автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления тормозных дисков автомобилей в условиях малых предприятий

Введение

Научная новизна

Достоверность

Практическая ценность

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 9 ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ТОРМОЗНЫХ ДИСКОВ.

1.1.1 Конструкция и технические условия на тормозные диски.

1.1.2. Современные способы литья тормозных дисков.

1.1.2. Анализ возможности литья в кокиль тормозных дисков.

1.1.4. Возможные варианты конструкции кокиля для литья тормозных дисков.

1.1.5. Анализ возможности получения заданной структуры и механических свойств тормозного диска.

1.1.6. Влияние стойкости кокиля на технико-экономические показатели литья чугуна в кокиль.

1.1.7. Организационно-производственные вопросы литья в кокиль тормозных дисков.

1.2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ ДЛЯ

ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ДИСКОВ.

1.2.1. Особенности конструкции стержня для литья в кокиль вентилируемых тормозных дисков.

1.2.2. Анализ возможности применения центробежного метода для изготовления песчаного стержня вентилируемого диска.

1.2.3. Технологическое обоснование требования минимальной допустимой плотности ХТС для стержня тормозного диска.

1.2.4. Предполагаемые способы повышения плотности при центробежном уплотнении. 32 1.1 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ В КОКИЛЬ ТОРМОЗНЫХ ДИСКОВ.

2.1 Экспериментальное исследование сечения утеплителя, обеспечивающего устранение торцевого отбела на тормозных дисках.

2.2 Конструкция кокиля для литья тормозных дисков.

2.3 Разработка системы автоматического проектирования кокилей для отливки вентилируемых тормозных дисков.

2.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

3.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 42 ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ ДЛЯ ТОРМОЗНЫХ ДИСКОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ МЕТОДОМ

3.1. Предварительные эксперименты.

3.1.1. Методика проведения экспериментов.

3.1.2 Исследование влияния фильтрации воздуха при 54 центробежном уплотнении.

3.1.3. Экспериментальное исследование процесса динамического 62 центробежного уплотнения.

3.1.4. Исследование процесса доуплотнения внутреннего слоя смеси при центробежном способе изготовления стержней.

3.2. Разработка физической модели процесса центробежного уплотнения ХТС с доуплотнением лопаткой.

3.2.1. Напряжённо-деформированное состояние концентричных слоев смеси при уплотнении.

3.2.2. Уравнение равновесия элемента кольцевого слоя смеси во вращающемся стержневом ящике.

3.2.3. Влияние кривизна слоев на распределение плотности ХТС при чисто центробежном уплотнении и допрессовке лопаткой.

3.2.4. Физическая модель процесса уплотнения ХТС в поле центробежных сил с доуплотнением лопаткой.

3.3. Математическая модель процесса центробежного уплотнения ХТС с допрессовкой лопаткой.

3.4 Компьютерное моделирование процесса центробежного уплотнения ХТС с доуплотнением лопаткой.

3.5. Экспериментальная проверка результатов компьютерного моделирования.

3.6. Разработка методики определения частоты вращения стержневого ящика по заданной плотности ХТС и размерам стержня.

3.7. Разработка конструкции стержневого ящика.

3.8. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

4. Разработка рекомендаций по организации производства автомобильных тормозных дисков в условиях малых предприятий.

В период перехода к рыночной экономике в Российской Федерации заметную роль стали играть малые предприятия, в том числе, и в производстве запасных частей к автомобилям. В подавляющем большинстве случаев малые предприятия располагают минимальной производственной базой и стартовым капиталом. В связи с этим, малые производственные предприятия были особенно заинтересованы в технологических процессах, не требующих сложного, дорогого, энергоемкого оборудования.

Литые заготовки для тормозных дисков, поршней двигателя, тормозны" цилиндров, корпусов маятникового рычага и др. изготовляют с использованием простейших формовочных машин, плавильных печей малой емкости, ручных кокильных станков. До настоящего времени малые производственные предприятия остаются конкурентоспособными по отношению к крупным заводам на рынке автомобильных запасных частей. Разработанная в начале 90-х годов в МАМИ технология литья в кокиль тормозных барабанов для легковых автомобилей с использованием простейших кокильных станков до настоящего времени используется на ряде малых предприятий.

Одной из наиболее востребованных деталей на рынке запчастей являютг. тормозные диски. Это объясняется тем, что дисковые тормоза используются на всех современных легковых, малотоннажных грузовых автомобилях и микроавтобусах. При этом на многих автомобилях дисковыми являются не только передние, но и задние тормоза. С учётом средней ходимости диска (« 70тыс. км) за время эксплуатации автомобиля требуется 2-3 комплекта дисков в запчастях.

На автозаводах и центролитах формы для литых заготовок тормозных дисков изготовляют на автоматических формовочных линиях, а стержни для вентилируемых дисков - с использованием современных стержневых машин главным образом по нагреваемой оснастке. Применение такого оборудован:^ требует значительных основных и оборотных фондов, которыми малые предприятия не располагают.

Поэтому, разработка технологии литья таких тормозных дисков в кокиль, с применением простейших кокильных станков представляет большой экономический интерес для малых предприятий и является актуальной научно-технической проблемой.

Анализ состояния вопроса показал принципиальную возможность получения тормозных дисков, в том числе вентилируемых, с применением немеханизированных кокильных станков и изготовлением стержней центробежным методом.

Однако для разработки технологии наряду с инженерными задачами необходимо было решить и научные задачи.

Основными задачами являются:

-разработка надёжного метода получения заданной структуры и механических свойств дисков;

-разработка надёжного метода контроля процесса кристаллизации отливки в кокиле, обеспечивающего возможность извлечения металлического стержня при минимальных усилиях;

-разработка простого и эффективного способа доуплотнения смеси на свободной поверхности стержня при центробежном уплотнении;

- уточнение механизма центробежного уплотнения стержневых смесей с применением доуплотнения;

- усовершенствование методики исследования распределения плотности ХТС по радиусу стержневого ящика;

- разработка методики определения оптимальной частоты вращения стержневого ящика в зависимости от размеров стержня;

-разработка САПР стержневых ящиков для изготовления стержней тормозных дисков центробежным методом;

-разработка САПР кокилей для литья тормозных дисков;

- внедрение в производство результатов исследования. НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1.Уточнён механизм центробежного уплотнения стержневых смесей при малых диаметрах внутренней поверхности стержня и больших угловых скоростях. Показано, что состояние предельного равновесия упругодеформированной смеси характеризуется не только возможностью, но и необходимостью бокового расширения, что приводит к возникновению растягивающих окружных напряжений.

2. Установлен механизм влияния допрессовки лопаткой на распределение плотности в концентричных слоях смеси. Показано, что давление лопатки на свободную поверхность стержня передаётся на внутренние слои с затуханием, причинами которого являются растягивающие окружные напряжения и увеличение площади концентричных слоёв.

3. Установлено, что при чисто центробежном уплотнении смеси концентричность слоёв не оказывает практически значимого влияния на распределение плотное^, по радиусу стержня.

4. Экспериментально установлены размеры утеплителей в полости кокиля, обеспечивающие отсутствие отбела на торцах дисков при перлитной структуре основной части.

ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений и выводов подтверждается большим объемом лабораторных и производственных экспериментов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Разработана и внедрена в производство технология изготовления тормозных дисков в кокиль

Разработана и внедрена в производство конструкция кокиля с открытой поверхностью, обеспечивающая возможность визуального контроля процесса затвердевания и извлечения металлического стержня при минимальных усилиях.

Разработана и внедрена в производство конструкция стержневого ящика дг . изготовления тонкостенных стержней. (Свидетельство на полезную модель №17 ш

294 от 22 марта 2001г.).

Разработана и внедрена в производство технология изготовления стержней для вентилируемых дисков центробежным способом (Свидетельство на полезную модель № 22083 от 10 марта 2002 г.).

Разработаны и изготовлены станки для изготовления стержней для тормозных дисков центробежным способом.

Разработан САПР кокилей для литья тормозных дисков.

Разработан САПР стержневых ящиков для изготовления стержней тормозных дисков центробежным методом.

Проведена сертификация изготовленных деталей.

Публикации:

1. Свидетельство на полезную модель №17 294 от 22 марта 2001г.

2. Свидетельство на полезную модель № 22083 от 10 марта 2002 г.

3. Патент по заявке № 2000125704/02(027545) положительное решение от 27 февраля 2002 г.

4. Миронов A.C., Маляров А.И. Разработка конструкции кокиля для литых тормозных дисков автомобилей. Журнал «Машиностроитель» № 2 2002 г.

Апробация: Основные положения диссертации обсуждены:

1. Маляров А.И., Миронов A.C. Организационно-экономические вопросы литья в кокиль автомобильных тормозных дисков. Доклад на Международном научно-техническом симпозиуме посвященном 135-летию МГТУ «МАМИ».

2. Маляров А.И., Миронов A.C. Организационно-экономические вопросы литья в кокиль автомобильных тормозных дисков. Сборник научных трудов международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного производства» г. Барнаул, 2000 год.

3.8. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3. 1. В результате теоретического исследования процесса центробежного уплотнения ХТС с допрессовкой лопаткой внутреннего слоя показано, что важнейшей его особенностью является необходимость бокового расширения слоёв смеси в окружном направлении.

2. Установлена зависимость плотности кольцевых слоёв ХТС от величины радиальных сжимающих напряжений.

3. Разработана физическая модель процесса, сущность которой состоит в том, что нарастающие под действием центробежных сил сжимающие напряжения суммируются с затухающими напряжениями от давления лопатки. Силы трения о торцевые стенки ящика уменьшают величину суммарных напряжений. Эти суммарные напряжения определяют картину распределения плотности в кольцевых слоях ХТС.

4. Разработанная физическая модель позволила объяснить характер экспериментальных кривых распределения плотности ХТС по радиусу пробницы.

5. Программа расчёта распределения плотности ХТС по радиусу стержня при центробежном способе уплотнения с допрессовкой лопаткой позволяет выбирать технологически обоснованную частоту вращения стержневого ящика в зависимости от размеров стержня.

6. Для стержней тормозных дисков отечественных автомобилей оптимальная частота вращения изменяется от 650 до 1300 ед./мин.

7. Конструкция машины для изготовления стержней центробежным методом должна обеспечивать возможность изменения частоты вращения в указанном выше диапазоне.

4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА АВТОМОБИЛЬНЫХ ТОРМОЗНЫХ ДИСКОВ В УСЛОВИЯХ МАЛЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ.

Структура производственного участка для литья автомобильных тормозных дисков определяется в первую очередь типом и производительностью плавильной печи. В условиях малых предприятий наиболее подходящей для литья в кокиль тормозных дисков является индукционная тигельная печь серии ИСТ с ёмкостью тигля 160 кг. Такие печи комплектуются машинными или тиристорными преобразователями частоты мощностью от 100 до 250 кВт и имеют производительность 150-250 кг в час.

В настоящее время в регионах России существуют многочисленные участки литейных цехов, где плавильные установки этого типа простаивают или работают с большой недогрузкой.

Рациональное использование плавильных установок рассматриваемого типа требует минимизации простоя печи при раздаче металла. Опыт эксплуатации кокилей для литья тормозных дисков показал, что оптимальная ёмкость заливочного ковша составляет 40 кг при заливке двумя рабочими. Металлоёмкость кокилей для тормозных дисков для российских автомобилей разных марок составляет от 7 до 25 кг. Рыночный спрос на диски разных марок меняется из месяца в месяц, но в ежемесячно востребованном ассортименте всегда имеются как тяжелые, так и легкие диски. Поэтому средняя металлоёмкость форм на участке составляет примерно 10 кг. Таким образом, для максимально быстрого слива металла из печи представляется целесообразным одновременное использование на участке кокилей различных типоразмеров с возможностью их установки на любом кокильном станке в зависимости от конъюнктуры рынка. Общее количество позиций на кокильных станках должьо составлять 15-18 единиц. Длительность простоя печи, связанного с заливкой составляет около 10 минут. Плавильный участок обслуживается тремя рабочими, один из которых плавильщик-заливщик, двое других подготавливают кокили к заливке. В процессе заливки один из кокильщиков помогает заливать металл, а второй обеспечивает своевременную выбивку отливок. Производительность участка 110-120 отливок в смену. Общий вид участка показан на фотографии (Рис. 3.38).

Изготовление стержней на центробежной стержневой машине и подсобные работы возлагаются на четвёртого рабочего литейного цеха.

Токарная обработка отливок производится на пяти станках ЧПУ одним оператором. Сверление отверстий контроль деталей проводит шестой работник.

V а

У//

1. Жуковский С. С., Лясс А. М. Формы и стержни из холоднотвердеющих смесей. М. Машиностроение, 1978 год.221 с.

2. А. С. СССР № 1424945, кл. В22с15/00, 1986 год. Способ изготовления стержней и устройства для его осуществления. И. В. Матвеенко, А. А. Родионов и Киян Э. Ф.

3. Аксенов П. Н. Некоторые вопросы теории машин литейного производства. М. МАШГИЗ, 1962 год. 232 с.

4. Орлов Г. М. Автоматизация и механизация процесса изготовления форм. М. Машиностроение, 1988 год. 264 с.

5. Комаров Л. Е. Об уплотнении литейных форм прессованием, вибропрессованием и вибрацией, «Литейное производство» № 11, 1957 год.

6. Дудник И. Р. Метод прессования форм под высоким давлением, «Литейное производство» № 6 , 1958 год.

7. Родионов А. А. Разработка технологического процесса изготовления крупногабаритных стержней повышенной сложности центробежным способом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1991 год, 166с.

8. Маляров А.И., Девяткин О.В., Ершов М.Ю. Новые технологии ^ производство. ХХУ1 Научно-техническая конференция ААИ АВТОТРАКТОРНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И ВЫСШАЯ ШКОЛА. Тезисы докладов. Секция «Литейное производство».29-30 сентября 1999г. Россия, Москва.

9. И.Жуковский С.С. Прочность литейной формы. М. «Машиностроение», 1989год.285с.

10. Формовочные материалы и технология литейной формы. Справочник под общей редакцией д-ра техн. наук С.С. Жуковского. М. « Машиностроение», 1992год.429 с.

11. Бобряков Г.И. Современные методы изготовления литейных стержней. XXYI Научно-техническая конференция ААИ АВТОТРАКТОРНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И ВЫСШАЯ ШКОЛА. Тезисы докладов. Секция «Литейное производство».29-30 сентября 1999г. Россия, Москва.

12. Голубева Т.К., Калашникова А.Я., Куличков С.А., Туманский А.Л. Формовочные пески промышленных карьеров СССР. Справочник. М. МАШГИЗ,1960 год.243 с.

13. Механика грунтов. Часть 1. Основы геотехники. Под общей редакцией Долматова Б.И. Москва- Санкт- Петербург,2000 год. 201 с.

14. Гуляев Б.Б., Корнюшкин O.A., Кузин A.B. Формовочные процессы.

15. Юнович Ю.М., Жуковский С.С., Степашкин Ю.А. и др. Холоднотвердеющие смеси со связующими кислотно- основного типа. Литейное производство, 1979 год, №1,с.12-14.

16. Медведев Я.И., Валисовский И.В. Технологические испытания формовочных материалов. М., «Машиностроение», 1973. 309 с.

17. Цытович H.A. Механика грунтов. М. «Высшая школа». 1979 год. 272 с.

18. Ле Ван Минь. Исследование метода уплотнентя литейных форм прессованием штифтами. Диссертация. М. МАМИ. 1972 год.

19. Федосьев В.И. Сопротивление материалов. М. «Наука». 1979 год. 557 с.

20. Бюсинен P.A. Автомобильный справочник. Том 1.-М.: Машгиз, 1960.480с.

21. Дубинин Н. П., Беликов О. А. и др. Кокильное литье: справочное пособие. М. Машиностроение, 1967 год. 460 с.

22. Справочник по чугунному литью. Под редакцией Н. Г. Гиршовича. Л.: Машиностроение, 1978 год. 757 с.

23. Баландин Г. Ф. Теория формирования отливки. М. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 год. 359 с.

24. T-FLEX CAD ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЧЕРЧЕНИЯ. ВВОДНЫЙ КУРС. АО «Топ Системы». Москва, 1995.134с.

25. T-FLEX CAD ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЧЕРЧЕНИЯ. Описана команд. АО «Топ Системы». Москва, 1995.134с.

26. T-FLEX CAD ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЧЕРЧЕНИЯ. Руководство пользователя. АО «Топ Системы». Москва, 1995.134с.

27. Дибров И.А., Комиссаров В.А. Повышение качества чугунных отливок модифицированием. Литейное производство, №1,1982г.с.6,7.

28. Просяник Г.В., Бобряков Г.И., Соколова В.А. и др. Изготовление стержней по нагреваемой оснастке. М.: Машиностроение, 1970г.-216с.

29. Головин С.Я. Особые виды литья. Краткий справочник.-М.: Машнгиз, 1959г.-462с.

30. Вейник А.И. Литьё в кокиль.- М.: Машиностроение, 1980г.-415 с.

31. Горбачёв И.А., Жуков A.A. Устранение структур пониженной твёрдости в отбелённом слое чугунных отливок. , «Литейное производство» № 7, 1975 год, C.5.7.

32. Баландин Г.Ф., Канунников H.H. Структурная номограмма чугуна. «Литейное производство» № 8, 1978 год, с.6,7.

33. Маляров А.И., Ершов М.Ю., Сиводедов A.B. Новая технология литья чугунных тормозных дисков в кокиль. Сборник МНПК «РТМ»- М МАМИ 1996г.,с.21.24.

34. ГОСТ 3606-57. Модели литейные. СТЕРЖНЕВЫЕ ЗНАКИ. Основные размеры. Издательство стандартов, 1977год, 16.

35. Грачёв В.А., Симонова Г.П., Небольсин А.И. Механизация и автоматизация кокильного литья. НИИинформтяжмаш., 1976, №30, 58с.

36. Тимошенко С.П. Курс теории упругости. Киев, Изд-во «Наукова думка», 1972.501с.

37. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., Изд-во « Высшая школа», 1961, 537 с.

38. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. М., Изд-во « Высшая школа», 1970, 288 с.

39. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М., Изд-во «Машиностроение», 1968,400с.

40. Сегаль А.И. Прикладная теория упругости. Изд-во Судостроительной промышленности, Ленинград, 1957, 247с.

41. Демьянушко И.В., Биргер И.А., Расчёт на прочность вращающихся дисков. М., Изд-во « Машиностроение», 1978, 247с.

42. Квитка А.Л., Ворошко П.П., Бобрицкая С.Д. Напряжённо-деформированное состояние тел вращения. Киев, Изд-во «Наукова думка», 1977.209с.

43. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник т. 1. Под ред. Биргера И.А. и Пановко Я.Г., М., Изд-во «Машиностроение», 1968.

44. Матвеенко И.В., Комаров Л.Е., Шеклеин Н.С. Реологические уравнения состояния формовочных смесей при их уплотнении.- В сб. : Литейное производство в машиностроении, выпуск 2, МАМИ.-М.: 1982

45. Матвеенко И.В., Прокопенко A.A., Иванов Е.И. Исследование влияния внешнего трения на процесс уплотнения смеси форме. // Литейное производство, 1976, №1. С24-25.

46. Бураков С. Л., Вейник А.И., Дубинин Н.П. Литьё в кокиль. М., Машиностроение., 1980,415с.

47. Соколов В.И. и Шкоропад Д.Е. Автоматические и непрерывно-действующие центрифуги. М. Машгиз,1954. 343с.

48. Просяник Г.В. Изготовление оболочковых форм и стержней. М., «Высшая школа», 1978, 240 с.1. ПОССИЙСКАЗ! Шт^ШШжхж1. Ь-г' Вв в