автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка теории и технологии центробежно-планетарного литья кольцевых заготовок

Введение

1 .Факторы управления структурой кольцевых деталей - тел вращения при центробежном литье

Влияние условий кристаллизации на размер зерен отливок

1.2. Влияние центробежного литья на формирование структуры

1.2.1. Влияние динамического воздействия на кристаллизацию центробежных отливок при литье с горизонтальной осью вращения

1.2.2. Относительное движение жидкости при вращении формы вокруг горизонтальной оси с постоянной скоростью.

1.3. Центробежно-планетарный способ литья 27 1.3.1. Конструктивные особенности ЦП установок

1.4. Факторы, влияющие на структурообразование при литье баббита.

1.1.3. Влияние температуры на формирование структуры баббита

Б83 36 Цель и задачи работы.

2. Методика исследования процессов центробежно-планетарного (ЦП) литья.

2.1. Лабораторные литейные установки.

2.1.1. Установка ЦДЛ с клиноременной передачей.

2.2. Установка ЦДЛ с зубчатой планетарной передачей.

2.3. Предварительный анализ процесса движения жидкости в ЦП форме.

2.4. Методы изучения гидравлических и металлургических особенностей ЦП процесса литья.

Выводы.•.

3. Гидродинамический анализ процессов движения жидкости в планетарно вращающейся форме.

3.1. Анализ состояния жидкости при отсутствии захвата её формой.

3.2. Расчет свободной поверхности жидкости при захвате во вращение ЦП формой.

3.2.1 .Постановка задачи и вывод основных дифференциальных уравнений.,.

3.2.2. Преобразование дифференциальных уравнений и граничных условий.

3.2.3. Решение и анализ уравнений.

Выводы.•••

4. Анализ гидравлических особенностей центробежнопланетарного литья.

4.1. Анализ вовлечения жидкости во вращение в планетарной форме.7]

4.2. Анализ вариантов движения жидкости в ЦП форме.

4.3. Определение средней относительной скорости движения жидкости.

4.4. Связи между вариантами движения жидкости в планетарной форме.

4.5. Выбор режимов вращения ЦП формы.

Выводы.

5. Исследование отливок из сплава Б83, полученных центробежно-планетарным литьем.

5.1. Изучение процесса ЦПЛ при получении отливок из баббита Б83.

5.2. Мощность, потребляемая при ЦП литье.

5.3. Анализ параметров затвердевания отливки.

5.4. Анализ влияния режимов ЦПЛ на микроструктуру отливок из сплава Б83.

5.5. Влияние изменения скорости движения расплава в форме на структурообразование.

5.6. Механизм измельчения фазы SnSb в баббите Б83 при ЦПЛ

5.7. Диаграмма структур баббита Б в поле режимов работы ЦПЛ.

5.8. Рекомендации по практическому использованию результатов исследований.

5.8.1. Рекомендации по применению ЦПЛ при производстве баббитовых подшипников.П

5.8.2. Последовательность разработки технологии при ЦПЛ баббита Б83.П

5.8.3. Выбор электродвигателя для машины ЦПЛ.

5.9. Практическое использование результатов работы.

Выводы.

Актуальность работы. В настоящее время в литейном производстве России увеличивается объем производства отливок, к которым предъявляются повышенные служебные требования, при этом расширяется использование новых, экономически и технически эффективных способов литья.

В данной работе выполнена разработка теоретических и технологических основ нового способа литья - центробежно-планетарного (ЦП) применительно к производству кольцевых заготовок. Стационарная и центробежная заливка таких изделий имеет ограниченное применение, т.к. часто недопустимо возрастает размер зерна, развивается ликвация, что снижает эксплуатационные свойства отливок. Это в большой степени характерно для заливки баббитом подшипников скольжения, которые используются в силовых энергоустановках. При применении известных методов литья твердая фаза баббита формируется с указанными недостатками.

ЦП способ литья разработан в РГАТА СП. Серебряковым с сотрудниками [55,56] в 1988 г. с целью воздействия на структурообра-зование металла путем создания управляемой скорости движения расплава в литейной форме в ходе затвердевания отливки, однако промышленного использования не имеет во многом ввиду неизученности процесса, отсутствия оборудования и конкретных технологических рекомендаций. Разработка основ процесса ЦП литья даст литейщикам новые возможности по созданию технологий более высокого уровня. В этом состоит актуальность работы.

Цель работы состоит в разработке теоретических и технологических основ обработки расплава в центробежно-планетарной форме при управляемом воздействии на процесс формирования кристаллической структуры отливок на примере литья баббитовых подшипников. Для достижения поставленной цели решались задачи:

1. Разработать методику экспериментального исследования процессов движения жидкой фазы, формирования отливок и их микроструктуры при ЦПЛ, для этого спроектировать и изготовить установки для ЦПЛ.

2. С применением методов гидродинамики выявить характер основных режимов течения жидкости в ЦП вращающейся форме, а также разработать их гидродинамические модели и оценить адекватность моделей.

3. Выполнить экспериментальное определение скоростей и характера течения жидкости в поле скоростей и размеров ЦП вращающейся формы.

4. Выявить режимы течения жидкости, пригодные для изготовления кольцевых отливок и управления формированием структуры при ЦП литье.

5. Исследовать процесс структурообразования металла (баббита) в условиях центробежного и ЦПЛ.

6. Разработать и опробовать в производстве технологические рекомендации по ЦП литью баббитовых подшипников

Новые научные положения работы:

- созданы теоретические и технологические основы нового центро-бежно-планетарного способа литья кольцевых заготовок;

- выявлены закономерности поведения вязкой жидкости в основных режимах вращения ЦП формы;

- определены граничные условия захвата вязкой жидкости ЦП формой;

- разработаны гидродинамические модели состояния жидкости в цилиндрической вращающейся форме при условии захвата (или отсутствии захвата) жидкости формой;

- разработаны основы методики проектирования ЦП литейных установок;

- определены основные типы кристаллических структур отливок, формирующихся при центробежно-планетарном литье и определена область значений числа Ке [2Т0'Л.4Т0'Л], в которой гарантированно образуется мелкозернистая структура;

Основные положения, которые выносятся на защиту:

1) теоретические и технологические основы нового центробежно-планетарного способа литья кольцевых заготовок, создающего однородную мелкозернистую структуру отливок путем управления скоростью движения расплава в форме;

2) гидродинамические модели состояния жидкости в цилиндрической вращающейся форме при условии захвата (или отсутствии захвата) жидкости формой на основе которых разработана методика обеспечения условий движения жидкости, которые способны создавать модифицирующее воздействие на структуру отливок;

3) методику проектирования ЦП литейных установок, разработанную с применением полученных теоретических и экспериментальных результатов;

4) методику разработки технологии ЦП литья кольцевых заготовок, обеспечивающую получение отливок с заданной структурой;

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- корректным использованием теории гидродинамики и теплообмена;

- высокой воспроизводимостью результатов при экспериментальных исследованиях гидродинамических характеристик потока жидкости в ЦП форме и микроструктур полученных отливок;

- положительным результатом при практическом опробоййнии разработок в производстве.

Практическая значимость работы. На основе полученных научных результатов разработаны новые установки ЦП литья, предложены технологические режимы ЦП литья для формирования отливок из баббита Б83 с заданным типом кристаллической структуры. Выполнено производственное опробование разработанной технологии при получении реальных баббитовых подшипников скольжения на ОАО «НПО САТУРН». Разработанная установка ЦП литья используется в учебном процессе на кафедре «Материаловедение и литейное производство» РГАТА.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах в РГА-ТА, а также на российских и международных конференциях в Н. Новгороде, Владимире, Москве.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ: тезисы докладов, статьи в сборниках трудов и журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 128 стр., состоит из введения, 4 глав, списка литературы, включающего 67 наименований, приложения, содержит рисунки и таблицы.

Выводы

2. Экспериментально определено, что для формирования однородной мелкозернистой структуры баббита с размером фазы 8п8Ь не более 0,1 мм необходимо:

- течение расплава в форме с числом Ке [2-10'.4-10'], при величине Ке > 4-10' фаза Си8п формируется в виде агломератов мелких включений;

- обеспечить одновременность процессов захвата расплава ЦП вращающейся формой и остановку потока, более ранний захват (при меньшем количестве твердой фазы) ухудшает качество баббита: возрастает размер зерен фазы 8п8Ь, образуется ликвация фазы Си8п.

3. Экспериментально определены параметры работы ЦП машины = -1,3. - 1,5; Кг = 5. 12 и Kg = 5. 15 для обеспечения структуры баббита, с размером фазы 8п8Ь не более 0,1 мм; указанные параметры являются основными исходными данными в проектировании ЦП литейных машин, используемых при литье баббита.

4. Разработаны и экспериментально подтверждены методики расчета времени затвердевания отливки и мощности, потребной на движение расплава в ЦП форме, необходимые для использования в технологии ЦП литья баббита.

Разработаны рекомендации по применению технологии ЦП литья для заливки подшипников баббитом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом работы является разработка теоретических и технологических основ центробежно-планетарной обработки расплава в форме и ЦП литейных машин для управляемого воздействия на процесс формирования кристаллической структуры отливок. Наиболее существенными результатами работы является:

1. Разработка конструктивных схем, выбор передаточных планетарных механизмов для машин центробежно-планетарного литья, с применением которых разработаны методики, позволяющие изучить технологический процесс и в широком диапазоне центробежных сил, относительных радиусов, скоростей вращения и размеров отливок.

2. В результате анализа процесса движения жидкости в ЦП вращающейся форме выявлены 3 основных и 3 комплексных варианта течения потока, определены граничные условия управляемого перехода из одного варианта течения в другой, а также условия управления скоростью течения путем изменения относительных (а также абсолютных) скоростей и радиусов вращения формы и водила.

3. Разработаны и экспериментально подтверждены гидродинамические модели состояния жидкости в цилиндрической вращающейся форме при условии захвата (или отсутствии захвата) жидкости формой, с применением которых получены выражения для определения скорости движения жидкости в форме.

4. Экспериментально определено, что для формирования однородной мелкозернистой структуры баббита с размером фазы 8п8Ь не более 0,1 мм необходимо:

- течение расплава в форме с числом Ке [2-10'.4-10'], при величине Ке > 4-1 о' фаза Си8п формируется в виде агломератов мелких включений,

- обеспечить процесс захвата расплава ЦП вращающейся формой одновременно с остановкой потока, более ранний захват (при меньшем количестве твердой фазы) ухудшает качество баббита: возрастает размер зерен фазы 8п8Ь, образуется ликвация фазы Си8п.

126

5. Экспериментально определены параметры работы ЦП машины для обеспечения структуры баббита, описанной в п. 4; указанные параметры являются основными исходными данными в проектировании ЦП литейных машин, используемых при литье баббита.

6. Разработаны рекомендации по проектированию машин и технологии ЦП литья с управляемым воздействием на процесс формирования баббитовых кольцевых заготовок с заданной структурой.

7. Выполнено промышленное опробование технологии ЦП литья баббитовых подшипников на ОАО «НПО «САТУРН» с удовлетворительными результатами.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Ч.1.- М.: Наука.-1991.-600 с.

2. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М., «Машиностроение», 1977, 510 с.

3. Андреев A.A. Установка для центробежно-планетарного литья. Сб.тр. молодых ученых. Рыбинск, РГАТА, 2000г. С. 15-17.

4. Андреев A.A. Структурообразование баббита при центробежно-планетарном литье. Сб.тр. молодых ученых. Рыбинск, РГАТА, 2001г. С. 27-29.

5. Антоновский В.А., Гутников СП., Левинская Р.В. и др. Способ литья биметаллических изделий. АС СССР №1068217 от 23.01.84

6. Антоновский В.А., Путников В.П., Левинская Р.В. и др. Способ литья биметаллических изделий. A.C. СССР №1068217. Опубл. 23.01.84

7. Баландин Г.Ф. Литье намораживанием. М., «Машгиз», 1962. 288 с.

8. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Часть I. М. «Машиностроение», 1976. 328 с.

9. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливки. М. «Машиностроение», 1973. 288 с.

10. Ю.Батышев А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением.

11. М., Металлургия, 1977,152 с. П.Беликов O.A., Каширцев Л.П. Приводы литейных машин. М.,

12. Машиностроение», 1971. 312 с. 12.Бидуля П.И., Балдов А.Л. Кристаллизация расплава при динамическом воздействии в условиях центробежного литья. //Литейное производство. 1963, №9. С. 21 22.

13. В.Богомолов А.И., Константинов Н.М., Александров В.А. и др. Примеры гидравлических расчетов. М. «Транспорт», 1977. 526 с.

14. Бураков СЛ., Вейник А.И. (ред.), Дубинин Н.П. и др. Литье в кокиль. М. Машиностроение, 1980, 415 с.

15. Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации металлов. М. «МИР», 1967, 160 с.

16. Вейник А.И. Теория особых видов литья. М. «МАШГИЗ», 1958. 298 с.

17. ВИЛЮМ Б.Ф. Гидродинамическая теория горизонтального центробежного литья.У/Известия АН СССР. Отделение технических наук. 1954. № 10. С. 39-46.Гл.ред.физ.-мат.лит.,1991.-600с.

18. Воздвиженский В.М., Жуков A.A., Уртаев A.A. Исследование формирования твердых растворов при кристаллизации сплавов в гравитационном поле. Тез. конф. «Металлические материалы. Методы и технология их обработки», М. 1995. С 64-65.

19. Горский А.И. Расчет машин и автоматических линий литейного производства. М.: Машиностроение , 1978. 264 с.

20. Громыко А.Б., Лукьянчиков В.Г. Способ заливки баббита. Заявка на патент Р.Ф. № 91014207 от 17.06.97

21. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. Л.: Машиностроение, 1976.264 с.

22. Дембовский В.В. Автоматизация литейных процессов // Справочник. Л.: Машиностроение, 1989. 264 с.

23. Ефимов В.А., Эльдарханов A.C. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов. М.: Металлургия, 1995. 272 с.

24. Жирнов E.H. Современные измельчающие аппараты, основанные на принципе планетарного движения, и их классифика-ция//Физико-химические исследования механически активированных минеральных веществ. Сб. научн. тр. Новосибирск, 19975. С. 4-22.

25. Круглов М.Г., Меднов A.A. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания.-М.Машиностроение, 1988-360 с.

26. Кудрявцев В.Н. Планетарные передачи. Л.: Машгиз, 1960. 280 с.

27. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. T.VI. Гидродинамика. М.: Наука. - Гл.ред.физ.-мат.лит., 1986.- 736 с.

28. Лахтин Ю.М. Основы металловедения. М.«Металлургиздат», 1957, 458с.

29. Линчевский Б.В. Техника металлургического эксперимента. М. Металлургия, 1967, 220с.

30. Липко О.Г., Шалай А.Н. Способ центробежного литья. А.С.СССР №14881 19. Опубл.23.06.89

31. Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. СПб.: Политехника, 1996. - 231 с.

32. Науменко Ю.В. Способ литья трубчатых отливок. A.C. СССР №1423271. Опубл.15.09.88

33. ЗЗ.Осинский В.И. Способ центробежного литья сложнопрофильных деталей с направленно ориентированной структурой. Заявка на патент РФ№ 93013197/02 (220) от 1993.03.12

34. Пасальский Б.М., Харин А.И., Климовский О.Б. Вертикальная машина центробежного литья. А.С.СССР №1560382. Опубл. 30.04.90

35. Попов A.B., Жестовский И.Д., Колосов В.М. и др. Способ центробежного литья. А.С.СССР №1424952. Опубл. 23.09.88

36. Поручиков Ю.П., Силин P.M., Артемьев Н.В. и др. Способ центробежного литья. А.С.СССР №1473901. Опубл. 23.04.89

37. Поручиков Ю.П., Силин Р,И., Миляев В.М. и др. Способ центробежного литья и установка для его осуществления. АС СССР №1061920 от 23.12.83

38. Поручиков Ю.П., Силин Р.И., Миляев В.М. и др. Способ центробежного литья. А.С.СССР №1061920 Опубл. 23.12.83

39. Потапов А.Г. Способ центробежного литья биметаллических заготовок. AC. СССР №1359061. Опубл. 15.12.87

40. Рабинович Б.В. Введение в литейную гидравлику. М. «Машиностроение», 1966. 424 с.

41. Расчет нагревательных и термических печей. Справочник. Ред. Тымчак В.М. М.Металлургия, 1983. 480 с.

42. Рубцов Н. Н. Специальные виды литья. М., «МАШГИЗ», 1955, 288 с.

43. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: «Металлургия», 1976. 272 с.

44. Серебряков СП. Развитие центробежного литья точных отливок. Ярославль, АнАТИ, 1986, 80 с.

45. Серебряков СП. Центробежно-планетарное приготовление формовочных и стержневых смесей//Литейное производство, 1993. № 12. С. 12-13.

46. Серебряков СП., Андреев A.A. Центробежно-планетарный способ литья. Сб. «Управление строением отливок и слитков» Н.НовгородД НГТУ, 1998, С5 8.

47. Серебряков СП., Андреев A.A., Мельников Ю.П. Исследование центробежно-планетарного литья на примере движения жидкости в цилиндрической форме. М., Инженерный журнал «Справочник» №6(51)2001.013-15.

48. Серебряков СП., Андреев A.A., Новиков A.B. Структура баббита при центробежном литье ЛП №1 1 2001. С.23.

49. Серебряков СП., Андреев A.A. Режимы работы планетарных машин при обработке литейных материалов ЛП №1 1 2001г. С.26.

50. Серебряков СП., Егоров М.В., Соседов CA., Колобков Ю.А. Планетарный механизм передачи. АС СССР №1776488 от 12.09.88

51. Серебряков СП., Колобков Ю.А., Борисов Е.С Морозов A.A. Смеситель A.C. СССР №1766579 от 25.07. 88

52. Серебряков СП., Ларионов А.Я., Колобков Ю.А., Андреев A.A. Влияние давления на структурообразование в отливках. Сб. тр. Владимир, ВГТУ, 1996, с. 17.

53. Серебряков СП., Лебедев A.B. Литье с гидропрессованием ЛП №8, 1981.С.21-22.

54. Серебряков СП., Лобанов СВ., Колобков Ю.А., Соседов CA. Моделирование центробежно-планетарного смесеприготовления //Известия ВУЗов, Черная металлургия, 1994. № 7. С .52-54.

55. Серебряков СП., Мирзоян Г.С., Куршев Н.И. Способ центробежного литья A C. СССР №1637944 от 4.01.88

56. Серебряков СП., Мирзоян Г.С., Куршев Н.И. Способ центробежного литья A C. СССР №16387945 от 4.01.88

57. Серебряков СП., Соседов CA., Андреев A.A. Управление формированием структуры отливок при центробежно-планетарном литье. Сб. тр. Владимир, ВГТУ, 1998, с. 65.

58. Серебряков СП., Чистяков В.В. Инерционное скольжение расплава в центробежной литниковой системе. ЛП №1 1, 1984. С 18 19.

59. Серебряков СП., Чистяков В.В., Бастраков В.К. Выбор оптимального числа оборотов изложницы при центробежном литье Сб.

60. Прогрессивная технология и применение ЭВМ в литейном производстве», Ярославль, 1989, стр. 10-13.

61. Серебряков СП., Чистяков В.В., Круглов А.И. Моделирование центробежной заливки форм. ЛП №6, 1978

62. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования деталей и узлов пищевого оборудования. М. «МАШУИЗ», 1963, 316 с.

63. Соловьев Ю.Г., Чиж В.Д., Линков И.И. Влияние режима вращения кокиля центробежных машин на макростроение литых труб и трубных заготовок. Сб. « Производство труб», ВНИТИ, «Литейное производство»,

64. Соседов СЛ. Разработка и исследование ЦП смесителей проходного типа для приготовления формовочных смесей. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Рыбинск, РГАТА, 1998, 143 с.

65. Флеминге М. Процессы затвердевания. М. «Мир», 1977, 424 с.

66. Хансен М., Андерко И. Структуры двойных сплавов, т. I, II. М. Металлургиздат, 1962, 1488 с.

67. Цветное литье: Справочник/Н.М. Галдин (ред.), Д.Ф. Чернота, Д.Ф. Иванчук и др. М. Машиностроение, 1989. 528 с.

68. Чепинога М.М. К гидродинамической теории центробежного литья.// Известия АН СССР. Отделение технических наук. 1956, №3

69. Чистяков В.В. Методы подобия и размерностей в литейной гидравлике/ М.: Машиностроение, 1990. 244 с.

70. Чистяков В.В., Малов А.Г., Честных В.А. и др. Теория заполнения форм расплавом. М.: Машиностроение, 1995. 192 с.

71. Чугаев P.P. Гидравлика (техническая механика жидкости). Л., «Энергия», 1970. 551 с.

72. Широков Е.В. Способ изготовления изделий с изолированной полостью. Патент РФ № 2162389 от 24.12.1998.133

73. Юдин СБ., Левин М.М., Розенфельд СЕ. Центробежное литье. М., «Машиностроение» , 1972, 280 с.

74. Ясногорский В.И., Ануфриев Л.Ф., Альшанская Л.Ф. Способ центробежного литья под жидким флюсом. А.С.СССР №910338. Опубл. 09.03.821. ИРЮ^САТУРН»1. Виноградов А.И.

75. Акт производственного опробования технологии центробежио-планетарного (ЦП) литья

76. Вывод: технология ЦП литья позволяет получать баббитовые подшипники удовлетворительного качества.

77. Начальник литейной лаборатории УГМлллл;л*л?йлоч'Ларе8 Ю.А.1. Инженер У ГМ ■ л,ллл1. Новиков А.В.