Г.М.Нагорнов, А.В.Гришкявичус, А.С.Хинчин.

40. A.C. 1247149 от 01.04.86г. (СССР). Смесь для изготовления литейных форм и стержней. Соапторы.В.В.Кикоть, В.В.Овчинников, И.Г.Смирнов, Н1

42. С.С.Ткаченко. Совершенствование процессов формообразования и финишной обработки отливок. Сб. "Повышение качества продукции и снижение ресурсозатрат в литейном производстве". ЛДНТП, 198В, с.3-7.

АЪ.В.П.Жучкав, В.Ф.Дрозденко, С.С.Ткаченко, Ю.Ф.Боровский. Влияние технологических факторов на значение "мокрой" прочности песчано-ппинистых смесей. СБ. " Прогрессивные методы литья в песчаные формы". ЛДНТП, 1967, с.51-52.

44. В.П.Жучков, М.Я.Мееерович, В.Ф.Дрозденко, П.Ф.Котяев, С.С.Ткаченко, Ю.Ф.Боровский. Склонность сырых песчано-глинистых форм к образованию засоров в отливках. Труды XIII совещания по теории литейных процессов. АН СССР, Наука, М., 1969, с.63-67.

45. ФД.Оболенцев, ОА.Корнюшкин, В.НМаксимков, П.Ф.Котяев, С.С.Ткаченко. Размерная точность литых реек. Сб. "Геометрическая точность отливок", ЛДНТП, 1972, с.95-98.

46. В.НМаксимков, О.А.Корнюшкин, С.С.Ткаченко, В.А.Орлов. Пенополистироловые пробки для заливки форм станочных отливок. Литейное производство, N9, 1976, с.23.

47. ФД.Оболенцев, В.НМаксимков, ОАХорнюшкин, П.Ф.Котяев, С.С.Ткаченко. К вопросу изготовления точнолитых реек в песчано-керамических формах. X совещание по итогам научно-исследовательских и производственных работ в области литейного производства, выполненных в 1969-1970гт., ЛДНТП, 1971, с.60-61.

48. Ф.Д.Оболенцев, П.Ф.Котяев, С.С.Ткаченко, В.НМаксимков Изготовление станкостроительных отливок по пенополистироловым моделям в формах из сухого песка. X совещание по итогам научно-исследовательских и производственных работ в области литейного производства, выполненных в 1969-1970гг., ЛДНТП, 1971, с.66-68.

49. Ф.Д.Оболенцев, В.НМаксимков, П.Ф.Котяев, С.С.Ткаченко. Исследование условий стабилизации процесса изготовления отливок по пенопо-листироловым моделям в сухом песке. Сб. "Геометрическая точность отливок", ЛДНТП, 1972, с.49-54.

50. В.НМаксимков, ОА.Корнюшкин, С.С.Ткаченко. К вопросу изготовления точнолитых реек в песчанокерамических формах. X совещание по итогам научно-исследовательских и производственных Совершенствование технологии изготовления чугунных отливок по пенополистироловым моделям. Сб. "Литьё по газофицируемым моделям",АН УССР, Институт проблем литья, 1973, с.109-112.

51 .В.НМаксимков, ОА.Корнюшкин, С.С.Ткаченко. Исследование чистоты поверхности отливок по пенополистироловым моделям. Сб. "Снижение материалоёмкости при изготовлении литых заготовок ЛДНТП, 1974, с. 54-58

52. С.С. Ткаченко, П.Ф.Котяев. Опыт организации опытно-производственных специализированных участков по изготовлению отливок с комплексной интенсификацией и регулированием процессов в литейной форме. Сб. 'Технология изготовления крупных и средних отливок с комплексной интенсификацией и регулированием тепловых процессов в литейной форме", М., 1971, с.21-24.

53. Р.Я.Рябинкин, С.С.Ткаченко. Сопротивление абразивному изнашиванию высокохромистых чугунов. Сб. "Современные методы повышения качества литейных сплавов на основе железа", ЛДНТП, 1976, с.95-98.

54. С.С.Ткаченко. Брак литья, его предупреждение и исправление. Машиностроение. Л., 1982, - 54 с.

55. A.C. 1401068 от 10.01.86г. Чугун. Соавторы: ИА.Дибров, Б.М.Гринберг и др.

56. ФД.Обояенцев, В.И.Цветков, С.С.Ткаченко. К вопросу применения в станкостроении чугунных станин с дискретными направляющими. Сб. "Повышение эффективности литейного производства", ЛДНТП, 1989, с.80-83.

57. В.И.Цветков, С.С.Ткаченко. Технология изготовления композиционных базовых деталей станков с дискретными направляющими. Сб. "Повышение эффективности литейного производства", ЛДНТП, 1990, с. 17-20

58. С.С.Ткаченко. Улучшение свойств корпусных станкостроительных отливок Литейное производство, N4-5, 1995, с.8-9.

59. Ф.Д.Оболещев, С.С.Ткаченко. Выбор метода изготовления станин металлорежущих станков. Литейное производство, N10, 1996, с.8.

60. М.А.Рысев, О.А.Корнюшкин, М.А.Иоффе, С.С.Ткачежо. Оценка точности размеров отливок. Литейное производство, N3, 1997г.

61. С.С.Ткаченко. Получение композиционных отливок с дифференцированными свойствами для базовых деталей станков. Литейное производство, N5, 1997г.

62. С.С.Ткаченко,Г.А.Колодий, А.Г.Казакевич. Опыт в получении композиционных литейных форм. Информационный бюллетень Инженерно-технический центр машиностроения "Металлург" N67, 1998г.

63. С.С.Ткаченко, Г.А.Колодий, В.А.Николаева. Холодно твердеющие смеси и противопригарные покрытия с фосфатным связующим. Литейное производство, N6, 1998г.

¿>0 ((. оъ 00-0

Проектно-технологический институт литейного производства

На правах рукописи

■■ ...../V

6

Ткаченко Станислав Степанович

к д.

д^/м ВАК --ос '^т-

- ■■ '.У: ' ' /С ..... Ж 1 , !Чй

*чеяую степень А Г/К

й-

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОРПУСНЫХ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ

СТАНКОСТРОЕНИЯ

05.16.04-Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

С-Петербург 1998 год

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................

1. БАЗОВЫЕ ДЕТАЛИ В СТАНКОСТРОЕНИИ И МЕТОДЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1.1. Характеристика базовых (корпусных) деталей, изготовляемых из серого чугуна, и требования, предъявляемые к ним......................................

1.2. Современные методы изготовления корпусных деталей в станкостроении.....................................................................................

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНЫХ ЛЕГИРУЮЩЕ -МОДИФИЦИРУЮЩИХ ПРИСАДОК И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

2.1. Легированные конструкционные чугуны для отливок в станкостроении...............................................................................

2.2. Исследование влияния шихтовых материалов и обработки расплава комплексными легирующе - модифицирующими добавками на свойства чугуна..............................................................................

2.3. Выводы...........................................................................................

3. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ТОЧНОСТЬ ОТЛИВОК И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

3.1. Размерная точность и методы ее повышения...............................

3.2. Пространственные отклонения корпусных отливок.....................

3.2.1. Образование зазоров между элементами разъемных форм.

3 .2.2. Исследование влияния различных факторов на формирование заливов..................................................................................

3.2.3. Методы, обеспечивающие минимизацию заливов.............

3.2.4. Качество поверхности корпусных отливок.........................

3.3. Керамизация литейной формы как метод борьбы с неметаллическими включениями и газовыми раковинами..........

3.4. Разработка технологического процесса изготовления станочных отливок сложного контура и повышенной точности в композиционных формах...............................................................

3.5. Выводы...........................................................................................

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ БАЗОВЫХ ОТЛИВОК С

ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

4.1. Технология получения двухслойных отливок для базовых деталей станков

4.2. Технологические основы получения композиционных отливок с

дифференцированным и свойствами..............................................

4.2.1. Общая характеристика процесса.........................................

4.3. Исследование формирования переходных зон в системах чугун -сталь................................................................................................

4.4. Разработка конструкций арматуры (закладных частей)________________

4.5. Сборка элементов отливки и формирование технологических связей

4.6. Разработка технологического процесса изготовления композиционной базовой детали - стойки расточного станка.....

4.7. Экспертная оценка экономической и экологической эффективности композиционной технологии.........................................................

4.8. Выводы ...........................................................................................

ВЫВОДЫ...........................................................................................................

ЛИТЕРАТУРА

— $ —

ВВЕДЕНИЕ

Основным требованием, предъявляемым к литейному производству в условиях рыночной экономики, является конкурентноспособность выпускаемой продукции. Это значит, что качество отливок должно соответствовать международным стандартам по всем параметрам (геометрическая точность, чистота поверхности, механические свойства и т.п.) при минимальных затратах трудовых и материальных ресурсов (механизация и автоматизация труда, использование ресурсосберегающих и безотходных технологических процессов и др.). Помимо указанных условий производство отливок должно обеспечить нормативы выбросов загрязняющих и вредных веществ в рабочих зонах и окружающую среду.

Станкостроение по праву считается базой всего машиностроения. Оно играет ключевую роль в повышении эффективности машиностроительного производства и, в конечном счете, хозяйства страны в целом [1].

Исторически сложилось так, что в начале 30-х годов все станкостроение в СССР концентрировалось на нескольких небольших заводах с устаревшим оборудованием. Реальный вклад в индустриализацию страны отечественное станкостроение стало вносить с 1934-1935гг, хотя качество и конкурентоспособность наших станков оставались на низком уровне. К концу 70-х годов наблюдалось значительное отставание по техническому уровню станкостроения от зарубежных фирм [5,6,7]. Продукция Минстанкопрома оказалась малопригодной как для экспорта, так и для отечественного машиностроения. В связи с этим ряд машиностроительных министерств начал широко использовать импортные металлорежущие станки. В связи с этим в марте 1980г. в стране были приняты меры «О значительном повышении технического уровня и конкурентоспособности металлообрабатывающего, литейного и деревообрабатывающего оборудования и инструмента» [8,9,10].

В структуре металлорежущих станков и литейных машин отливки составляют до 80 % от их массы. Поэтому значительная доля трудоемкости и ответственности за качество и надежность работы станков приходится на литейный передел.

Перед отечественным литейным производством были поставлены главные задачи: осуществление всемерной экономии материальных ресурсов, повышение в 2-3 раза производительности труда за счет роста уровня механизации, автоматизации и роботизации технологических

процессов. Эти задачи успешно решались в отраслях общего машиностроения, авто и тракторостроения. Особенностью литейного производства станкостроительной отрасли являются мелкосерийный характер производства, значительные габариты и массовые характеристики литых заготовок (до 120 т).

Проблемы литья в станкостроении освещали В.М.Шестопал [16] и Г.И.Клецкин [17], но в их трудах рассматривались преимущественно технологические процессы изготовления мелких и средних отливок с серийным характером производства на механизированных заводах -Центролитах. Технология производства крупных чугунных отливок весьма трудоемка, имеет большой удельный вес ручных операций, отличается сложностью формовочных процессов и особыми требованиями к качеству чугуна и эксплуатационным характеристикам отливок.

Повышенные требования к станкам по точности обрабатываемых изделий, эксплуатационной надежности и долговечности обеспечиваются в значительной мере базовыми станочными отливками [11] (станины, основания, стойки) по параметрам износостойкости, жесткости, стабильности размеров и демпфирующей способности.

Развитие станкостроения связано с поисками новых технологий изготовления базовых деталей станков - использованием сварных конструкций, применением станин из синтеграна (полимеры), использованием накладных направляющих и заменой трущихся пар скольжения трением качением.

Новые веяния в станкостроении должны были обеспечить рост выпуска станков, повысить их качество и производительность, долговечность, уменьшить металлоемкость. Однако этого не произошло, так как решения принимались без сравнительной оценки эксплуатационных характеристик сварных конструкций [13,14] и станин с накладными направляющими с возможностями чугунных отливок:

- по прочностным показателям с учетом демпфирующей способности;

- по геометрической точности отливок при применении неразъемных форм;

- по трудоемкости с учетом сложности конфигурации.

В настоящее время просматривается четкая тенденция сокращения количества литейных цехов и предприятий - центролитов, производящих крупные станочные отливки. Поэтому особую актуальность приобретает решение задачи обеспечения станкостроения базовыми отливками действующими цехами.

Цель работы - повышение эксплуатационных характеристик базовых деталей станков с регламентированным уровнем свойств на основе совершенствования традиционных технологических процессов производства литых заготовок и разработка принципиально новых процессов изготовления корпусных деталей станков из бесстержневых композиционных чугунных отливок, обладающих дифференцированными свойствами. .

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка литературы. Материалы работы изложены на 165 страницах машинописного текста, содержат 22 таблицы, иллюстрированы 64 рисунками. Список литературы содержит 253 наименования.

ГЛАВА 1. БАЗОВЫЕ ДЕТАЛИ В СТАНКОСТРОЕНИИ И МЕТОДЫ ИХ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1.1. Характеристика базовых (корпусных) деталей, изготовляемых из серого чугуна, и требования, предъявляемые к ним.

Металлорежущий станок - технологическая машина, призванная методом резания осуществлять формообразование с заданной точностью и максимально возможной производительностью. Точность исполнения изделия определяется основными показателями металлорежущего станка, по которым оценивается его качество при сохранении длительного ресурса. Этот комплекс точности и производительности зависит от составляющих металлорежущего станка: базовой части, системы управления, электроники, гидроаппаратуры и формообразующей части .

Корпусные детали оказывают существенное влияние на точность станка и ресурс ее сохранения, т.к. они служат для размещения узлов, передающих движения и усилия резания. От их динамической устойчивости или жесткости по отношению к внешнему воздействию и надежности, определяемой износостойкостью и короблением в процессе эксплуатации, зависит работа всего станка.

Влияние этих факторов установлено многочисленными экспериментами [31, 34 - 41, 42, 61]. Так, например, увеличение жесткости с 9000 до 45000 н/мм позволяет увеличить точность обработки на 2-3 класса.

В станкостроении большое внимание уделяется проблеме износа направляющих, как при выяснении физики явления [69, 70], так и применительно к практике станкостроения [65, 67, 73]. Износ деталей станка происходит в широком диапазоне, и он не стабилен: колеблется от 5 до 100 мкм/год, в то время как нормы точности для станков разного класса и назначения составляют 5-12 мкм [17]. Коробление также не стабильно и колеблется в широких пределах (20-200 мкм), хотя нормами точности изготовления деталей для станков оно допускается на 1 м - 20 мкм, а для станков высокой точности 5-12 мкм. По проблеме коробления выполнено ряд фундаментальных исследований [43, 22,19, 51, 58, 87, 93], опробовано много вариантов технологий, обеспечивающих стабильность размеров чугунных отливок при эксплуатации станков [25, 45 - 50, 53-55]. В результате установлено, что обеспечить стабильность размеров базовых деталей далеко не всегда возможно.

Корпусные детали до недавнего времени изготавливали только из

серого чугуна, который имеет удовлетворительную износостойкость при трении скольжения, обладает высокой демпфирующей способностью [72, 73] и хорошими литейными свойствами.

Характерными особенностями корпусных деталей являются:

- сложность конфигурации;

- разностенность;

- разнородность свойств отдельных частей.

- большие массы и габариты (до 120 т).

Первое определяется тем, что технологическая жесткость конструкции тем выше, чем меньше стыков между деталями при традиционных механических связях.

Разностенность связана с наличием в корпусных деталях опор для различных вращающихся и скользящих деталей. При стыковке опор со стенкой коробки создаются утолщения, которые являются неблагоприятными для литья.

Практика показывает, что подвижные части станка создают одновременно трение и вибрационные нагрузки на корпус. Поэтому корпусная отливка должна обладать одновременно износостойкостью и демпфирующей способностью.

Износостойкость направляющих зависит от твердости чугуна, определяемой структурой матрицы, размерами графитовых включений и расстояниями между ними.

Установлено, что структуры с крупными графитовыми включениями, получаемые при заливке чугуна с высоким углеродным эквивалентом, обладают повышенной демпфирующей способностью, но одновременно износостойкость чугуна понижается [66, 67].

Все это указывает на актуальность поиска новых путей увеличения надежности и динамической устойчивости металлорежущих станков за счет повышения эксплуатационных характеристик базовых деталей.

Необходим поиск технологий, обеспечивающих получение направляющих базовых деталей из износостойкого чугуна, а всей остальной части станины - из чугуна с высокой демпфирующей способностью. Актуальность такого поиска вытекает из экспериментов, которые доказывают влияние вибрации на износ. Так, например, при трении скольжения, при вибрации с амплитудой 1 -4 мкм и с частотой 30 -50 Гц скорость изнашивания возрастает в 3 раза [43, 44]. При повышении демпфирующей способности коробчатой части станины уменьшается вибрация, передающаяся в зону контакта поверхностей трения, что уменьшает износ.

Процессу поиска повышения износостойкости чугуна посвящены исследования [67- 70], предложены методы снижения износа направляющих [23, 30, 65-67] и работы в этом направлении продолжаются.

Одним из факторов, оказывающим существенное влияние на ресурс сохранения точности станка, является коробление деталей в процессе эксплуатации под влиянием остаточных напряжений. Решение этой проблемы начинается на стадии проектирования, за счет получения равностенной конструкции, а на стадии изготовления отливки - за счет создания термоконстантных условий охлаждения всех ее частей с разными толщинами. Однако, ни то, ни другое осуществить часто не удается. Так, например, в станинах толщина направляющих остается в 2,5 - 3,5 раза больше толщины стенок коробки. Охлаждение массивных направляющих обычными литыми холодильниками приводит к образованию междендритного графита и цементита. При прогреве холодильника создается тепловой узел, который лишь увеличивает остаточные напряжения. Охлаждение массивной части отливки холодильниками с проточными средами позволяет выравнивать скорости охлаждения тонких и толстых частей отливки, но технология заметно усложняется и ее реализация возможна лишь в отдельных случаях. Поэтому в базовых деталях достаточно высокий уровень остаточных напряжений, проявление которых зависит от релаксационной стойкости чугуна. При низкотемпературном отжиге происходит изменение уровня остаточных напряжений и релаксационной стойкости. Кроме низкотемпературного отжига применяют деформационные методы стабилизации (естественное старение, вибрационное старение), а также деформационно - термическое воздействие. Проблема стабилизации размеров литых чугунных деталей подробно разработана. Однако, реализация этого процесса остается трудоемкой. Кроме того, любые методы стабилизации размеров отливок из серого чугуна позволяют создать лишь равновесие между остаточными напряжениями и релаксационной стойкостью для данной конфигурации отливки. При этом припуск должен быть достаточным, чтобы последствия коробления были устранены. Такая постепенная минимизация деформации отливок является процессом долговременным и трудоемким. Поэтому для исключения коробления базовой отливки во время эксплуатации станка необходимо, чтобы напряжения в отливках были на низком уровне и не проявлялись даже при малой релаксационной стойкости чугуна. Существующая традиционная технология изготовления чугунных базовых отливок пока не позволяет этого сделать, хотя и ведется интенсивный поиск способов минимизации напряжений в процессе изготовления

отливок и эффективных средств стабилизации конфигурации и размеров отливки.

При сложной конфигурации отливки большое влияние на процесс формообразования оказывают стержни. Применение стержней связано с дополнительными трудозатратами на их изготовление, сборку и удаление. Это ухудшает технологичность и экологичность процесса. Чем сложнее конфигурация, тем труднее управлять контактными процессами форма -металл и усадочными процессами, что приводит к различным порокам, которые поражают почти каждую корпусную отливку [200]. Исправление их требует значительных затрат и ухудшает эксплуатационные свойства отливки.

1.2. Современные методы изготовления корпусных деталей в

станкостроении

Помимо изготовления корпусных деталей из серого чугуна литьем в песчаные формы, в ряде случаев применяются и другие методы, например: -сварные конструкции из стального проката; -литье из полимеров с зерновым наполнителем. Реально конкурировать друг с другом для любых конфигураций корпусных деталей и нагрузок в настоящее время могут только литье из серого чугуна и сварные конструкции из проката. Сварные конструкции позволяют сократить массы базовых деталей на 15-30% и цикл их изготовления по сравнению с литыми в 2-3 раза. Конструкторы часто положительно оценивают то, что сварнокатанные конструкции обладают м�