автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка, освоение и исследование процесса изготовления фасонных изделий, армированных композитными вставками

МОСКОВСКИЙ МИНУТ ГШШОРОСТРОЕШ'Л

тз -31

ЩШ ГвяяадаЗ Аяатодьовэт

РАЗРАБОТКА, ОСВОЕНИЕ И ШЗДШШИЕ ПРОЦЕССА НЗГОТОВШШ ФАСОННЫХ ИЗДЬП® АИИР0ВАННЫ1 ШШ03ИТШШ ВСТАВШИ

Спедажлъяость 05.02.01 - катерзалопэденав в калиностроании

' (щкшшалениость)

Для служебного ПОЛЬЭОЕПИИД «аз. й

На правах руяогооя

АВТОРЕФЕРАТ

двссвртаци на сокскаижв учено! степени кандидата технически наук

Москва - 1991

то

Работа выполнена на кьфодро "Кошозщюншэ uasopiiasa" Московского института приборостроения.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Семенов Б. И.

Официальные оппоненты - доктор технических шук, а&в.даб.

Кольев H.U.

кандидат технических тук, с.и.о.

Сахаров й.Ь.

. Шдущ&я оргедаэьцив - ШМГАмопрои

' V4 £

3sj4Uta состадгсл */£* (У/Wë/'J 1991г. в У О «ас. на а&седаши специализированного совета К 063.93.01 со присуадс-(ьш ученых степензй кандидатов технических наук в Lqcuouûuqu институте приборостроения по адресу: IQ7Q76, Носив s., уд; Cîpoîsii-ua, 20.

Ваш отзшш на йзтореферат в двух экзсьшдЕрах. шершш пекатьа, ороаш направлять & епеццадизцровгишй cascs па указанному ьдр&су. ' -

С ддссартедцай иахно ознакомиться и шзучно-техшчоской библиотеке по адрасу; L07Q76, Носива, уа.Стрс^днна, 20.

Л«йр<4арм рмоадем п /0 " A/éW/PtéS 199/г.

УчаниД езкрзгарь ciic^iuu&u-

роьалноро совета, ыздадаг .

мхндчвсках ицуи, децзн-г '

Актуальность проблемы. Принципиально новые возможности открывают перед машиностроителями композиционные материалы с металлической матрицей, используемые с учетом принципов оптимального проектирования. Интерес к таким материалам непрерывно возрастает в последнее десятилетие.

Данная работа выполнена в соответствии с заданиями 01.13.09. "Теоретические основы литья армированных изделий", общегосударственной научной проблемы 2.25.15. "Разработка теории литейных процессов, обеспечивающих создание и развитие высокоэффективных малоотходных и безотходных технологий с применением внеиних воздействий на жидкий кристаллизующийся металл", решаемый научным советом АН СССР по проблеме "Новые процессы получения и"обработки металлических материалов" и комплексной программа "Автомобиль 2000 года" Ыинавтопрома СССР.

Цель работы. Разработка общих принципов системного проектирования армированных волокнами фасонных литых заготовок; обоснование выбора критериев оптимизации композиционного материала; разработка инженерной методики проектирования силового каркаса фасонных деталей с апробированием на детали "шатун" Д8С; разработка в рамках сформулированных принципов системного подхода технологии изготовления литой детали "шатун" из алюминиевого сплава, армированного стальными волокнами и проведение исследований свойств полученного материала.

Научная новизна работы:

1. Разработаны об1цяе принципы системного проектирования армированных волокнами фасонных изделий.

2. Разработан метод имитационного моделирования физико-химических процессов, проходя^х при формообразовании композитной

. отливки.

3. Разработан метод моделирования свойств композитной вставки.

4. Ралработай интегральный критерий оптимизации качества детали "шатун".

5. Разработана математическая модель, имитирующая тепловые условия при литье и термической обработке детали с композитной вставкой, позволяющая прогнозировать изменение свойств композиционного материала вставки при изготовлении изделия различными жидкофаэными способами.

6. Экспериментально установлено, что наиболее слабой и чувствительной к знакопеременным нагрузкам является связь по границе раздела вставка-фррмообразутаций материал, которая может бнть

усилена выбором способа литья, состава формообразующего сплава и подбором соответствующего рожима термообработки.

Практическая полезность. На основе системного подхода и новой технологии изготовлег:, I существенно снижена масса детали "шатун" одной из наиболее ответственных деталей ДВС.

Реализация работы в промшленности. Результаты работы били использованы при отработке опытной технологии изготовления патуна из алюминиевого сплава, аршрованного стальными волокнами для автомобиля ВДЗ-2108.

Экономический э^ект составит снижение потребления горючего на 5 + 10^, повцпение ыоврюсти двигателя на 5 + 10$, снижение массы двигателя на 10 т 12&.

Апробация работы. Основные положения диссертации били доложены и обсуждены на заседании кафедры "Комплексная механизация и автоматизация литейного производства", ВЗМ11, Москва, 1987г.; на аукционе идей "Новые технологические процессы литейного производства и оборудование для них", завод "Центролит", Кашира, июнь, 1967г.; на объединенном семинаре кафедр "Материаловедение", "Компо- . опционные материалы", "Специальные материалы" Московского института приборостроения, Москва, июнь, 1990г.; на У Всесоюзном сешшаре но механике и технологии композитов, Черюголовка, ыай, 1990г.; на I Московской иевдународной конференции по композитам, йосква, ноябрь, 1990г. .

Публикации. Основное содержите работы отражено в 5 печатных работах и техническом отчете по эаверленной НИР.

Объем работы. Диссертация изложена на 189 страницах машинописного текста, включающего введение, 3 главы, выводы по работе, 3 приложения; содерешт 104 рисунка, 25 таблиц, список литературы из 64 наименований.

Содержание работы.

Ьо вроденпи обоснована актуальность работы и цель исследований.

Б иервии главе (литературный обзор) рассмотрено современное состояние вопроса на примерах ¡разработки £асошшх армированных до-тина "шатун".

На основа анализа конструкции типовой детали, технологий ее изготовления и используемых материалов рассмотрит пути создания {¡йглчших дигален из к о;л шз ¡щи онш*: материалов. Установлено, что раа-¡•--^о'гкн гедутея с на^аишти исип/азоя&шш как изотропных и онизо-тр-мнш уа-гер^лс^ е пакрооднороднои изделии, так и

г лпчргъчепи: гоадапш »иСчиууас Кмиг^-'кгий, е которых силовая честь ;-:гл, и с с. ?.м.!:1:: , и гг::,; .зн^пинтк

элементов, объединенных в деталь формообразующей матрицей или связанных механически. Наиболее перспективным из этих направлений является создание локально армированных конструкций деталей с использованием анизотропных композиционных материалов.

Анализ патентных источников показывает, что при разработка патуна из композиционных материалов основное внимание уделяется технологии изготовления, причем чаще всего предпринимаются попытки получения композиционного материала с одновременным формообразованием. Нередко при гаком подходе проблема оптимального проектирования арматуры нэ возникает, а задача оптимизации геометрической формы детали вообще отодвигается на второй план. Подобное "технологическое" решение приводит к завышению коэффициента запаса прочности и, как результат, к увеличению массы детали. Следует отметить попытки частичной оптимизации геометрической формы детали и её армирующего каркаса, но стремление объединить формообразование детали и получение композиционного материала приводит к использование достаточно сложной арматуры, требущей значительных усилий, как на изготовление, так и на пропитку её расплавом.

При отработке технологии изготовления композитной детали много внимания уделяется не только изготовлению, но и простановке арматуры в форму. Учитывая, что арматура, выполненная намоткой, практически не обладает жесткостью, автоматизация процесса установки арматуры в форму не практикуется. Для придания арматуре жесткости . используют различного рода оплетки, клеевые связки, стержневые вставки из перфорированных трубок и т.д., «то, в своп очередь, увеличивает массу детали и время контакта волокон с расплавом при пропитке арматуры; при этом происходит значительное разупрочнение волокон и резкое снижение точности прогнозирования свойств, увеличение массы отливки и её стоимости.

На основании изложенного сформулированы следующие задачи исследования:

разработать общие принципы системного проектирования армированных волокнами фасонных литых заготовок;

разработать методику выбора критерия оптимизации; разработать инженерную методику проектирования силового каркаса. фасонной детали (на примере детали "шатун");

в рамках сформулированных принципов системного подхода разработать технологию изготовления литой детали шатун из алюминиевого сплава,. армированного стальными волокнами, и провести исследование свойств-полученного материала.

Во второй главе разработана оба^ие принципы и дана методика системного проектирования армированных волокнами фасонных литых заготовок ка примере детали шатун.

Необходимость одновременного проектирования геометрии детали и её материала приводит к объединению процессов проектирования детали и выбора технологического процесса её изготовления путем войска оптимальной структуры композиционного материала. Ь результате используемое наш системное проектирование фасонных металлических деталей, армированных волокнами, представляет собой неформальное объединение трех подсистем: проектирование и анализ конструкции, проектирование и анализ материала изделия, проектирование и анализ технологии изготовления.

Исключение любой из названных составляющих разрушает схему проектирования. Одновременно, каяд&я из них является самостоятельной подсистемой, так как связана с формированием частных непересекающихся задач проектирования.

Частные задачи проектирований целесообразно рассматривать по блокам. Первый блок, наиболее близкий к традиционной конструкторской проработке детали, заключается в анализе тенденций к сохранению или видоизменению базовой детали, в анализе на основе современных возможностей математического моделирования поля напряжений детали. В этом блоке реализуется начальный этап проектирования, в котором в каждой части детали закладываются те свойства, которые там необходимы. Решение задачи обеспечивается использованием композиционных материалов, представляющих возможность широкого регулирования их физико-механических свойств за счет выбора объемного содераашя кошонентов и схемы армирования; решение поставленной задача, как правило, приводит к некоторому множеству возможных расподохенкй волокон и их объемных долей. Начальный этап проектирования заканчивается выработкой критериев проектирования.

Блок проектирования и анализа материала изделия на первой стадии проектирования состоит из двух самостоятельных подблоков. Цервый подблок в качестве частных задач включает в себя анализ ранее используемого материала базовой конструкции с позиций сфор-мулпроьаннщ нора качества, анализ с этих ае позиций промышленных сплавов и материалов, потенциально более пригодных для использования а кичестье компонентов проектируемой детали, прогнозирование сьоКмь иатермьла однонаправленного слой для различных возионных с.и4стыый кшпоненгон и соотношений их объемных долей. Прогнозиро-¿»ллс оил1с-1Б шгсрким и атом подблоке ведется по паспортным

характеристикам свойств компонентов. Второй подблок в качестве частных задач включает в себя прогнозирование свойств материала армирующих вставок по реальной конфигурации, реализуемой объемной доле, степени неоднородности структуры, реальной прочности волокон, подвергаемых деформации и физико-химическому воздействию матричного сплава.

Следующий блок частных задач проектирования детали относится к проектированию технологии изготовления детали с неоднородной структурой материала. В этом блоке выбор базового технологического процесса формообразования должен опираться, во-первых, на возможность придания волокнам требуемой пространственной ориентации и, во-вторых, на возможность прогнозирования свойств материала в изделии. Надежность прогнозирования во. многом будет определяться возможностью имитационного моделирования тех условий формообразования детали, которые могут повлиять на изменение паспортных характеристик волокон или вызвать отклонение в пространственной ориентации волокон внутри детали от намеченной расчетной ориентации. Формулировка частных задач данного блока подтверждает неформальный характер связи между проектированием детали и технологией её изготовления. На основе выбора режимов изготовления композитной вставки и детали должно быть сформировано логически допустимое множество вариантов композиционных вставок. Свойства материала вставок прогнозируются в блоке проектирования и анализа материала детали.

Вторая стадия проектирования начинается с анализа пересечения двух сформулированных множеств: расчетного множества геометрических параметров композитного тела детали и условий нагружения и технологически реализуемого множества композитных вставок, свойства которых известны с точностью, обеспечиваияцей надежность прогноза. Если прогнозируемые свойства реализуемого множества близки к свойствам расчетного множества, а требуемое количество волокон укладывается в размеры сечения, отведенного композитному телу, изготавливается образец композитного тела и армируемая деталь. В том случае, если результаты испытаний образца и детали соответствуют разработанному прогнозу, проектирование заканчивается. В противном случае осуществляется итерационный процесс нахождения наилучшего решения методом многократного повторения второй стадии проектирования.

В рамках системного проектирования композитных фасонных деталей проведен выбор критерия оптимизации, выбор матричного сплава и армирующих волокон,: оптимизация геометрической формы детали.

При использовании дорогостоящих армирующих материалов задача оптимизации сводилась к согласовании необходимой прочности детали при растяжении, плотности и стоимости её материала ( у> , ). ¡¿ногоцелевая функция оптимизации получена по известным методикам ( Лрагер В., Брызгашш Г.И. )• Для конкретной конструкции она имеет вид:

г

V-<?' 7/-/У '(Q-Q°)

ч

°)Z

+

(Р'У'

(Q'r

(<o'-S°)z ' (/>'-f°)z ' (Q'-Q°)z где индексами "I"; "О" и "К" обозначены, соответственно, параметры волокон, матрицы и композиционного материала.

Нормирование параметров оптимизации и их зависимость от объемной доли армирующих волокон Vj , веаивыз коэффициенты каждого параметра определены на основа экспертных оценок. В результате проведенных расчетов были подучены следующие результаты: бв - 760 Ulla; f - 3,d г/ым3; Q - 12 руб/кг.

При реализации оптимизированных процедур проведены расчеты напрягаино-деформированного состояния базовой детали шатун. С учетом судестнуюцего опыта эксплуатации ДйС и по согласованию с заказчиком композитной детали оптимальный коэффициент запаса усталостной прочности детали 7г принят равным 1,5; его фактические значений, полученные расчетом для пяти наиболее нагруаенных зон базовой детали (верхняя головка и прилегащий участок стержневой, цкстй) показаны на рис. I. йадно, что в деталь, выполненной из стали 40, даае в наиболее нагруженных зонах, коэффициент запаса усталостной прочности значительно ьышв требуемого уровня. Ь тоаа время, моделирование путем оаиаш стели 40 на промышленный алюминиевый сплел AJ123 приводит к а-шзеииа расчетной ьеличиш коа4ф.1циента а (соответственно по c-üiiyjj) до 2,4; 0,0; !'Д; 0,-19; G,3t>, что совер-ti=iirjO ьццсмустлы). ¿у.я усе— ¿ДЧеНАК Ц иД>ЫЬ] siiulLrtorO

/

- /-[

V.

.•ни;.!;

выравнивания коэффициента запаса усталостной прочности по зонам детали были изучены условия работы шатуна и проведена оптимизация геометрической формы детали; расчеты показали, что коэффициент П в оптимизированной по геометрии конструкции из алюминиевого сплава составит 2,6; 1,1; 2,4; 1,4; 1,4, соответственно. Следовательно, дальнейшая оптимизация становится возможной только за счет увеличения допустимых напряжений во П, I/ и У зонах, что и определяет требования к композиционному материалу в этих зона* (расчеты показали, что в этих зонах материал должен обладать сло-дущими свойствами: 6Ъ » 382 Ша; 294 Ша; 261,8 МПа и 6}- 114,5М]л; 88,2 МПа; 84,5 Ша, соответственно)'. Такие свойства могут быть обеспечены использованием волокон из стали ШС-9 (П зона - 458 шт; 1У зона - 366 шт; У зона - 434 шг) со средней исходной прочностью б^ * 3050 МПа. На основе выполненных расчетов создан проект детали шатун из алюминиевого сплава, армированного стальными волокнами, массой 0,365 кг, изготавливаемого литьем в^замен изготавливаемой в настоящее время горячей штамповкой стальной детали массой 0,63 кг

В третьей главе представлена разработка технологии изготовления армированной отливки, включающая два этапа изготовления полуфабриката жидкофазнкми методами, этап изготовления арматуры и. формообразование отливки. В качестве базовой технологии формообразования отливки выбран метод литья в металлические формы, дополняемый, при необходимости, последующей термосбработкой детали. Для проведения расчета (прогнозирования) физико-механических свойств композиционного материала на ЭВМ выполнено моделирование теплообмена между композитной вставкой, отливкой и формой. Выбор определяющих соотношений базируется на разработках 1АГТУ им.Баумана. Г1о полученным расчетным данным проанализировано изменение температурного поля в различных частях системы и составлена зависимость расчетных максимального прогрева (I) и времени нахождения при этих температурах (2) сталь-алюминиевой вставки при различной толщине слоя расплава (В ) в зазоре между вставкой и формой (рис.3). Экспериментально установ-

ке.2) .

Рис.2. Схема армированного шатуна

¡¿а чо

144

7 во НО

Рис.3. Расчетный максимальный прогрев и время нахождения при зтих температурах сталь-алюминиевой вставки при различной толщине слоя ¿,

лено, что прочная связь при толщине слоя расплава С от £ до 4 им образоваться не модет; для обеспечения такой связи в тонких сечениях детали необходима последующая термообработка. Учитывая, что при температурах 773 К и выше в стальных волокнах активно происходят разупрочшэдцие объемные фазовые превращения и образование продуктов химического взаимодействия волокон и матрицы, по методике НАШ проведена оценка магнитных свойств стальных и композитных прсьолок после отаига при температуре 673 К; 793 К; 873 К. Изучена кинетика атих объемных фазовых превращений. Полученные результаты представлены на рис.4.

ЧГЗЗ, и

Рис.4. Ьлияние отдигов на магнитные свойства стальной (ШС-9) и композитной проволок

Ио результатам иодалнроамив была изучен;! кинетика изменена^ :см»йратуры и кошознгнвЖ всздвю». Эти данные исподьзоваш лая I«счета сшхчшя прочности композиционного материала в зависимости с г гаг^ии саоа ^¡аеадаий, по ¿-доработанной о ¿311»! прогргшз (прц

■ юо7.

условии, что толщина интерметаллида оптимальна и составляет 2 -- 3 шш). Зависимость, полученная по приведенным расчетам,представлена на рис.5. Определяющие соотношения и программа расчета

представлены а диссертации. На стадии отработки этапов технологического процесса экспериментально определены колебания относительной исходной прочности композиционного полуфабриката в зависимости от выполняемой стадии (рис.б). Устанои-лено, что на первой стадии целесообразно использовать технологические режимы, позволяющие получать 7-волоконную проволоку только с механической связью, что выражается в значительном "недоборе" прочности риала от толщины слоя I, полуфабриката, однако, это позволяет к заключительной 1У стадии получать арыирущую вставку из композиционного материала с оптимальными физико-механическими свойствами за счет подрастания интермзталлидного слоя до заданной толщины на П или Ш стадиях.

Рис.5. Зависимость снижения исходной прочности композиционного ыате-

'04

м »*

в?' т*

Т(

79 1

Рис.6. Зависимость снижения относительной исходной прочности композиционного полуфабриката в зависимости от стадии технологического процесса

ТГ

Л

Для выбора технологических режимов многоэтапной технологии биди изготовлены, с учетом проведенных расчетов, образцы материалов для всех стадий процесса и-проведены исследования их свойств, На стадии получения '^-волоконного композиционного полуфабриката попользованы следующие резиш (Тр= 943-940 К; время контакта волокна с расплавом Т' — 0,1 о), при реализации которых ожидалась О/, потеря прочности композиционного материала относительно уровня определяемого правилом "смеси". В исследованиях образцов, полученных

по этим технологическим режимам экспериментально определенный предел прочности составил = 1290 Ша, то есть у композиционных проволок он понизился до 605& относительно расчетного ( = 2156 МНа); кроме того, коэффициент вариации полуфабриката увеличился более чем в два раза ("О* 3$; „„„„ 8&). Как показало металлографическое исследование, применение таких технологических режимов позволяет получить композитную сгалеалюминиевую проволоку практически без продуктов химического взаимодействия между волокнами и матрицей.

На второй стадии при получении, из 7-волоконных композиционных проволок, 49-волоконного пропитанного матрицей жгута общий диаметром около 1,5 ш использованы следующие технологические режимы: Тр= 848-873 К; время контакта 7-волоконной проволоки с расплавом Т =• 0,За с; эти условия должны обеспечивать прочность полуфабриката не ниже 9Ь% от расчетной прочности за счет увеличения прочности связи между волокнами и матрицей. Исследование полученных образцов показало, что достигнутый предел прочности соответствует ожидаемому ( « 1299 МПа;^ расч" 1316 Ша); кроме того, коэффициент вариации уменьшился и приблизился к коэффициенту вариации исходных стальных волокон ( =¡4%). Таким образом, последовательная реализация указанных технологических режимов позволяет получить полуфабрикат с характеристиками, близкими к расчетным по правилу "смеси".

На заключительной стадии - стадии формообразования детали -образцы изготавливались литьем в кокиль, методом Ж1Д и жидкой штамповкой. При заливке образцов были выбраны технологические режимы, используемые при моделировании тепловых полей: температура расплава Тр«= 973 К, температура формы Тф=> 493 К. Испытания образцов, изготовленных литьем в кокиль и методом ДПД, показали существенное снижение по отношению к расчетным характеристикам и, поэтому, неудовлетворительные результаты. В испытаниях образцов, изготовленных методом жидкой штамповки, получены значения временного сопротивления, практически совпадающие с расчетной прочностью (в" « 382 Ша; б^ч* 408 Ша), однако, и в этом случае химическую связь между матрицами вставки и образца нельзя считать реализованной в полной мере. Заключение о силе связи по границе вставки и формообразующего металла сделано на основании косвенных признаков, связанных с характером распространения трещин при разрушении армированных образцов в - механических испытаниях.'

Учитывая, что деталь работает в условиях циклического натру-

:хвнип и к числу определяющих характеристик относится и усталостная прочность 61., , были проведены усталостные испытания на резонансной машине. Результаты испытаний приведены на рис.7. Следует

отметить, что на кадсдом уровне напряжений резонансная малина автоматически отключалась посла возникновения мощного импульса, выпиваемого некоторым внутренним разрушением образца (ни один из образцов не удалось довести до разрушения). Природа и механизм этого разрушения выявляется при металлографических исследованиях испытанных образцов - это образование трещин, связанных с разрушением по границе раздела, и прежде всего, по границам композитной вставки и формообразующего материала. Потенциальные резервы повы-цения уровня усталостной прочности имеются и они связаны с повышением прочности связи по матричным границам. Одним из cnocoOou усиления этой связи моает быть термическая обработка детали.

Для изучения возможности повышения надежности слабейших элементов композита в детали была проведена термообработка серии композитных образцов по следующей схема: нагрев до температуры 713 Я л ьыдерзка в течение 6 часов, далее нагрев до температуры V9b И и выдержка последовательно 5, 10, lb, 20, 35 часов, далее закалка т воздухе.

Металлографические исследования показали, что у исходного оо-разца четко выявляется граница между матрицами AJ123, А)12 и ЛД1, после II «асов нагрева граница кеяду М23 и AJ12 полностью исчезли и пояьнлись в «лечения /? азы /¿gUijg за счет диффузионного ц«- -дохода из JUI23 с ЛЛ2. После 16 часов видерики )1 -фзда ¡й^'А.у^ чястично появляется и в патриц» ДШ, а после 31 часа фаза а£ присутствует во всех три:t матрицах, no eqe миднн сл«ди начальных границ (¡слду натрацама; гюод 41 ч.чса цыдер-зкл границы (>к1!Ду кат{ и пош псч'зямэг. ч roso ¿цд-из, при такой терчообрабиткч н-^ииа^-тгл

активный рост интерметаллида (рис.8), толщина которого увеличивается почти в 8 раз, что несомненно приведет к снижению физико-механических характеристик композиционного материала. Для определения возможности регулирования роста интерметаллида различными

Рис.8. Рост интерметаллида во время термообработки

матрицами термообработке подвергались 49-волоконные полуфабрикаты. с матрицей ВАЛ12. Как показали исследования за 31 час нагрева толщина интерметаллида увеличилась почти в 15 раз и стала соизмерима с диаметром волокна. Б связи с этим можно считать, что существует возможность управления ростом интерметаллида за счет использования легирующих добавок. Для определения влияния нагрева на разупрочнение стальных проволок после термообработки, изготавливались образцы для испытаний на растяжение. Как показали испытания (рис.9), прочность образцов снизилась незначительно, что объясняется большей, чем проектировалось, потерей прочности стальных проволок (во время изготовления образцов потеряно около 2й?6 исходной прочности стали); одновременно увеличился коэффициент вариации, что можно объяснить очаговым уменьшением диаметра волокон за счет неравномерного роста интерметаллида по длине волокна. Таким образом,

Рис.9. Изменение разрушающего усилия на стальное волокно после термообработки

во * и л а>

термическая обработка детали, в принципе, может быть использована как технологический прием с целью усиления связи по границе раздела

патшишчесшх ш.тр1щ.

С использованием разработанной технологии были изготовлены образцы армированных шатунов. По результаган их испытаний проведена корректировка геометрической форцц ариатуры, изготовлена и передана на испытания оштная партия литых армированных шатунов.

Основные выводы:

1. На основе системного подхода разработана методика проектирования композиционного материала фасонных деталей, имеющих металлическую основу и получаемых преимущественно кидкофазными методами. Эта методика била использована для оптимизации геометрической формы и выбора компонентов материала фасонной детали "шатун" двигателя автомобиля БАЗ.

2. Показано, что при выборе нетрадиционного материала для слокных толстостенных машиностроительных деталей целесообразно использовать локальное армирование с целью выравнивания в различных сечениях детали коэффициента запаса по выбранному критерию прочности. Эффективность локального армирования определялась методом многокритериальной оптимизации.

3. Разработанная методика позволила создать проект детали "шатун", изготавливаемого литьем алюшниевого сплава армированного стальными волокнами, нассой 0,365 кг взеддэн изготавливаемого в настоящее время горячей штамповкой стальной детали иассой 0,63 кг.

4. Разработана опытная технология изготовления армироианного шатуна литьем в металлические фарш с использованием в качестьа армирующих волокон проволоки из стали ыарки ШС-9 диаметром 0,15 мм, дающая возможность сохранить исходную прочность армирующих волокон на уровне 95$.

5. Разработана математическая модель, имитирующая тепловые условия при литье и термической обработке детали с композитной дставкой и позволяющая прогнозировать изменение свойств композиционного материала вставки при изготовлении изделия различными яидкофазныш способами.

Имитационное моделирование тепловых условий литья армированного шатуна в металлическую форму позволило определить зоны, опасные с точки зрения образования интерметаллидного слоя на границе раздела и разупрочняющих объемных превращений в волокнах.

Для проектируемой детали расчлтыш тепловые режимы 4-х стадийного процесса с сохранением исходной прочности армирующих волокон на уровне 95$.

6. Установлено, что при локальном армировании фасонной детали композитной вставкой, наиболее слабой и чувствительной к зна-компеременныы нагрузкам является связь по границе вставка-формообразующий металл. Эта связь может быть усилена выбором способа литья, состава формообразующего сплава и подбором соответствующего • режима термообработки.

7. Показано, что из всех возможных способов массового производства детали "шатун" литьем наиболее перспективным с точки эре-ния оптимизации связи по внутренним границам композиционного материала является способ гидкой атемповки.

8. Показано, что разработанный проект армированной дэтали "шатун" может быть реализован методом жидкой штамповки.

П,м. . .«. ОЬ Э/ <Муя/,Р Хщ. /¿¿> $!/>Г

Отпечатало « рммгвт« » 1ММТ»»Ш «Р» МИН «ЗОН МММ, уж. Елшу«м<. «