автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка научных и технологических основ производства отливок способом вакуум-пленочной формовки

ЛШКЖРЛДСКШ ГОСУдаРСТЗЕгДИП Т-ШШЗСХЙ УИЖРСИТИТ

11а правах рунопзап

КУЗНЕЦОВ Валептгл Петрович

разработка к{7шж ii технологических основ бро'гзбодстеа отливок способом ВАКШ-шшочной §ор;,ювки-

05.1-3.04 "Литейное производство"

Диосертатш в форме научного доклада на соисгашю ученой степени доктора технических наук.

Санкт-Петербург - 1992

Работа хшголнела " Цешузслыюк ордош дошка ту^о-исслодогателг оком институте татерлалов.

Оф:щпалыше оппоненты:

- д.т.п., профессор БОРОВСКИЙ Ю.Ф., СЗПП г.С.-Петербург;

- д.т.п., профессор ВЛСШГЬЕЗ В.А., ЫПУ г.Москва;

- д.а.п., профессор ШУЗШДО B.C., ШШ ЛНУ г.Ююв.

'Ведутся' организация - ЦШШИ "Прометей", г.С.-Петербург

Защита состоится " 16 " а л ролл ' . 1992 г. в___

сов па зассда:ш спеюаяизаровзшого сойота Д 063.33,08 в Ленинградском технической унлверелтета по адресу: 195251, г.С,-Петербург , ул.Поллтслпотсская, д.29

С длссортаипей гшно ознакомиться в фущтовитальпой библиотеке.

1992 г.

Ученый секретарь епон.'иллзлровалкого совета Д 063.38.0В

к.-т.п., л.оцепг ХазакоБлч Г.С.

овдая характеристика РАБОТЫ

Актуальность проблемы. ..Развитие современного машиностроения требует непрерывного совершенствования литейного производства, перевода его, в первую очередь, в категорию безвредные, экологически безопасных и безотходных производств при минимальных затратах энергетнчог.хих, материальных и трудовых ресурсов. Сцшет из наиболее совершенных и : шь версальных способов литья, обеспечивавших возможность максимальной механизации и автоматизации технологических операций, является способ получения отливок в формах, изготавливаемых из сухого £хэрмовочного материала с применением вакуума и синтетической пленки. Изобретенный в 1971 го,цу японской фирмой "К.К.Акита" этот способ получил широкое wi-ровоз признание среди специалистов литейного производства под названием " V -процесс" (вакуум-процесс). В нашей стране наиболее часто его называют "вакуум-пленочная формовка" (ВШЬ).

Главные отличая технологии ЫМ от всех известных способов изготовления отливок в разовых песчаных формах заключаются в том, что формовочная смесь не содержит связующего, а необходимые прочностные а размерные характеристики литейкой формы достигаются путем создания разрежения в объеме формовочной смеси за счет применения герметизирующей синтетической пленки. Ери этом исключаются операции смесеприго-товлакия и затраты па связующие материалы, резко сокращается расход формовочных песков, повышается качество в точность отливок. Важнейшим преимуществом ВШ> является улучшение санитарно-гигиенических условий труда.

На основании поисковых работ по опробованию технологии БПФ, про-зеденных ЦНИИ материалов, Институтом проблем литья АН УССР и ШТИлит-пром в I374-I975 гг., принят ряд правительствешшх постановлении о развитии исследований в области новой технологии для внедрения в литейное производство страны, в том числа и на предприятиях оборонного комплекса (Постановление СМ СССР от 30.09.1980 г. JS 850, Решение Госплана СССР от 15.11.1984 г. й 1150, приказы Министра оборонной ирогяль шзкности от 14.05.1982 г. й 271, от 31.10.1937 г. & 711, от 2.II. 1987 г. J» 800 и др.).

Таким образом,, создание принципиально новой отечественной технологии ВП<5 и комплекса технологического оборудования является вакней-Н9й научной и народно-хозяйственной проблемой, решении которой посвя-5вна представленная работа.

Цель работы. Разработка научных основ и комплекса технологичо-

ских процессов и оборудования для широкого внедрения ВШ> в литейное производство с целыо повышения ого технического уровня, снижения расхода энергетических и сирьэвых ресурсов-при одновременном выполнении экологических требований.

В работе -были поставлены и решены сяедущие задачи:

1. Разработана теоретическая модель эффективного механизма формирования уплотненной сухой сыпучей среди, применяемой для изготоьле-шш разовых литейных форм методом ВН<5 за счет выбор.*', аэрометров низкочастотной вибрации к остаточного давления в форме.

2. На основе полученных закономерностей аналитически определены оптимальные пределы регулирования фазико-химяческиш и теплофизиче-скиш параметрам;! литейной формы при оа затвердевании и обоснована мероприятия по управлении процессом формирования структуры и свойств отливки, изготовленной методом ВПФ.

3. Разработаны технологические процессы и комплексы ^ромышленнэ-го оборудования для производства широкой номенклатуры литья но. вакуум-процессу из чугуна, стали, жаропрочных и атшшншевых, сплавов.

Научная новизна. Обоснованы и развиты новые научные представления о механизме уплотнения сухого кварцевого веска без связующего при ВЦФ. Предложено аналитичесхгае решение по определению плотности наполнителя в случае интенсивного уплотнения формы при виброускорениях • ■ (3,2...7,5д) с-вертикально направленными колебаниями. На основе теория вибрационных перемещений, механики грунтов к фильтрации газов в пористш: средах установлено, что трсбуеьше плотность к-прочность формы достигаются за счет оптимального сочетания остаточного давления воздуха в объеме сухого песка, гранулометрического и химического составов песка и параметров низкочастотной вибрации при его уплотнении. Научно обоснована система гибкого регулирования физико-химических и теплофизическкх параметров литейной формы из сухого песка с синтетической пленкой в процессе затвердевания и охлаждения отливки. Показана возможность изменения указанных свойств формы на различных стадиях формирования отливки за счет регулирования подачи охладителя в расчетные сочсния (¿орки к реавда вакуушрования с целью обеспечения заданных механических свойств литого металла и качества поверхности отливок. Предложен аналитический метод расчета толщины противопригарного покрытия <в ток числе для чугуна и цветных металлов) в зависимости от зернистости применяемого-песка и технологических параметров отливок. Разработана математическая: модель (на ЭБМ ЕС1022) и опродолеаи ант-малыши иераштра загвердевания и охлаздения отливок в сухих, вакууми--.

4

руемих формах. Впервые разработаны и'гчедрсии оригинальные методы проектирования модзльио-опочной оснастки и специального оборудования.

Эта положения позволили репить крупную ¡газ^шо-техничсскуз проблему, эа"лз)чатадуюся в разработке ц создании околоплески чистых процос-сов получения отлквод методом ШФ при рационольном использовашш энергетических и сырьевых ресурсов.

Практическая значимость и внод.юнлз результатов роботы. Вперы.е сформулированц основные технпческио требования к уррковочннм пескам п синтетическим плешкам. По результатам исследований разработаны отечественные щрки синтетических герметизирукшщх пленок'и организовано их производство на хкмичеисих предприятиях. Впервые ирокли проиьводствен-иое опробование композиции "яидких" пленок.

Разработанн технологичоекко процессы гибкого регулирования скорости затвердования к охлакденш крупногабаритных массивных отливок.

На уровне изобретений разработаны конструкции модельно-опочной оснастки для В®, способы изготовления вакуушруеглых стеряной, меха- • визированию формовочные установки, автоматизированные ивш, в т.ч.-для безопочной формовки.

Разработанные процессы, технология и оборудование стандартдяиро-ваны, прояиш широкую опьш-ю-проыьшшкук проверку. На девяти предприятиях отрасли внедрено шесть типов промышленных установок для производства г.элкосерийного литья из чугуна, стали п цветных сплавов и автоматизированная линия с цикловой производительностью 45 форк/ч для серийного производства стального литья, ¡¡а которых освоено с вша 500 наименований отливок массой от 0,1 до 500 кг с чистотой.поверхности Sj, е 100 мгсм и точностью размеров по 5-9 классам-(ГОСТ 26645-85).

Спроектирована и находится в стадии изготовления автоматизированная линия 22-87 с цикловой производительностью 80 форм/ч для производства битовых ванн в формах с вертикальным разъемом. Впервые разработанн ковш варианты вакуумной бозопочной формовки, что позволило существенно снизить затраты на изготовление оснастки. Спроектированы к изготавливаются автоштизироваввие линии 22-119 безопочкоп форью:*-ки с цикловой производительностью 90 сгорм/з для массового производства деталей тянущих машин н конторок бытовьа электрических плит, а также автоматизированные линии 52-644 для изготовления литых деталей швейных камин в облицовашшх кокилях с цикловой производительностью '

60 форм/ч.

Разработанные под руководством и при непосредственном участии

автора технологические процессы и оборудование, изложенные в настоя-

5

ще.\; докладе, защищены 74 авторскими свидетельствами, их внедрение в народном хозяйстве обеспечило годовой экономический эффект более 4,5 млн.руб. Последующее внедрение автоматизированных дикий ВПФ обеспечит достижение экономического эффекта на уровне 12 глн.руб./год.

Апробация работы. Осиовнне результаты диссертационной работы до-лояены на межотраслевой конференции по литью методом вакуумной формовки (г.Клин, 1977 г.); отраслевой конференции по литыо .летодом вакуумной формовки (г.Луганск, 1983 г.); всесоюзных семинарах в ДКШ (г.Ленинград, 1977, 1984, 1983 гг.); межотраслевых координационных советах по новым материала и технологическим процессам (1Л00П, Москва, 1Э77, 1980 гг.); юбилейной межотраслевой тематической выставке "Прогресс-771 (Москва, 1977 г.); межотраслевых семинарах на выставках "Сетунь-77", "Сетунь-80" (МООП, Москва); I отраслевой конференции технологов (Москва, 1990 г.).

Публикации. Научнне и практические результаты исследований изложены в 138 научно; трудах. По теме диссертации опубликованы 33 статьи. Из общего числа - 20 не подлежат публикации в открытой печати.

2. СОДЕШАШЕ РАБОТЫ

2.1. Исследование процессов формирования отливки

Состояние вопроса. Литойная форма, изготовленная по технологии ВПФ, принципиально отличается от традиционной песчано-глинистой формы (ДЛЮ тем, что частицы формовочной смеси удерживаются друг относительно друга и сохраняют отпечаток форш только под воздействием разности кезду атмосферкш и остаточным давлениями в объеме сухого формовочного песка (д Рф ). В этом случае герметизирующим элементов системы является синтетическая пленка, формирующая внутреннюю полость литейной формы. При заливке металла пленка разрушается, и з объеме сухого песка (наполнителя) возникают неустановившиеся газовые-потоки, снижающие дРф. Это влечет за собой, изменение механических и теплофизичесхшх свойств формы, определяющих принципиальную возможность формирования отливки, так как при резком снижении дРф кожог произойти разрушение формы. Очевидно, что стабильность процесса при В® молот бить обеспечена только при оптимальном сочетании механических и теплофизнческих свойств форки. К таким свойствам, прежде всего, относятся прочность, точность размеров, газопроницаемость, теплоаккумулирующая способность. К началу настоящей работы в зарубежной литературе имелись отдельные евздония о свойствах литейных форм и технических требованиях к дварцы-ги.; лоска«,:, однако окн косили преимущественно информативный иди рок-С ч.

ламный характер и не могли служить обновой для создания отечественной технологии ВПФ. Для решения поставленных задач необходимо било детально изучить механизм уплотнения сухого формовочного песка, взашодей-ствие ^дщсого металла с материалом формы, затгррдевание отливок в ва-куушруемых формах, силовое взаимодействие отливки с формой. Тесно связаны с исследованием перечисленных проблем вопросы разработки технических, требований и формовочным ласкам и синтеигчесюш пленкам с ориентацией на существующие отечественные материалы.

Облицовка моделей -синтетической пленкой. Важнейшие требования к пленке: прочность и пластичность во всех направлениях, герметичность, отсутствие выделений вредных газов. Наиболее полно игл отвечает полимерная пленка Е А - сополимер этилена с винилецетатом (ВА). При разработке отечественных пленок с содержанием ВА от 1,5 до 23% установлено, что в наибольшей степени предъявляемым требованиям отвечает пленка "СЭШЛЕН" (ВА - до 15). Применительно' к зтой пленке разработа-аы конструкции нагревателей, режимы нагрева и методы облицовки моде- • чей, обеспечивающие увеличение ее вытякки в 4 раза при утонении в 3.'..9 раз. Для улучшения облицознл сложных модельных комплектов уста-ювлевы допустимые скорости деформации пленки, разработан ряд спосо-5ов и приспособлений.

Для изготовления отливок сложной конфигурации с глубокими впади-шли разработаны составы герметизирующих покрытий ("жидких пленок") !а основе растворов фторопласта. Отработаны технология их нанесения ' ш модельные комплекты кистью к распылением, режимы сушш. Опытное 'опробование показало перспективность их применения при мелкосерийном фоизводстве. • ,

Уплотнение формовочных песков и точность размеров литейной фор-га. Шютность формы и ее газопроницаемость являются важнейшими факто->аш изготовления отливки, отвечающей требованиям высокой точности размеры, свойства и др.). В отсутствие связующего частицы формовоч-:ой смеси удерживаются друт относительно друга только за счет сил рения, возникающих в точках контакта под воздействием внешнего дав-.ения. При этом суммарная площадь контактов каждой частицы должна .сглотать возможность разрушения или деформации материала частица и беспечивать ее устойчивое положение в коме формовочной 'смеси в про-есса изготовления и заливки формы. Теория упаковки идеального грун-а показывает, что сферические кары одинакового диаметра монно уло-::ть с плотностью 74.$, для набора шаров с соотношением диаметров :7:77 теоретическая плотность составляет 94,2%. Реальные формовочные

7.

лески кредстарляот собой смесь зерен со спектром форм и размеров, от-днтеатаея мзгду собой -на порядок. Аналитическое исследование процесса угоьэтцзккй сшучей формовочной скесхг выполнено с иракдеоккск .методов ;-.:с-хаш:кп зернистых сред и гоорш вкброколебошй. Под Бездействием вгбеацяи сыпучий иатериел ярсторлешег структурные дефоркадш за счет перемещения частиц до досишзшит иш устойчивого шлашшя, что itpn— водит к уменьшению вашшаемого объема. Общее поремоцен.;е материала по высоте опоки' .

h-H^Hb-Ho^jr -lj, (I)

где Hj . jW И Н2 > f« ■ - высота и плотность материала в опоке ( Hon ) до к после виброобрэботки.

Под воздействием круговых колебаний материал в опоке "сжижается" и перемещение частиц друг относительно друта мокно представить как фильтрацию в пористой среде. Приравнивая сопротивление сыпучего наполнителя полному сопротивлению, возникающему.при относительном перемещении частицы и наполнителя, получим' ' MA-h-Vy.L _

di

з?

■ (2)

J (3)

^■-ЗГТГпу».

после несложных- преобразований имеем

I N 4-/на="П"Фг"^ (4)

к ^Ноп ^б^ГГгГ7^" '

Г~ ' 36м(1-П)*-Г '

' (5)

где - коэффициент динамической вязкости песка в сяижшноы состоянии, Па-с; V? - скорость (фиктивная) перемещения частицы, до/с;

- эквивалентный диаметр канала, и; ' А.?. - коэффициент сопротивления среды;. П - пористость наполнителя;- Ф - коэффициент фор-л:ы частицы; й0 - средний диаметр частицы, мм; Т - время виброоб-овботкл, с. .

Коэффициент динамической вязкости определен из анализа дсИсА-ву-В1дих сил на перемещение частицы сыпучего наполнителя при.воздействии на него вертикальных ( М& ) и горизонтальных ( ) круговых виброколебаний. После математических преобразований формулы принимают вид; .

8

20 С

/ о(х • ^ (v)

где Хб и ^г - коэффициенты пропорциональности.

Формулы для опрэделеш-я и Кг представлены з виде уравнений

регрессии , ■ л

= 6,93 + ^.еЗбМ-}' + 0,&6(лТ + ^«З-А-й^Т ; (8)

{г =Щ,1 + Ч}т-А-1г+ 9,243-/ИЧ/гГ, ( Э)

где А -- амплитуда, м; 9 - частота, с-'1".

Значение коэффициента "Ке определили, исходя'из опытов с поскаш марок 2К01А, 1К02А к ТО 4В . .

Результата расчетов на ЭВМ ЕСЮ22 для удобства пользования представлены в виде'номограммы. Для проверки адекватности в лабораторных и производствеиных условиях выполнены эксперименты на 12 типах формовочных песков. Параметры вибрации варьировались в пределах А =0,5 ...1,0 ш, )") = 3...50 о-1. С = 5...50 с. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало их удовлетворительное совпадение. Установлено, что наиболее эффективное уплотнение'формовочной смеси происходит при виброускорениях (3,2...7,5 д.). Необходимо учитывать,, что при обработке смесей ВНК уровень шума щле, но при этом наблвда-ется рост модуля мелкости песка на рабочих поверхностях формы за счет спускают мелких фракций. При виброускорениях более 7,5^ в нижней части возрастает количество крупных фракций, что неблагоприятно сказывается на чистоте поверхности отливки. Розулътаты выполненных расчетов и экспериментов показывают, что скорость уплотнения зависит от параметров виброобрабстки, гранулометрического состава смеси, но не зависит от формы и объема-опоки. •

Таим образом, использование полученных зависимостей позволяет выбирать необходимые режимы выброуплотнения с учетом вида колебаний, свойств песка и необходимого уплотнения. Благодаря этому появляется возможность целенаправленно воздействовать на качество поверхности отливок.

Исследования влияния зернистости песка на шероховатость поверхности формы доказали, что с увеличением, среднего размера'зорна с 0,05

э

до 0,20 км шероховатость поверхности возрастает с 20 до 280 мкм, причем это возрастание существенно превышает расчетное за счет оседания более крупных частиц при виброобработке¿

Сравнение технологических процессов изготозления песчано-гланис-тых форы и вакуум-пленочной формовки показывает, что последний позволяет изготавливать формы с большей точностью отпечатка из-за отсутствия расталкивают моделей перед их извлечением'-из форы:, сушки форм, исправления й выглаживания поверхностей. Кроме того,при ВПФ допустимы меньше уклоны и практически нет износа поверхности моделей. При извлечении модели из готовой полуфорш на рабочую поверхности начинает воздействовать атмосферное давление,- которое, в зависимости от плотности набивки и остаточного давления, деформирует рабочую полость. При плотности смеси 1520...1550 кг/м^ размер отпечатка возрастает на 0,12.. .0,26$?, при.плотности 1750 кг/и^ увеличение не иревшает 0,05км. После извлечения модели под.воздействием собственной массы и различных внешних нагрузок (установка стержней, литниковых чаш, грузов) такие происходит изменение размеров рабочей полости, при этом максимально деформируются горизонтально расположенные поверхности.

Измерения деформаций показали, что при нагрузках до 200 Н на поверхности диаметром до 100 мм прогиб горизонтальней поверхности не прозывает 0,4 мм и практически не зависит от степени уплотнения. С возрастанием нагрузки, диаметра поверхности рабочей полости и плотности набивки"прогиб форм увёличивается. Это связано с тем, что у форм с меньшей плотностью под воздействием нагрузки происходит уплотнение паска и часть нагрузки рассредотачивается по его объему (боковое давление), -что приводит к релаксации напряжений. При снятии нагрузки прогиб формы уменьшается, однако остаточная-деформация вне зависимости от степени уплотнения формы составляет 0,7...0,8 . от общего прогиба. При наложении на форму рассредоточенной нагрузки прогиб уменьшается, но общий характер зависимости остается аналогичным.

Проведен комплекс исследований по изучению деформации рабочей полости литейных форм, в процессе их заошя на -автоматизированной линии. Па осноге экспериментальных данных методом регрессионного анализа для, форы отливу "рукав полуоси" определены зависимости деформации рабочей полости форм в-продольном'и поперечном направлениях от времени уплотнения и остаточного давления, _

аЪ„р ~ Í,57-0,ОЧ05Г-0,0094 Ту - 0,СООбЗ-ГРф ¡ (ii)

R2 =0,93 ; F а 6,3 ; Fr =5,5 ;

л!)ш = 1,6! -0,0208'Г-0,0^02'Рф -0,000575-VРф :

К2 =0,91 ; Т. =3.0; =5,5 ; ' (12)

где Г - время уплотнения,^ с; Рф - остаточное дазление, Па; Я -коэффициент корреляции; Г - критерий Фзшера; Гт - критерий Стыз-дзнта.

Расчеты показали, что коэффициенты уравнений значимы, а уравнения адекватны как и в (13). ...

Корреляционная зависимость кеэяду деформацией рабочей полости, температурой л продолжительностью заллЕКИ описывается уравнение;,1:

АИм - -7,76 * 0,0075 ■ Ьлл - 0,0698-Г; (13)

' К2 =0,96; N56,4 - Гт -5,7.

Газопроницаемость. Газопроницаемость уплотненного песка определяет погори ьэпора по сеченшо формы и соответственно возможность удержания кома формовочной смеси в процессе разгерметизации формы при ее заливке. Исследования газопроницаемости в зависимости от зернового состава, и плотности набпвгл формовочных песков проведены по стандартной и спецпздьно разработанной методикам. Экспериментально установлено, что коэффициент газопроницаемости к , спрзделясгжи по стандартной методике, когда плотность набавка формовочной смеси приблизительно одинакова, с достаточной точностью олисшзаотся зависимостью

4 - 1X26 ■ ¿\Р, (14)

где с/ср - сродш-ш размер зерна, т.

Для условий идеального одномерного потока с уютом зависимостей, предложенных Л.С.йейбеизоном для вязких жидкостей, найдены формулы определения потерь напора ( л Рх ) по сечшшк формы и коэффициента • газопроницаемости ( ): ■ ____

£ „ , - (13)

где л Рх - давление па расстоянии X от наружной поверхности ¡оормы в направлении потока, Па; Рат , Р5 - давление атмосферы и у сто, "!; опоки, Па; Ь - расстояние от наружной поверхности формы до стен:.и опоки, ы; Г - площадь сечения, ьг; К - газовая постоянная (для воздуха К = 285,8 м2/с2.К); 7 - абсолютная температура; (3 -расход, м3/с; у - плотность, кг/м3.

Расчетные зависимости подтверждены экспериментальны,о* дакит-тл.

II

Установлено, что с уменьшением среднего диаметра зерна с 0,2 до 0,063 мм газопроницаемость при одинаковой плотности стирается более чем б 5 раз, а потери напора возрастают на порядок, что увеличивает опасность обрушения форм" при заливке. С этой точки зрения выгодно использовать более крупные пески с минимальным содержанием пьйевццной франции.

Образование пригара. Изучены закономерности влияния зернистости и плотности набивки, остаточного давления и перегрева металла на пригар в отливках аз чугуна, стали и алюминиевых сплавов. Установлено, что с повышением плотности набивки и остаточного давленая, уменьшением размера зерна и перегрева глубина пригара уменьшается. Наибольшей склонностью к образованию пригара обладает чугун с высокой квдкотеку-честью и низкой вязкостью. Радикальным способом повышения чистоты поверхности является применение противопригарных покрытий. Наносимый на пленку слой покрытия толщиной более 0,2 мм практически полностью предотвращает образование пригара. Разработай^ к внедрены з производство составы быстросохнущих и водных красок для различных сплавов, а такие технологические режимы их нанесения и сушки (табл.1).

Противопригарные покрытия, выполняют также роль герметизирующего слоя, закупоривая поры между частицами смеси и снижая газопроницаемость поверхностного слоя формы. При толщине.покрытия более 0,3 мм и низкой газопроницаемости они могут явиться причиной образования поверхностных газовых дефектов в отливках из-за газов, выделяющихся при сгорании пленки.

Выбор формовочных песков. Исследованиями влияния зернистости- песков на качество отливок (особенно чугуна и цветных металлов,•в т.ч. алкгмки;) установлена целесообразность применения песков, средний раз- • мер зерна которых находится в пределах 0,05...0,2 ил. Форш из более мелких песков обладают низкой газопроницаемостью, ■ а в формах из крупных фракций образуется пригар, приводят® к образованию поверхностных газовых раковин, для устранения которого требуется.оптимальная толщина защитного покрытия. Наилучшие результаты получаются при использовании сосредоточенных песков, средний размер, зерна которых ниже 0,1 мм. По результатам исследований зернового и химического составов песков 12 карьеров для применения в лйтейних цехах рекомендованы лески Голиковского (марок 1К0063А и 1К01Б), Новоладожского (1К01Б) и Ново-селовского (1К0063А) карьеров. Допустимо также применение песков Таманского (1К01Б) и Гомельского (К01Б) карьеров.

Еидкотэкучесть металла и расчет литниковых систем. Для исследо-хпния :;:!дкотокучеси; металла использовали спиральные пробы с каналом 12

- - ■ -'Таблица I Составы-противопригарных покрытий - - ■__

—--г Массовая доля, % Материал отливки

Дисперсная фаза (огнеупор) Дисперсионная среда. Добавк и -

Графи? Циркон Кварц Метиловый (этиловый) ■ сшрт Вода Органические смолы ПВ5 КМЦ ' ДС-РАС ИВС-СЕВА)

40...60 40...60- 40...60 38...56 38...56 38...56 2...4 2...4 2...4 2...4 2...4 2. ..4 - чугун сталь .. цгетные сплавы

50...80 20...48 • 1,5...2,0 0,5 2...4 чугун

- 60.,. .80 40...60 ! ! 1 20.. ¿38 38.'..56 2,0...2,5 0,1...0,2 2...4 2...4 сталь цветные сплавы

со

трапециевидного сечения 7x8 ш. Пробы заливались чугуном марки СЧ20 при различных температурах перегрева. Установлено, что иидкотекучесть в закуумпруемнх Лорках по сравненшо с сухими песчаио-глянистезлл возрастает на 20-30^ при давлении 101,3 кПа. Наиболее существенное ълпя-ние на надкотекучесть оказывает остаточное давление формы: при повышении остаточного давления с 20 до СО кПа длина спирали уменьшается с 1050 до 250 км. . '■

•Аналогичные зависимости получены при заливке сташ и алшпшю-вых сплавов. Установлено, что в ЗПФ можно обеспечить изготовление отливок с толщинами стенок в 1,2...1,3 раза тоньше, чем в сухих песча-но-глинистых формах.

Литниковая система является вачснеГшпм технологическим фактором, определяющим возможность получения отливок. Неправильны1;! выбор конструкции и размеров•литниковой системы приводит к разрушение герметизирующей пленки, нарушению газового реяша з, полости йормн, размыву формовочной смеси или ее разрушению.

Влияние размеров и конструкции литниковых систем на заполнение формы и качество отливок з¡зучалл на плоских отливках размером 400x100 ш, толщиной 4, 8 и "20 ми. Наилучшие'результаты получены при йсполь-зсвашя'1 замкнутых литниковых систем, обеспечивающих спокойное поступление металла в полость формы при заполненной литниковой системе (узкое место системы - сечешю литникового хода).

Е основу мзтодики расчета узкого места лит;ы. ,:овоГ: системы.

Гл.*. положена зависимость

где б - масса отлшки, кг; f - плотность-металла, кг/ы^; К -напор, м; Т -- время заливки,. с.

т ~ з tfW

гд-j о - коэагпцпонт (ошедсдюшшй из опыта: для чугуна и шшккии- . евых сплавов-1,2.. .1,4; для стали-!,!.. .1,3); S" - тоицкио стопки,»,:.

Доя отжига: с 6' = 4.. .20 f.ii.: moeiio пользоваться традиционным для чугунного литья соотношением • .

Теп ■■ FA.x. •• - 1,15 : 1,0 : 1,1 , (ГЗ)

где Fen, » - сечение лежа и питателе];, ш.;2„

Для отливок с 5" - 20 ш рекомендуется люниковся систсыа с сооиюаонкем оло::онтов

1,0 : 0,9 : 2,0. (20)

Площадь козерочаого сечения -выпора ( Fm:r ) определяется ип ео-

1-1

(18)

отношения ■ / -

Г выл =» К г«мп . • (21)

Для отливок массой <• 50 кг . £ = 1...2; > 50 кг к = 2...3.

Тепловые характеристики процессов затвердевания и охлагдения. Исследования свидетельствуют, что продолжительность затвердевания и охлаждения в ВПФ по сравнению с ПГ£ возрастает. Объясняется этот факт отсутствием в сухой песчаной форме связующего и влаги. Кроме того,поток газов, проходящий через объем песка при формировании отливга, су-' ществекно изменяет теолофизические свойства формы (коэффициенты теп-лоаккумулирущей способности Ь<р , температуропроводности й<р , удельной теплоемкости. с<р ). Значение этих свойств является необходимым условием целенаправленного регулирования процессов затвердевания и охлаждения отливок. На основе экспериментального определения • температурных полей отливки-и формы, используя методики тепловых расчетов А.В.Вейника, Г.Ф.Баландина и др., впиолкен расчет на ЗШ тепло-' физических сеойств ШФ.

Коэффициент теплоашсукулирувдей способности форш рассчитан по формуле 0

I _ К'/м -(¡'КР _

где 6>(р- теплоаккумулирущая способность форш, Вт.с^'^Д^-'К; Я -половина толщиш стенки отливки, м; ' - плотность, кг/и^; Цкр - ' удельная эффективная теплота кристаллизации, Дж/кг; 1?п - температура поверхности отливки, °С;' Тюл - время затвердевания, с; п - показатель степени параболы, описыващей тешоратурное полз формы.

Удельнуи теплоемкость С<р находим из батанса тепла, отданного отливкой ( К^м-с^) и полученного формой -рт ■ с<р- 0п )

Со, = у- (ПИ!. , (23)

где Хф- глубина прогрева форш, м.

Коэффициенты теплопроводности -Д т и тешературопроводности находим из известных соотношении , * г

' ^ - ; «4) ; а,. (-=£*-] • (25) •

Во всех расчетах температура поверхности' отливки в первом при-бликзнип принималась равной те.'.шоратуре кристаллизации. После олроде-леиия коэффициента топлопровод;тосгш проводилось уточное:« значения тег.шорзтуры поверхности отливки по (формуле

у - ___

Jn ~ t + n*Xf-r„; --R-Xr1 ' (26)

Результаты расчетов теплофизических характеристик ВШ представлены в табл.2, где они сопоставляются с аналогичными свойствами ШФ.

Таблица. 2

Термофизические характеристики литейных форм

.Форма • А Вт/м-К • С<£)_ ДжДт-К 29Г' ■ Вт.с/м^.К

ШФ 1,05 . 794' ' 8,2 1153

ВПФ кварцевый песок 0,65 942 - 4,3 S92

ВПФ чугунная дробь 2,12 553 15,2 1715

При ВПФ теплоаккумулирующая способность, теплопроводность и температуропроводность существенно ниже по сравнению с сухой 11ГФ, Как следствие продолжительность снятия перегрева увеличилась на 60, а затвердевания на 65$. . '

Для приближенной оценки времени затвердевания и охладцения отливок-из СЧ20 и Ст55Л можно пользоваться следующими соотношениями

Т,Г • (2?;

■ гГ С . ■ (28:

где ijam - время затвердевания, с; - время охлаздешя отливок, с, с приведенными толщинами 10...20 т в штервале температур 900.., ...500°С. .-' '

Наибольшее' влияше на продолжительность затвердевания и охладде ния отливок оказывает остаточное давление.в форме. Уменьшение его с 80 до 20 кПа сопровождается, усилением вынужденной.конвекции в форме приводит к сокращения. цродолгштелыюсти затвердевания чугунных отливок на 15 и стальных на 19$. Плотность набивки формы и гранулометрические характеристики кварцевого песка существенного влияния на про-долящтельцость затвердевания и охлавдения не;.оказывают.

Возможность управления коэффициентами температуропроводности и топлоаг.кумулирущей способности формы в процессе затвердевания и охлаждения отливки за счет регулирования потока газов в объеме песка позволила разработать, способ регулируемого охлаждения отливок. Сущность способа в -тог/, что на определенном расстояшж от поверхности контакта металл-форма вводится газообразна или лвдкий тепло носител: который, нагреваясь'или иопаряясь от формовочной смеси, откачиваете; Т.". ■ .

насосом. Другая разновидность этого способа - установка водоохлазда-емого холодильника на заданном расстоянии от отливки.

Эффективность охлаждения существенно звеисит от толщины прослойки песка. С ее уменьшением с 40 до 10 мм скорость, затвердевания чугунных отливок возрастает на 34$. Аналогичные данные получены для стальных отливок. Эффект уменьшения толщины прослойки оказывает существенное влияние на время охлаждения уже затвердевших отливок. Так, при уменьшении прослойки с 70 до '20 мм продолжительность охлаждения -до 400°С чугунных отливок сокращается примерно на 40, а стальных на 45%, •.'•■-

Способ регулируемого охлаждения был положен в основу технологии литья массивных 'крупногабаритных отливок из чугуна и стали. Разработаны математические программы расчетов продолжительности затвердевания и охлавдения отливок на ЭВМ. Экспериментальная проверка результатов расчетов на макетных отливках подтвердила их адекватность.

, Остаточные напряжения в' отливках. Остаточные напряжения и обра- ■ ■ зование горячих трещин в отливках определяются г значительной мере • податливостью формы в процессе затвердевания а охлаждения. Исследования проводились на кольцевых отливках из стали 35Л-с внутренним диаметром 100*0,01, наружным - 140^0,01 и высотой 50±0,1 мм. Внутренняя конфигурация выполнялась болваном вакуушруемой: формы (вакуумируемый стержень), стержнями из песчано-глинистых.и жидкостекольйых смесей и электродного графита. Одновременно изготавливались 6 отливок. Регулирование податливости вакуумнруемого стержня.осуществлялось заформовы-ванием в него пенополистриролового вкладыша ф 80 ш и плотностью 0,207 г/см3. Поверхность формы и стержней окрашивалась цирконовой краской на 2^-ном полибутиральном лака.

Опытные отливки оклеивались тензодатчакама на бумажной основе сопротивлением 105,0-106,9 Ом. Коэффициент тензочувствительности датчиков составлял К = 2,02-2,85$.. Гензодатчики располагались розетками с обеих сторон кольца по трем осям, всего но 23 датчика.

Податливость материала формы оценивалась соотношением, %:

п = -¿l^JA-.wo , • (2S)

т> Pi

где J, - диаметр стержня, мм; Dz - внутренний диаметр отливки, мм.

Результаты расчетов по формуле (29) представлен>1 в табл.З.' ^ Из таблицы следует, что податливость формы с вакуушруемым стержнем при всех значсшшх сстаточного давления в ней существенно выше песчано-глинистнх и жидкостеколъных форм и том болео ферм из элокт-

17

родного графита Податливость материала стержня Таблица 3

Давление в форме, кПа. Материал стержня Обозначение Податливость П, %

20, 40, ео ■60 40 20 40, 60 20, 40 20, 60 Вакуумируемый стержень с пенопластовым вкладышем Вакуумируемый Вакуумируемый Вакуушруелшй Песчано-глинистая смесь' Еидкостекольная смесь Электродный графит В + П Б60 в40 ■ ®20 ПГ ЕС - Г 2,90 2,75 2,25 2,00 1,50 ■ 0,90 0,40

Степень снятия напряженного состояния отливки определяется соотношением податливости материала стержня и Свободной усадки материала отливки 1 п

т = 1 - т . (30)

. где & - свободная линейная усадка металла отливки, %/ш. .

' Иоле усадочных напряжений отливки с податливым стержнем определяется формулами

ёг - /Л • /? • ¿п. ^ I

^ - Сп{) ; . 01)

где <5г » . ¿¿'и - соответственно радиальные, тангенциальные, и . осевые напряаешш,- Ша; 1 - независимая переменная, мм;

а. и 6 - соответственно внутренний ж наружный радиусы отливки, мм; Я численный коэффициент, К = -у— ¿>0 ■ > Ша; ^--предел текучести при одноосном растяжении, в данном случае ёо ~ 1/2. ( <о0 )20 = 140 МПа; ( б"» )20 - предел текучести при 20°С для стали марки 35Л ( к* )20 = 280 Щ1а. ■ :

Результаты расчетов по формулам (31) показывают, что в случае "вакуумного' стержня" усадочные напряжения значительно меньше, чем при использовании.других стержней, в то же вромя они возрастают с понижением остаточного давления в форма.-- ■ . .

Усадочные 'напряжения в упругошшстическом состоянии металла от-лпнки линейно зависят от податливости (Д) материала стерши. Эти за-ксг;мости ткно записать в виде уравнений 15

<ёг= 54,4 - 18 п ;

4*. =-80,9 - 25,6 II ; (32)

¿1 = 161,8 - 53,3 П.

Используя аппарат теории упругости, оценим напряженной состояние ольцевой отливки, находящейся в упругом состоянии, если рассматри-ать ее как толстостенный упругий цилиндр с внутренним ( 0. ) и внеш-им радиусом ( & ), находящимися под действием внутреннего давления Р ) и не испытывающего осевой нагрузки. Поле напряжений в этом слу-ао определяется до формулам Ламэ

А = Р-а-* 4) •

е ЛА-Р-о*-

& Л -С* - я*-

де р - давление, при котором цилиндр вачинаег пластически де^ормь оваться, Ша; /<- коэффициент Пуассона.

Для условий идеального тела, используя формулы Ламэ в уравнении ластичности, решая полученное выражение относительно получим

р ■ ' ' (34)

да о( = ; ё0= ( <ба )2о ДЛЯ стали марки 251; ( ^о ')г = 260 Па. ~ &

Значение коэффициента с/ , рассчитанное по результатам обмеров тливок, изготовленных со всеми вышеуказанными стержнями, постоянно ¡1 авно 0,714. Результаты расчетов по формулам (33) и (34) показывают, то в случае, когда отливка находится в упругом состоянии, материал тержня на значение усадочных напряжении в ней уха не влияет. Вороят-о, запас податливости стерши полностью расходуется на более рангах тапах усадки отливки.

В практике и теории литейного производства принято считать, что ри выбивке отливки из формы усадочные напряжения, связанные с сопро-ивлением усадки формой, невелишь Результаты тензсметричоских исслг-ований отливок с целью определения степени снятия усадочных нзг.ря'-.о-ий показагш, что при изготовлении отливок Е11Ф напряжения практически авны нулю. В стальных отлиекзх, изготавливаемых ЗШФ, образование го-ячих трещин шло вероятно, что подтверждается опитом .производств;! тих отливок. При использовании стерсшей с меньшой податливость г, ледовательно, создающих большие напряжения в отливке, ¿садочные иа-ряжения составляют 40$ от своего первоначального аначзшгя.

2.2. Разработка основных параметров технологии изготовления

отливок

кодельно-одочнад оснастка. В результате обобщения накопленного опыта определены технические требования к модельно-одочной оснастке. Выбор материала модели определяется в основном серийностью производства, требуемой точностью размеров и чистотой поверхности отливок, Конструкция'и материал модели должны обеспечивать ее местность и отсутствие каких-либо деформаций при давлении до 98 кПа. Материалами дат моделей могут служить металлы (преимущественно алюминиевые сплавь древесина, пластмасса и др. При изготовлении сложных по конфигурации ласонных отливок целесообразно применение пористых моделей, изготовленных из сыпучего материала и связующего, например, металлический пс рошок с эпоксидной смолой или кварцевый песок с жидким стеклом. Шероховатость рабочей поверхности модели должна быть на одик-два класса -ьызе требуемой шероховатости: поверхности отливок. При конструированш моделей линейная усадка принимается такой ке, как и при литье в обычные песчаные формы.

IIa модельных плитах выполняются отверстия для откачки воздуха диаметром не более 1 мм, причем, для плотной и точной облицовки модел] синтетической пленкой на ICO см"*' плоской поверхности требуется не менее 4 отверстий; Конструкция модельных шшт должна обеспечить коробл ние не более 0,1 мм.на I ы длины. / - •

Опоки для вакуумной формовки по конструкции отличаются от обычных наличием двойных стенок ж полости между этими стенками, которая, соединяется с вакуумной системой при помощи вакуумных клапанов. Уста новлено, что минимальное проходное сечение вакуумного клапана должно быть не менее 5 см2, а для опок габаритами более.1000 мм - 8...IQ см О целью повышения универсальности, упрощения конструкции,- а так же механизации ж автоматизации различных технологических операций пр изготовлении вакуумщруешх форм создан ряд усовершенствованных конст рукций модельной и опочкой оснастки. Зти решения,, защищенные более 3 авторскими свидетельствами, позволили увеличить производительность, прочность формы, снизить дылеввдеденио, 'уменьшить расход формовочных материалов, обеспечить наилучший отвод газов, повысить срок службы" оснастки и снизить трудоемкость ее изготовления.'..'-.

Изготовление стержней. Опыт применения стержней из ПГ и ЖС при ВП.Ф показал, что их применение неэффективно из-за повышенной трудоеь кости изготовления, ■ малой податливости и затруднений при выбивке.Ирг мене-кие стернней иэ холодно-твердеющих смесей обеспечивает хорошую

зкбиваемость, но приводит к засорению формовочного песка облогаа-л; зтержнзй при выбивке. При заливке форм металлом в атмосфер;/ цеха при этом выделяются токсичные газы как результат термсдеструхсщш синтетических смол.

Эффективность технологии БПФ резко повышается в том случае, когда стержни, как и форма, изготавливаются из сухого кварцевого песка с синтетической пленной. Разработано несколько способов изготовления стержней методом ВПФ для различной серийности.

Сущность способа в том, что в собранный стэрянезой ящик вводится рукав в виде предварительно нагретой синтетической пленки, после чего ящик подключается к вакуумной системе и осуществляется облицовка его рабочей поверхности-пленкой. Внутренняя полость ящика заполняется песком через перфорированную трубку,- после чего песок уплотняется вибрацией.

В другом варианте производится протяжна одновременно двух половинок герметизирухщей плешей через разъем стержневого ящика и последующей их сварки после облицовки рабочей полости стержневого ящика. Этот вариант сокращает трудоемкость изготовления стер-гяей и. повышает коэффициент использования тепла на нагрев пленки'.

Для получения крупногабаритных стершей разработан вариант БЕЙ с использованием вакуумного аккумулятора, который закрепляют на каркасе и встраивают во внутрь стершя. -В процессе выбивки вакуумный аккумулятор с каркасом извлекают из литейной формы, очищают и подают для повторного использования. Результаты производственного опробовашм подтверждают надежность разработанного способа изготовления крупногабаритных стержней.

Ддя случаев, когда к внутренним полостям литых деталей, изготавливаемых ВПФ, предъявляют вовшенные требования по точности размеров и чистоте поверхности, разработан специальный способ получе)шя стержней, сущность которого заключается в формировании гальваногаостиче--!ской оболочки на наружной поверхности стерхня, внутри которого создается разрежение 40-50 кДа. Оболочка формируется из материала отливки пли другого материала, обладающего специальными физико-механическими свойствами.

Недостатки способа и характерные дефекты отливок. Основные недостатками способа ВПФ являются: 1

- шиеввделение при заполнении опок.песком и вкбквко отливок;

- усложнение кодельно-опочяой оснастки;

- потребность в высококачественной синтетической плс-ш з.

Б отливках, изготавливаемых по технологии ШФ, наиболее часто встречаются следующие дефекты: пригар, поверхностные и газовые раковины, пористость, пзсчанш засори.

Ооразование пригара связано с проникновением заливаемого металл; в поры наполнителя под'дейетвием разрезания, свойствами и температурой заливаемого металла, размерами пер наполнителя,' составом противопригарного докрытая. Основные моры по его предотвращению долины пред-успатривэтъ использование песков марок 1К0063, противопригарных покр] тип и понгавниой температуры заливка. ; •

Поверхностные газовые ракошны и пористость чаще всего выявляются на плоских и тонкостенных отливках. Основной причиной образования тш'лх- дефектов являются газы, выделяющиеся при разложении и сгорании продуктов достругаем синтетической пленки. Для устранения необходимо применять пленки толщиной менее 0,1 мм при толщине огнеупорного покр! тия не более 0,2 ш.

Внутренние газовые раковины в отливках могут возникать при нзир; сильно выбранном противопригарном покрытии, неудачной конструкции ли: никовой системы, низкой температуре заливки к малой газопроницаемое^ формовочной смеси. Зериастость леска при изготовлении чугунного литы должна быть меньше 0,10 мм. Дня уменьшения газовых раковин в отливка; из алюминиевых сплавов и стали целесообразно одновременно с началом заливка увеличивать.остаточное давление в формовочной смеси до 70... ...80 кПа.

Песчаные раЦданш и засоры при ВДВ -наблюдаются сравнительно редко к обычно являются результатом размыва стенок формы металлом при не правильной конструкции литниковой систёмы, а также в местах, где образуются несплошиости облицовочной пленки. Для устранения этих видов дефектов необходимо изменить конструкцию литниковой системы, отработать рездаы облицовки модельного комплекта, обеспечить необходимую толщину противопригарного покрытая и остаточное давление.

Технология изготовления отливок. Для регламентации техпроцессов изготовления отливок по вакуум-процессу были разработаны отраслевые I межотраслевые стандарты, включающие:

- технические требования к отливкам, основным и вспомогательным материалам;

- типовой технологический процесс;

- методы и средства контроля модельной оснастки, основных к вспс ¡лгательшзс материалов, вакуумного рзяшла, твердости (форм и других параметров.

В приложениях к жачщоыу стандарту приведены характеристики обору-ания для изготовления отливок, вакуумных насосов, конструкции опок, собы нагрева синтетической пленки, типовые составы дротиволригар-красок, расчеты литниковых систем, характерные дефеюты отливок.

Технологические разработки, представленные в настоящем разделе, ■дцены 53 авторскими свидетельствам! на изобретения.

2.3. Создание оборудования и орга>шзация производства литья Зкологическая чистота, технологичность и высокие экономические нзатели являются важнейшими преимуществами при сравнении ВПй с пши, видами литьк в ПГФ.

Для оснащения литейных участков в числе первых создана устаков-' 52-283, предназначенная для мелкосерийного производства отливок. 5азе этой модели разработаны установки 22-54 и 22-48, отличающиеся шей производительностью и'способом подачи песка в опоку методом шумного всасывания, обеспечившего минимальное пылевыделенне при ловке.

Создана установка 52-512, основное'отличие которой заключается в что она снабжена поворотным вокруг горизонтальней оси столом, на >ром закрепляются модельные комплекты верхней и нинней полунорм, операции на этой установке, за исключением нанесения цротизопри-гого покрытия и шдалвчешя одам к вакуумной системе, проязводя®-: пульта управления. На основе этой установки создана механизировал линия 2Э604, укошшвктоззааная машной для вкбызки, системой ;тшх, охлаадошш п транспортировки песка, вавуушроваиия форм и >авлнчоскиш приводами. 1,'с;цность линии - 1000 т литья в год.

Дня серийного ы массового производства литья создана, автоматизи-.нная. линия 52-313, установленная на Курганском машиностроительном ■де.

Для охлаждения песка, поступающего с выбивки на участок формов-до температуры ¡мхе 40°С, при которой исключается прилипание плея-ьюдельиоку шшдешу, разработаны три типа систем обладания про-днтолыюстья 5; 9 п 40 т/ч. Пришил работы этих систем заклш-пет» олла;;,допии леска в пссдцо .ипящем слое.

Основные тохничоспю характеристики созданного оборудования прп-

ны в табл.4.

О использованием нропсцснаых разработок и. закутимпноЗ по :ы.шоо-

втоттпчссасоО двша япопсаоЛ '¿¡ир'.ти " ЗкгЬэ " организовано препз-

тво отяток на девяти иродя^шкях отрасли. В 1990 г. изготовлено

тис.'и отливок болоз ЬСй ножоаовпквЗ из стали, чугуна, дачтньх

23 •

сплавов.

. Таблица 4

Технические характеристики созданного оборудования для ВШ

Г Индекс комплекта оборудования

Характеристики 52-283 22-64 22-43 29604 52-313

Размер опока в свету, ■ т 800x600* х240/240 еоохбоох х240/2 40 650х500х х!20 1000x800 Х400/240 1100x90 Х250/25

Масса отливки макс., КГ 100 100 5G ' 150 150

Производительность, форм/ч 3-4 8-10 2-3 8-10 45-60

Габариты, 'да: длина 2760 4850 1680

ширина 2100 1920 1590

высота 3210 1950 2300

Установленная мощность, кВт 25 " 25. 15 170 1160

Обслуживающий персонал, чел. г 2 I ' 4 ' 8

В 1992-1995 тт. планируется ввести в эксплуатацию еще пять уч стков производства литья ио технологии ШФ общей мощностью II тнс. год. Разработана и находится в стада изготовления автоматизирован линия безопочной формовки производства мелкого литья без стержней изводительностью .90 форм/ч.

Спроектирована и находится на стадии изготовления «этоиатиззц ванная линия, безопочной формовки для литья чугунных бытовых ванн с толаданой стенки 5...6 вместо-7...II мм.и шероховатостью менее 100 Опробована технология литая в облицованные кокали с использо] тех BUS, на основе которой спроектированы два типа автоматизиров; ии: линий по производству отливок промышленных и бытовых швейных i тин для Оршанского завода "Лег&вд". Уникальной является работа по зданию технологии производства крупногабаритннх стальных' отливок сой 15 т с толщинами стенок до 500 мм.

Перечень .предприятий и основные характеристики производств п ставлены в табл.5. .

2.4. Технико-Бконошче ские преимущества технологии ВШ> Структура и механические свойства металла. В связи с понижен скоростью тепдоотвода при Б1К5- структура литого, металла таает веке рые отличия в сравнении со структурой отливок, изготовленных в Ш

Г чугунных отливок прогдаашгссть отбзленгой зоны мешьяз в. 2 раза:

.24 с- ■'• "" ■■ .. -

1 пи.т-11 ^

Бнедредив вакуум-процесса на предприятиях отрасли

Предприятие

Индекс оборудования

Мощность участка, т/год

Характеристика литья

Курганский машзаЕод гла.В.К. Ленина

Ульяновский каззавод .'п.:. Володарского

ПО ''луганск;1п станкостроительный завод им.В.И.Ленина"

Ковровскпй завод и.'.-. Дегтярева

•Чулаточыаш" филиал в г.Суворове

УСШ, г.Екатеринбург

Цпазавод, г.'Вятские • Поляки

зл.РдбихоЕа

м&изавод

52-313 и 52-512 52-512

И и

52-263

Собственное изготовление, размер опок 800x600x150Д50 мм

52-283

52-283

52-512 52-283

Линия собственного производства

2150 7С0

11400

' 2С0

60 . ю

10 10 25

Стальное литье 27 наименований от 10 до 30 хсг

Алюминиевое литье 10 наименований от I до 20 кг$ стальное литье 3 наименований до 40 кг

Чугунное литье 7 наименований. Алюминиевое литье 16 наименований. Стальное литье 4 наименований.

Стальное, алюминиевое и чугунное литьз от 0,3 до 45 кг, 350 наименований

Стальное латье 7 наименований от 5 до 27 кг

Алюминиевое, стальное и чугунное литье 0 наименований от 0,5 до 45 кг

Алюминиевое, стальное литье 3 кайме нованиИ от 15 до. 60 кг

Алюминиевое литье 5 наименований от 10 до 30 кг

Алюминиевое литье 8 наименований от 5 до 70 кг

го с

толщинах стенок G...20 ш к константе графитизации = 5,5 -г 8,0). переходной зоне кедду перлитной и порлитяо-тйерритнои областями тсс вая доля феррита s металлической основе к а 5-15$ больше. Чугунные о ливки имеют более низкую твердость при равной прочности и лучшую об баткваемость. Проведена оптимизация химического состава нелегирован чугунов, рекомендуемые составы и характеристики свойств даны в табл

Таблица 6

Рекомендуемые состазы чугуна для ВПФ -

Марка чуху на

С/&

%

Ша

Iffi*

СЧ15 С 420 СЧ25 СЧЗО Сй.35

3,5-3,7/1,9-2,2 3,3-3,5/1,8-2,1 3,1-3,3/1,8-2,1 2,8-3,0/2,0-2,2 2,5-2,7/2,2-2,3

150 200 250 300 350

120-150 140-180 160-200 180-220 200-230

стандартном образце с приведенной тодгдаьой =7,5 км

Структура стальных' отливок (стали марок 55Л и 17Ш32ШМ) хара терна там, что в металлической матрице наблюдается увеличение доле ферритной составляющей. В металле отливок стали 15Х5ГСФЛ мартене него класса выделения феррита выявляются. по границам первичных ауст Шатнкх зерен, Механические свойства металла отливок.из високопрочаь сталей марок 23ХГС2ШЛ и 17Ш32ММ, изготовленных по технологии В1К ;.'<хшо сравнить со свойства!® металла отливок, изготовленных джгьеи л по вЕПдаьляемш моделям. •

Ыо'/.анические свойства металла отливок из алюминиевых, сплавов,в юзовлошля ВПй, такие сравнимы со свойствами отливок, изготовлена!

Размерная точность и чистота поверхности отливок. Ддя чугунные отливок, кзготоваеквых на автоматической линии по технологии ВПФ,с^ кее зкачзн1.е отхеловвная фактического размера от номинального по чех тс:/.у шио на 2 класса точности по ГОСТ 26645т85 по сравнению с лип в Шарохозглость поверхности отливок при оптимальных условиях лошевкя определяется в основном зернистостью кварцевого леса к ка* стьом протквояригарйого покрытая. Типичные значения шероховатости с ливок, изготовленных йПФ, Ri - 80-100 мыл, тогда как для отливок, изготовленных в ПГ&, - > ЗэО ма-.;.

Ьгшошчаская эффективность. Стоимость литья по вакуум-процесс по сравнэяп) с лисьем в ДГФ снижается з среднем на 15...20$. Основ!-26

атьи экономии складываются из снижения трудоемкости операции на фор-вке в 1,5...2,0 раза, обрубке и очистке литья в 2...4 раза, уменъше--и брака на 50...70$, экономии металла за счет возмозюстк уменьлекш лщины стенок отливок и припусков на механическую обработку на 10... %, сокращении затрат на форглрвочные материалы и связующие, на приго-влении и регенерации формовочных сиесэй.

Банное преимущество ШФ в снижении загрязенил окружающей среды ц.> стоящего времени в экономическом эффекте не учитывается. Расчет эко-гического ущерба, наносшого ВЕФ по сравнению с литьем в оболочксш: Раш, выполненный по котодике, разработанной Ленинградским техниче-им университетом, показал, что экономический эффект только за счет юкения выбросов в воздушную и водную среду вредных выделений умевьется на 23,2 руб./т год.

Полненные данные показывают перспективность применения техноло-•& Жй> при производстве литья. Выполнение намеченных планов внедрения ой технологии в 1992-1395 гг. позволит экономить ежегодно до 2000 т галла'(при объеме производства 13,0 тыс.т литья), уменьшить трудо-кссть работ на 160 тыс.к.-Ч. и получить экономический эффект более млн.руб.

Таким образом, разработан комплекс технологических процессов и эрудованяя, что позволило широко внедрить на машиностроительных запах отрасли процесс вакуум-пленочной формовки. Решена важная науч-I и народно-хозяйственная проблема повшенпя технического уровня .ш-!шого производства, уменьшения экологического ут4ерба и сокращения зхода энергетических и сырьевых ресурсов.

вывода

1. На база экспериментальных исследований с призлочечшем теории Зрационньа перемещений, механики грунтов и теории фильтрации газов эдлогсеко аналитическое решение задачи уплотнения сухого формовочне-песка в яакуумируемой литейной форме с герметизирующей синтетиче-

пленкой. Определены рациональные параметры разрежения, вибрации, знулометрического и химического состава кварцевого песка, сбэсяочи-щие достижение заданной прочности а длотиоста литейкой .¿ера. Размотаны технические требования к формовочным даскшг я синтеииссклм ;ш<ам, на основе которых рекомендованы для использования пески на; 1Х0063А, 1К0А, 1К01Б Голиковского, Новоладоксг-ого и Иовосмовоко-карьоиов, созданы отечественные марзеи пленок ''СГМиШ".

2. Исследована жидкотекучесть чугуна, столп, алк.оптовых а :;:аро~ яннх ендаьов» а также наполняемость яидкга ютапкок закуукжруекгкх

о»?

- <

литейных форм с синтетической пленкой. Установлено, что кидкотекуче в указанных формах на 20-30$ вше, чем в обычных Ш?Ф. Наиболее суще Еешюе влияние на >лидкотекучесть оказывает степень разрешения вакуу руемой формы. Снижение степени, разрежения приводит к уменьшению';:шд текучести.

Предложен метод расчета литниковых систем, обеспечивающий спои ное заполнение форы без их размыва. - Определены соотношения сечений элементов литниковых систем в зависимости от толщины стеши отлкбкв массы заливаемого металла.

3. Экспериментальное исследование процессов затвердевания и сх лагдения отливок и теоретическое обобщение результатов показало, чт теодофизические свойства вакуумируемых сухих форм существенно отдач ются от свойств ДГФ. продолжительность затвердевания и охлаждения с ливок при BÍI¿> возрастает.

lia основ« аналитических расчетов и' экспериментальных исодедове уточнены расчетные форкулн, разработаны программы для ЭВМ, с по-мощ которых определены основные теплофизичеасие характеристики BUS: icos фициенты теплопроводности, температуропроводности, теплоаккумулирух щей способности и удельная теплоемкость. Установлено, что наиболее щоственное влияние на продолжительность затвердевания и охлаждения ливок оказывает'остаточное давление воздуха з объеме формы. Увеличе остаточного давления вследствие деструкции пленки интенсифицирует i нугзденкую конвекции газов и сокращает вреди затвердевания и охлакде ния. На этой основе разработаны способы регулирования термофизкчеет свойств литейной формы за счет подачи в заданные сечения формы газе разных или жидких теплоносителей, что позволяет целенаправленно ущ лять тепловым полем формы, регулируя тем самым продолжительность ьс твердевания и охлаадения отливок.

4. Разработаны способы регулируемого охлаждения крупногабарит; массивных отливок' в БПФ с использованием гибкого управления тешюв! полем формы. Предлоя.эн метод расчета толщины прослойки между холода никои и контактной поверхностью металл-форма. Ка этой основе разрас тана технология ж оснастка для изготовления стальных отливок meeoí 15 т и толлдаой стенки до 500 мы.

5. Аналитическими методами и экспериментально исследовано сил< еоо взаимодействие отливки с вакуумируемкм стержнем в процессе зая рдевания и охлаждения■металла. Установлено, что податливость вакуу! руемого стерашя -значительно превосходит эту же характеристику для стершей кз посчаш-пшнистых и аадкостекольашс смесей. Усадочные i 26

Я2С9Ш1Я з отливках ВПФ практически отсутствуй'!,

6. Предложено научное обоснование вкбора технологических параиют-з литья и конструктивных параметров нестандартного оборудования:

- технические требования к модельно-опочной оснастке и ряд усо-рпенотвовашшх конструкции моделей и сток для В1Т5;

- оригинальные способы изгстор.юния вакууг.ируомых стержней;

- технологические мероприятия по предупредив шла характерных де-■ктов в отливках;

- типовая технология изготовления отливок способом ВПФ;

- формовочные машины моделей 52-283, 22-64, 22-43, 52-512;

- механизированная линия модели 29504;

- автоматизированные линии моделей 52-313 и 22-119 для безопоч-й формовки.

Перечисленные разработки- защищены 74 авторскими свидетельствами I изобретения.

7. На девяти лредприят11ях отрасли организовано промоченное про-¡водслво литья способом ВИф с объемом выпуска в 19Э0 г. 15 тыс.т. Но-¡нклатура литья включает отливки из чугуна, сталей, алюминиевых и др. шагов массой с 0,1 до 500 и более кг. В 1992-1995 гг. запланировано зести в эксплуатацию 5 участков производства литья с общим объемом ¿пуска более 13 тыс.т в год. ■

8. Технико-экономические преимущества технологии ВЯФ обеспечит-с снижение себестоимости изготовления лктъя на 15.. .2С$ за счет зко-зши металла, сокращения затрат на формовочные материалы и их приго-эвление; снижения трудозатрат при изготозле[пш отливок и их ыехакп-эсг.ой обработке; уменьшения потерь от брдаа; сшкения экологического цэрба на 23,2 руб./т год.

Достигнуты^ к настоящее времени в народном хозяйстве годовой .сокомнческий зф(Тюкт-от внедрения разработок составил свкше 4,5 дин. /б.

Основное содержание диссертационной работы представлено в слэду-дпх публикациях:

1. Арзамасов Ы.И., Воль Е.Е., Гребешков В.К., Зайцев Е.В., Куз-эцов В.П., Козлов В.II., Перов И.Г., Яковлев А.Н. Освоение технологии зготовления отливок по вакуум-процессу// ВОТ.-.1377.-Сер. ХУТ.-И 85'.-.39-43Ц Без права публикации в открытой печати.

2. Кузнецов В.П., Себастьян Б.Г., Магницкий О.Н., Ермзлина К.Е. раошротш производства прогрессивных видов статного п чугунного

нгья на предприятиях отрасли в период 1980-1950 гг.// В0Т.-1977.- ' со, Ш.-Я 89.-С. 0-10. ■ - . 29

3. Сенин B.C., Кузнецов В.П., Боговой Ы.В., 1уков Ф.Ф., Мяснян-кин Н.З., Лехтерев B.C. Изготовление песчаных форм вакуум-пленочным способом на заводах Японии// Литейное производство.-1977.-Je 7.-C.I8-

4. Кузнецов В.П., Лпбчекхо A.A. Технология и" оборудование для лзтъя по вакуум-процессу// Зарубежная военная техника.-1978.-Сер.У1. й I.-C.4-7// Без права публикации в открытой печати.

5. Кузнецов В.П., Воль Б.Е. Технология изготовления отливок по вакуум-процессу// М.: ШШянформацЕШ.-1977.-С.З.

6. Гребешков В.К., Воль Б^Е., Кузнецов В.П., ПероЕ И.Г. Технолс гия изготовления отливок по вакуум-процессу// Прогрессивные технолог ческиа процессы.-J1.: Металлургия.-1978.-С.11-14.

7. Воль Б.Е., Кузнецов В.П., Любченко A.A. Оборудование для изготовления отливок по вакуум-процессу// Зарубежная военная техника.-1979.-Сер.2.-0.39-48// Без права публикации в открытой печати.

8. Кузнецов В.П., Пучков В.Г., Швагер Л.К. Вакуум-пленочный метод получения отливок// Электронная промышленность.'-I960.-ЁЗ.-С.27-2

9. Кузнецов В.П., Капран A.C., Козлов В.П. Исследование влияния формы .на напряжения в стальных отливках// ВОТ.-I960.-Сер,ХУ1.-& 114. С.23-26// Без права публикации в открытой печати.

10. Кузнецов В.П., Козлов D.H., Крутиков В.К., Смирнов A.A., /япран A.C. Применение противопригарных покрытий при изготовлении стального и чугунного литья методом вакуумной формовки// ВОТ.-1981.-Ci]:.yji..-'i II4.-C.35-39// Без права публикации в открытой печати.

11. Кузнецов В.П.; Зайцев Б.В., Гребешков В.К. Изготовление сте ржьей по вакуум-процессу// В0Г.-1981.~Сер.Ш.-й 114.-С. 16-20// Без права публикации. в открытой печати. • ,

12. Воль Б.Е., Пучков В.Г., Кузнецов В.П., Ткаченко B.C., Швагер Л.К. Опыт освоения тзхнолохт вакуумной формовки для производств цветного литья// В0Т.-1981.-Сер.Ш.--й 114.-С.26-29/'/ Без права публикации в открытой печати.

13. Кузнецов В.П, Деформация литейных форм, изготовленных до ва куум—процессу// ВОТ.-1282.-Сер.Ш.-й 127.-С.20-22//'Без права публикации в открытой печати.

14. Кузнецов В.П., Любченко A.A. Особенности технологии изготовления отливок по вакуум-процессу// Зарубежная военная техника.-1983.■ Cep.71.-J3 4.-0.37-41// Без нрава публикации,в открытой печати.

. ' 15,"Кузнецов В.II., Рысева K.M. Влияние составов смесей на чисто-•1-у аоворхности чугунных отливок// В кн.: Вопросы теории и технологии ä'iзппьх процессов. Текатнческий сборник научных трудов. Л.: ДЩШ.-ii.tGi-v. 22-25.

16. Пучков В.Г., Кузнецов В.П., Ярмоленко В.К., Кузнецов A.C., аченко B.C. Повышение качества поверхности алюминиевых отливок, пз-говленных методом вакуумной формовки// В0Т.-1984.Сер.ХУ1.-Г> 8(144).-47-52.

17. Кузнецов В.П., Рысева Н.М. Влиягие составов смесей на чисто-поверхности чугунных отливок// Прогрессивные процессы изготовления

ливок. Л.: ЛДЙТП.-1984.С.13-16. '

18. Пучков В.Г., Ярмоленко В.К., Кузнецов В.П. Противопригарные крытия. для вакуум-пленочной формовки// Литейное производство.-1984. 3.-С.18-19// Без права публикацшх в открытой печати.

19. Галдин Н.Ы., Пучков В.Г., Ярмоленко В.К., Кузнецов В.П. Покерная самотвердеющая смесь для изготовления оснастки// Литейное зизводство.~1986.№ 6.-С.30.

20. Ярмоленко В.К., Пучков В.Г., Кузнецов В.П,, Пейсахович Б.Ю., зтииков В.В. Повышение качества поверхности стальных отливок, изго-зленных по вакуум-процессу. Л.: ДЩ1Ш.-198б;-С.21-24.

21. Ярмоленко В.К., Пучков В.Г., Кузнецов В.П., Ситников В.В. тюдействие жидкого металла с наполнителем вакуумгруеыой литейной эш з контактной ооне// БОТ.-1986.-Сэр.Ш.-й 2(152).-С.-43-46// Без ава публикации в открытой, печати.

22. Ярмоленко В.К., Пучков В.Г., Кузнецов В.П., Ситников В.В. шние параметров круговых виброколебаний на уплотнение наполнителя эпоках при вакуумно-пленочной формовке// ВОТ.-1986.-Сер.ХУ1.-Вкл.2 52).-С.35-40// Без права публикации в открытой печати.

23. Кузнецов В.П., Баландин Ю.Ф., Крутиков В.К. Перспективы по-цешш качества и снижения трудоемкости изготовления литых деталей

I изделий отрасли// БОГ.-1986.Сер.Ш.-й 2(152) .-С.3-5// Без права' Эликации в открытой печати.

24. Ярмоленко В.К., Кузнецов В.П., Сытшшов В.В., Пучков В.Г. шние химсостава, условий затвердевания и структуры чугуна на гер-гичность стливок// ВОТ.-1986.-Сбр.ХУ1.-Л 6(155) .-С. 37-33.// Без пра-публикацки в открытой печати.

25. Ярмоленко В.К., Пучков В.Г., Кузнецов В.П., Пейсахович Б.Ю., гников В.В. Повышенно качества поверхности стальных отливок, изго-злсшшх по вакуум-процессу// В0Т.-1986.-Сер.Ш.-й 3(156).-С.29-31 Без права публикащт в открытой печати.

26. Кузнецов В.П., Перов 11.Г'. Термоикзические характеристика литых форм, изготовленных способом вакуумной формовки// ВОТ.-1986.-з.Ш.-ß 6(156) .-С.27-28// Бзз права публикации в открытой печати.

31

27. Кузнецов В.П., Кузен A.B. Ошт разработки и внедрения техп логик вакуумной формовки.-Л.: ДЩ1Ш.-1986.-С.20.

28. Кузнецов В.П., Глебов С.Li. Изготовление литейных.форм по л дяшл моделям вакуумной формовкой// ВОТ.-1987.-Се'р.ХУГ.-й 6(162).-0,20-26//' Без права публикации в открытой печати.

29. Кузнецов В.П., Деров И.Г. Разработка технологии изготовлен отливки башни по вакуум-процессу// ВОТ.-1987.-Сер.ХЛ.-й 6(162).-С.31-35// Без права ■ публикации в открытой печати.

30. Технология производства отливок в формах, изготовленных из сухих формовочных материалов с применением вакуума и синтетической пленка. Отчет ко результатам загранкомандировки в Японию./ ЩШ ЦЕН -ЦНЙИинформа1]ди.-М.-1976.-60 с.

31. Срыбник А.Д., Кузнецов В.П., Бродяной П.И., Горбунов O.A. Свойства чугуна при кристаллизации в вакуушо-плеыочной форме// Литейное производство.-1989.-Jp I.-G.6-7.

32. Ярмоленко В.К., Цучков В.Г., Кузнецов В.11., Ситников В.В. Применение направленных колебаний при Ж1а// Литейное производство.-1988.-й 7.-С.20-22.

33. Богомазов I.E., Кузнецов В.11., Бродяной П.Й., Горбунов О.А Автоматизированная лиеия для производства отливок ЕИФ// Литейное пр изводетво.-1938.-й 7,-С.22-25. . .

Изобретения:

34-43. Литейная форма. - Авторские свидетельства СССР 5S9SQ 634839 ; 764835; 80SIS4; 822977; 1308423; I3I5I07; 1334490; 134662'; I3S7257. ....

44-64. Способ изготовления литейной формы. - Авторские свидета ства CCCP.J& I35IC5; 619274; 685412; 742030; 76II22; 82I03X; 83I35S 833363; 679870; 880609; 888388; 980227; 996061; I05I806; 1054994; 107078.1; 1102653; 1336347; 1372737; 1397150; 1426692.

65-78. Установка для вакуумной формовки. - Авторские свидетель ства СССР 693609; 710756; 710763; 814553; 904238; 925525; 975186 989807; I0I6044; II224I8; 1306645; 1344502; 1346326; I37I76I.

79-99. Оснастка для изготовления литейных форм. - Авторские ев .гл/хзльства СССР Jiis 541572; 582886 ; 603486; 612752 ; 716700; 755412; SbU-JGS; 882695 ; 884830; 916048 ; 942862; S524II; 966984; 975176; 937952; I0523I2; 1066724; I069S24; I323I73; 1435372.

а):