автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теоретические и технологические основы изготовления качественных отливок в вакуумно-пленочных формах

Направах рукописи УДК621.74Л19

Иванов Виктор Валентинович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ОТЛИВОК В ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫХ ФОРМАХ

Специалыюсть05.16Д4 - Литейноепроизюдство

Автореферат диссертации насоисканиеучетой степени доктор а технических н^к

Ко мсо мо л ьск-н а-Амур е 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Комсомол ьский-на-Амуре государственный технический университет» («КнАГТУ») на кафедре «Машины и технология литейного производства».

Нф'чный консультант

доктор технических н^ к, профессор Евстигнеев Алексей Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Заслуженный деятель науки и техники РФ и ЧР, до кгор технич еских н^ к, профессор

ИлларионовИлья Егорович

Член корреспондент РАЕН, доктор технических наук Ромашкин Виктор Наумович

Заслуженный деятельн^ки и техники РФ, доктор технических н^к, профессор Тимо феев Геннадий И вано вич

ИМиМДВО РАН (институт машиноведения и металлургии), г. Комсомольск-на-Амуре

Защита состоится «18» ноября 2006 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212Л92.02 в ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», по адресу: 681013,г. Комсомольск-на-Амуре,пр. Ленина,27,« КнАГТУ».

С диссфтацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ко мсо мол ьский-на-Амуре государственный технический университет.

Ваши отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, в двух экземплярах просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря (факс 8(4217)53-61-50).

Автореферат разослан «18 » октября 2006 года

Ученый секретарьдиссертационного совета, ¿^-ус?^

доктор технических наук, профессор Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Поиск новых и усовершенствование существующих технологических процессов и оборудования для их реализации, с целью повышения качества литья, является однойиз первостепенныхзадач литейного производства. Данная цель может быть достигнута за счет широкого внедрения передовых технологий, в том числе и вакуум но-пленочной формовки (В ПФ).

С момента появления технологии ВПФ (1971 г.), необходимость дальнейшего ее раз вития стала очевидной. Снижение себестоимости отливок на 25—30% по сравнению с себестоимостью отливок, изготавливаемых в песчано-глинистых формах, показало ее экономическую эффективность.

Однако, несмотря на ее положительные стороны в отливках, изготавливаем ыхв вакуум но-пленочных ф орм ах, встречаются деф екты в виде газ овой пористости и газ овы х раковин. Н а долю данного вида брака приходится до 60%от всех видов дефектов, встречающихся в отливках, изготавливаемых методом ВПФ.

Таким образом, борьба с данным видом брака,снижающим выходгодных отливок, становится актуальной задачей в процессе совершенствования данной технологии и требует дальнейших исследований.

Диссертационная работа посвящена научно-технической проблеме -браку отливок погазовым дефектам и прочности вакуум но-пленочной формы. При этом и брак отливок и прочность формы неразрывно связаны со степенью разрежения в огнеупорном наполнителе формы,являющимся основным технологическим фактором, обеспечивающим данную технологию.

Значительны й вклад в разработку отдельны х аспектов данной проблем ы внecлиHasegawa К., А1га\уа Т., \Vatanake А., СоорегВ., М ¡ига Т., Рабинович Б.В., МатвеенкоИ.В .,КузнецовВ.П.,УсановГ.И.,ВоздвиженскийИ.В.,БорисовВ.А., Гавришин А.Н., М ирошниченко А.Г., Немченко Г.В., Лапшин А.В., Солнышков М .Ю., В ернинг X., В ебер Ф., Яуо^го К., 5с1те!с1егР. и др. Научные труды этих ученых в целом определили постановку научной задачи о повышении качества отливок, из г отав лив аем ы х по технолог ии В П Ф, прочност и вакуум но-пле ночной формы и режим ах ее вакуумирования на протяжении всего технологического цикла.

На необходим ость исследования проблемы, связанной с образованием газовых деф ектов в отливках, изготавливаем ыхв вакуум но-пленочных ф орм ах, указывало отсутствие в специальной литературе данных, объясняющих образ ование газ овы х деф ектов в отливках и м ер, предупреждающих данны й в ид брака. С указ анной проблем ой связ ано и отсутствие единства м нений о м еханиз м е формирования прочности вакуум но-пленочных форм на различных этапах технологического цикла изготовления отливок, отсутствие единого систем ного подхода к определению м иним ально-необходим ой степени разрежения в ф орм ах

ивлияния величины разрежения на образование газовойпористостиигазовых раковин в отливках. Кроме того, отсутствие описания объемногонапряженно-деформированногосостояния огнеупорного наполнителя вакуум ируем ой формы сдерживало разработку конструкций опок, позволяющих удерживать наполнитель формы в статическом состоянии при минимально допустимой степени разрежения.

Единый подход к согласованию технологических параметров формы, конструктивных особенностей м одельно-опочной оснастки с режимами вакуумирования на различных технологических этапах представляет несомненный научный интерес и является актуальным, поскольку на его основе становится возможным изготовление отливок без газовых дефектов.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является получение отливок без газовых дефектов, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах, на основе рационального выбора параметров технологического процесса, разработка конструкторских решений опок, обеспечивающих прочность вакуумно-пленочных форм при минимальной степени разрежения и расширение области применения метода.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы ирешались следующие основные научные,технологические и конструкторские задачи:

1. Обобщение и развитие научныхпредставленийомеханизме образования газовых деф ектов в отливках, изготавливаемых в вакуум но-пленочных форм ах.

2. Исследование кинетики заполнения вакуум но-пленочных форм расплавом ивлияния ее газового режима на образование газовых дефектов в отливках.

3. Проведение комплексного анализа технологических факторов и их ранжирование по степени влияния на образование газовых деф ектов в отливках, изготавливаемых в вакуум но-пленочных формах.

4. Обобщение и раз витие научных представлений о м еханиз м ах сохранения прочности вакуумно-пленочной формы, с учетом свойств ее огнеупорного наполнителя и размеров опоки, на этапах технологического цикла изготовления отливок.

5. Разработка научно-обоснованной методики определения минимально-допустимой степени разрежения в вакуум ных ф орм ах с учетом свойств ее огнеупорного наполнителя, размеров и конструкций опоки.

6. Проведение сравнительного анализа экспериментально-промышленных исследований и внедрение положительного опыта в практику изготовления отливок без газовых дефектов по технологии вакуум но-пленочной формовки.

7. Разработка комплексных научно-обоснованных практических рекомендаций по изготовлению отливок без газовых дефектов в вакуум но-пленочных формах.

Объект и предмет исследований. Основным объектом исследований являются отливки, изготавливаемые в вакуум но-пленочных форм ах. Предметом исследованийявляются закономерностисвязывающие режимы вакуумирования формы на различных этапах технологического цикла с качеством отливок, влияние режим ов вакуум ирования на прочность песчаного наполнителя ф орм ы во время формообразования изаливки ее расплавом, влияние конструкции опочной оснастки на прочность песчаного наполнителя вакуум но-пленочной форм ы.

Экспериментальная частьработы выполняласьвлитейныхцехахзаводов: «Амурлитмаш» (ООО «Тигель»)(г. Комсомольск-на-Амуре); МПО (ОАО) «Станколит» (г. Москва); ОАО ХЗОО (Хабаровский завод отопительного оборудования);ОАО «КнААПО» (г. Комсомольск-на-Амуре);ОАО «ТЭМЗ» (Томский электромеханический завод им. В.В. Вахрушева), а так же в лабораториях кафедр литейного производства: МГТУ «МАМИ» (г.Москва); ГОУВПО «КнАГТУ» (г. Комсомольск-на-Амуре).

Научная новизна работы.

1. Выявлена закономерность поведения полимерной пленки, оформляющей рабочую полость вакуум но-пленочнойф орм ы, в процессе взаим одействия ее с заливаемым расплавом. Установлено, что полимерная пленка не терм одестругирует полностью в м ом ент попадания в полость первых порций расплава, а сгорает лишь в м естах непосредственного контакта с ним. Приэтом пленка, оформляющая «потолочную» часть формы и находящаяся под воздействием конвективноготеплообменаитеплового излучения с зеркала расплава,размягчается истановится газопроницаемойтолько придостижении расплавом определенногоуровня. Этот уровень находится в прямойзависимости от вида и температуры заливаемого расплава.

2. Экспериментально установлены особенности процесса заполнения расплавом рабочей полости вакуум но-ппеночнойф орм ы. В ыяснено, что газовое давление над свободным уровнем расплава изменяется позаконам гармонических колебаний и м ожет приним ать з начения, как больше, так и м еньше атм осф ерного. Изм енение газового давления оказывает непосредственное влияние на скорость течения расплава, заполняющего рабочую полость формы. При этом уменьшение давления газовойфазы надсвободным уровнем расплава до значения ниже атм осф ерного приводит к увеличению скорости его движения и образованию в отливках брака по газовым дефектам.

3. Выявлен обобщенный механизм образования газовой пористости и газ овых раковин в отливках, изготавливаем ых в вакуум но-пленочных форм ах. Экспериментально установлено, что причинамигазовых дефектов в отливках являются газы, выделяющиеся из стержней в процессе заливки, газы, внедряющиеся в расплав по неплотностям в разъеме формы игазы, растворенные в металле. Теоретически обоснованы иэкспериментально подтверждены области

технологических факторов, за пределам и которых резко воз растает вероятность образования г аз овой пористости и газовы х раковин в отливках, из готавливаем ых методом ВПФ.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена определяющая роль величины разрежения в песчаном наполнителе вакуум но-пленочной ф орм ы на образование газовых дефектов в отливках. Установлено, что величина разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя определяет состояние давления газовой фазы над свободной поверхностью заливаемого расплава во врем я разгерметизациирабочейполостиформы.Приэтом состояние давления газовой фазы над зеркалом расплава, в свою очередь, определяет условия образования газовых деф ектов в отливках.

5. Расширено научное представление о механизме формирования прочности вакуум но-пленочной ф орм ы на этапах ф орм ообраз ования и заливки формы расплавом. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что на стадии форм ообраз ования существенную роль на сохранение прочности формы оказывают степень разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя ф орм ы, величина ускорения, с которым исполнительные м еханизм ы ф орм овочной машины перемещают форму в пространстве, удельный вес песчаного наполнителя, габариты формы и угол наклона внутренней стенки опоки. Определено, что на этапе заливки форм ы расплавом ее прочность зависит от перепадов давлений в слоях формы, которые в свою очередь зависят от газопроницаемости граничного слоя.

6. Теоретически определен критерий прочности вакуум но-пленочной ф ор-мы, который представляет собой перемещения граничного слоя на ее ладе в сторону тела отливки. Определено, что величина перем ещения данного слоя не должна превышать половины припуска на механическую обработку обрабатываемых поверхностей отливки. Показана зависим ость распределения напряжений по высоте формы от величины разрежения в ее песчаном наполнителе, которая носит экспоненциальный характер. Установлено, что при совмещении точки перегиба кривой распределения напряжений (точки м иним альны х напряжений)с ладом ф орм ы, последняя теряет свою прочность и не сохраняет размерно-геометрические параметры отпечатка модели.

7. Решена задача трехм ерного напряженно-деф орм ированного состояния вакуум но-пленочной формы, результаты которой позволили оценить напряженное состояние иполя перемещений песчаного наполнителя формы. Установлено, что характер кривых распределения напряжений по вертикальной оси, при рассмотрении пространственной модели вакуумируемой формы качественно совпадает с распределением напряжений в массиве песчаного наполнителя по высоте формы при одномерном ее м оделировании. Установлена законом ерность в зависим ости прочности песчаного наполнителя вакуум но-пленочной формы от величины перем ещений ее нижнего граничного слоя.

8. Выявлена законом ерность процесса разупрочнения вакуум но-пленочной формы во время заливки ее расплавом, позволяющая определить время «живучести» формы, которое может быть принято за основной парам етр при расчете и проектировании литниково-питающей системы.

9. Разработана методика проектирования опок для изготовления вакуум но-пленочных форм с наклонными внутренними стенками, оказывающими существенное влияние на снижение минимально-допустим ой степени разрежения в наполнителе ф орм ы при сохранении ее прочности, что в свою очередь влияет на снижение брака отливок по газовым дефектам.

Достоверность научных положений и результатов исследования.

Механизм образования газовых дефектов вотливках.изготавливаемыхпо технологии вакуум но-пленочной формовки, со своими особенностями, рассм отрен с позиции теоретических положений образования аналогичных дефектов в отливках, изготавливаемых в песчано-глинистых формах. Достоверность подтверждается результатам и экспериментальных данных, полученных с помощью методик планирования полнофакторного эксперимента и результатам и их статистической обработки. Обработка эксперим ентальных данных и расчёты выполнены с широким привлечением вычислительнойтехники и соответствующих пакетов прикладных программ (STA TAN HMSC.Nastran).

Основные теоретические положения,описывающие механизм сохранения прочности вакуумно-пленочных форм на рассматриваемых в работе технологических этапах, базируются на классических представлениях механики твердого деф орм ируем ого тела. Достоверность полученных расчетны х оценок параметров процесса подтверждается результатами экспериментальных исследований в лабораторны х и пром ы шленны х условиях, проведенных как лично автором работы, так и другими исследователями.

Практическая значимость результатов работы.

1. На основе обобщенных представлений о механизме образования газовой пористости и газовых раковин в отливках, изготавливаемых в вакуум но-пленочных формах, разработаны и внедрены в производство практические рекомендации по предупреждению данного вида брака отливок.

2. В ыполнено ранжирование технологических факторов, оказывающих влияние на образование брака отливок по газовым включениям, разработаны и внедрены в производство практические рекомендации по выбору областей варьирования технологических факторов, для алюминиевыхсплавов ичугунов, соблюдение которых позволяет получать качественное литье по технолог ииВПФ.

3. Раз работана м етодика расчета напряженно-деф орм ированного состояния вакуум но-пленочной ф орм ы, поз воляющая на стадии проектирования технологии определять минимально необходимую степень разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя. М етодика учитывает свойства песчаного наполнителя,

габариты опоки, геометрию ее внутренней стенки и ускорения перемещения формы в пространстве посредством транспортирующих механизмов.

4. Разработаны алгоритм и программа для его реализации на ЭВМ, позволяющие моделировать изменение напряжений в массиве песчаного наполнителя и оценивать время «живучести» вакуум но-пленочной формы в процессе ее раз герм етизации, которое в свою очередь принимается за основной параметр расчета литниковой системы.

5. Созданы устройство для автом этического управления давлением в литейной вакуум но-пленочной форме и опока с измененной геометрией внутренней стенки, позволяющая удерживать песчаный наполнитель в статическом состоянии при минимальной степени разрежения для автом атизированных ф орм овочных линий. Разработаны устройство для нанесения герметизирующего покрытия на модель, оснастка для изготовления литейных ф орм, способ обработки алюм иниевых сплавов, устройство для определения технологических свойств литейной формы, универсальная подмодельная плита, позволяющая на одной формовочной машине изготавливать формы в опоках с различны м и габаритны м и разм ерам и. В се раз работки защищены авторским и свидетельствами СССР и патентами РФ.

Реализация теоретических и практических результатов работы.

Реализация теоретических и практических результатов работы происходила по четырем основным направлениям.

Первое направление — разработка практических мероприятий и реком ендаций, направленных на предотвращение газовых дефектов в отливках, изготавливаем ых в вакуум но-пле ночных ф орм ах. Практические реком ендации и методики по их применению приняты к внедрению заводами МПО (ОАО) «Станколит» (г. М осква), ОАО «ХЗОО» (г. Хабаровск), ОАО «КнААПО» (г. К ом сом ольск-на-Ам уре).

Второе направление-разработка критерия прочности вакуум но-пленочной формы, позволяющего на стадии проектирования технологии определять миним ально необходимую величину разрежения в форме и предотвращать тем самым брак отливок по вине преждевременного разрушения песчаного наполнителя ф орм ы. Практические реком ендации, програм м а по расчету полей перемещений песчаного наполнителя формы инапряженийвформе приняты к внедрению на ОАО «Амурлитмаш»(000 «Тигель») (г.Комсомольск-на-Амуре).

Третье направление-разработка решений и пакета прикладных программ для их реализ ации на ЭВМ, по определению м иним ально достаточной величины раз режения в вакуум но-пленочной ф орм е для опок полного ряда по ГОСТ 1712771 —ГОСТ 17132-71. Практические рекомендации по регулированию степени разрежения в процессе изготовления вакуум но™еночных форм иотливок в них приняты к внедрению на заводах г.Комсомольска-на-Амуре: О АО «Амурлитмаш» (ООО «Тигель»} и ОАО «КнААПО им. Ю.А. Гагарина».

Четвертое направление -разработка и модернизация узлов действующих вакуум но-пле ночных форм овочных машин с целью снижения их энергетических затрат и расширения спектра (типоразм еров) опок, используемых на одной формовочной машине. Совместно с ОАО «КнААПО» им. Ю.А. Гагарина и КнАГТУ спроектирована, изготовлена и внедрена в литейных цехах ОАО «КнААПО» и ОАО «ТЭМЗ» подмодельная плита, позволяющая изготавливать ф орм ы в опоках раз личных типоразм еров на одной ф орм овочной м ашине, что з начительно рас ширяет воз м ожности ф орм овочного оборудования. Разработано и внедрено на Хабаровском заводе отопительного оборудования (ХЗОО) устройство для автоматического контроля ирегулирования величины разрежения на различныхэтапахтехнологического цикла изготовления вакуумно-пленочных форм и отливок в них. Разработки защищены патентами РФ.

Личный вклад автора состоит в обобщении теоретических и эксперим ентальных исследований, выполненных автором сам остоятельно и совместно с сотрудниками кафедры МиТЛП (МГТУ «М АМИ), а так же аспирантами и студентам и кафедры МиТЛП (КнАГТУ). Автором поставлены научная проблема изадачиисследований, разработаны механизм образования газовыхдефектов в отливках, одномерная и пространственная модели напряженно-деф орм ированного состояния песчаного наполнителя вакуум но-пленочнойф ормы, решены частные научные и технические задачи. Автор принимал непосредственное участие в создании эксперим ентальных и промышленных установок, а так же в разработке проектов производственных участков для технологии вакуум но-пленочной ф орм овки, проводил исследования в лабораториях и на производстве, участвовал в промышленных испытаниях и внедрении разработок.

Основные положения, выносимые на защиту.

Автор защищает научные основы проблемы повышения качества отливок, изготавливаемых в вакуум но-пленочных формах и прочности вакуумно-пленочной форм ы на различных этапах технологического цикла, а им енно:

• теоретические основы образования газовых дефектов в отливках, из готавливаем ых в вакуум но-пленочных ф орм ах и м етоды их предупреждения;

• теоретические и практические закономерности, характеризующие качество отливок от влияния ком плекса технологических ф акторов, влияющих на образование газовыхдефектов;

• механизм сохранения прочности вакуум но-пленочной формы наэтапах формообразования и заливки формы расплавом;

• теоретические представления о критерии прочности и выборе минимально-необходим ой величины разрежения в вакуум но-пленочной форме;

• зависим ости между величиной разрежения в форме ее прочностью и конструктивным и особенностям и опочной оснастки.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на VIIсъезде литейщиков России (г. Новосибирск - 2005г.), м еждународных научно-технических конференциях (г.Комсомольск-на-Амуре —1993 и 1994 гг., г. Владивосток - 1995г., г. Москва-2002 г., г. Санкт-Петербург -2003г., г. Ком сом ольск-на-Амуре -2005г.), всесоюзных конференциях (г. Москва— 1985г., г. Комсомольск-на-Амуре - 1986г.), краевых и региональных научно -технических конф еренциях (г. Красноярск - 1983г., г. Ком сом ольск-на-Амуре - 1995г.), XIX-ой и ХХ-ой научно-технических конф еренциях ФГУП «КнААПО» им. Ю.А. Гагарина (г. Комсомольск-на-Амуре —2001 и2005 гг.). М атериалы диссертации в виде патентов РФ и ф ильм а «Вакуум но-пленочная формовка - шаг вперед в литейных технологиях» были представлены на IX Московском Международном Салоне промышленной собственности «АРХИМЕД - 2006» (г. Москва март 2006 г.) и VII м еж ду народном ф орум е «В ы с окне технологии XX 1-го века» (г. М осква апрель 2006 г, патент № 2242324 «Устройство для изготовления вакуум но-пленочных ф орм » награжден почетным знаком ф орум а - серебряная статуэтка «СВЯТОЙ ГЕОРГИИ»). При научном консультировании автора была успешно защищена кандидатская диссертация по данному направлению.

Публикации. По тем е диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе три авторских свидетельства на изобретения, три патента РФ, одно свидетельство официальной регистрации программы для ЭВМ РФ, две монографии. Положительное решение на выдачу патента РФ.

Струетура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, изложена на 367 страницах, содержит 157 рисунков, 17таблиц, IV приложения на 45 страницах и библиографию из 118 наим енований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе обширного анализа научно-технических работ, посвященных вопросам изготовления отливок по технологии ВПФ, обосновывается актуальность настоящей работы. Показывается научная и практическая значимость проведенных исследований, направленных на расширение и дополнение имеющихся представлений об изготовлении отливок без газовых дефектов в вакуум но-пленочных формах и механизме формирования прочности вакуум ируемых форм. С формулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассм атриваются проблем ы, связанные с браком отливок по газовым включениям и прочностью вакуум но-пленочных форм, а также варианты их решений, предлагаемые различным и исследователям и.

Значительный вклад в практическое освоение способа, разработку теории некоторых аспектов технологии вакуум но-пленочной формовки (ВПФ) и качества отливок, изготавливаемых в них, внесли зарубежные и отечественные исследователи На8е§а\уа К., А1га\уа Т., \Vatanake А.,

Watanabe Т., Matsuoka К., Sataka Т., Miura Т., Ryojiro К., Вернинг X., Вебер Ф., Cooper В., Schneider Р., Борисов В.А., Воздвиженский И.В., Галдин Н.М., Гавришин А.Н., Кузнецов В.П., Лапшин A.B., Матвеенко И.В., Орлов Г.М., Рабинович Б.В., Солнышков М.Ю., Шуляк B.C. и др.

От всех видов литейных форм, изготавливаемых на основе песчаных формовочных смесей со связующими, вакуумно-пленочные формы обладают принципиальным отличием. Смысл этого отличия заключается в использовании сухого кварцевого песка в качестве огнеупорного наполнителя формы без связующего и разрежения в его поровом объеме как уплотняющего фактора. В условиях технологии ВПФ качество литья и прочность литейной формы непосредственно зависят от величины разрежения, являющейся главным технологическим фактором, который обеспечивает существование самой технологии.

По данным литейных цехов зарубежных фирм, брак отливок, изготовленных по технологии ВПФ, по сравнению с технологией изготовления отливок в песчано-глинистых формах, может быть снижен в 2,5 раза. Однако опыт изготовления отливок в вакуумно-пленочных формах в отечественном литейном производстве показал, что из перечня видов брака по ГОСТ 19200-80 отливкам, изготовленным по технологии ВПФ присущи следующие виды дефектов: заливы, разностенность, газовая пористость, газовые раковины и пригар. Анализ перечисленных видов брака показал, что в отливках из любых сплавов, полученных в вакуумно-пленочных формах, наиболее часто встречаются газовые дефекты.

Из немногочисленных работ связанных с качеством литья в вакуумно-пленочных формах (Hasegawa К., Aizawa Т., Watanabe А., Сусуму Канэмори, Галдин Н.М.) известно, что на долю брака отливок по газовым дефектам приходится до 60 % от видов брака, перечисленных выше.

В литературе, посвященной вопросам газообразования в отливках, изготовленных по технологии ВПФ, авторами приводятся различные гипотезы. Так, по мнению М. Ю. Солнышкова и Н.С. Сабрилова, причиной газовой пористости являются газы от полимерной пленки, которая сгорает во время заливки форм. По мнению Н.М. Галдина причиной образования газовых дефектов в отливках является атмосферный воздух, попадающий в рабочую полость формы через выпор или открытые прибыли, и «сталкивающийся» со встречным потоком расплава.

Сусуму Канэмори приводит данные на основании которых основным фактором, влияющим на образование подкорковой газовой пористости в отливках, является пониженная температура заливки расплава. В связи с этим автор предлагает осуществлять заливку вакуумируемых форм расплавом с температурой на 20° - 30° С выше по сравнению с заливкой сырых песчано-глинистых форм.

Назе§а\\'а К., A¡zawa Т., \Vatanake А., руководствуясь собственным опытом получения стальных отливок показывают, что температура заливаемого металла должна быть снижена на 40° - 50° С по сравнению с литьем в сырые формы.

В приведенных работах авторами не раскрываются механизмы, которые объясняли бы возникновение газов в отливках, изготавливаемых методом ВПФ. Отсутствие теоретического обоснования образования брака отливок по газовым включениям не позволяет оперативно влиять на их качество, на уровне разработок технологии отливок. Поэтому проблема газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумируемых формах, остается в настоящее время актуальной.

Проблеме формирования и сохранения прочности вакуумируемых форм на различных этапах технологического цикла посвящено значительное количество научных трудов. Единство авторов в решении вопросов данного направления основывается на применении теории напряженного состояния сыпучих сред. При этом решаются одноосные задачи по определению минимально допустимой величины разрежения, численные значения которой весьма удалены от реальных условий. Основная проблема по сохранению прочности вакуумируемой формы возникает на этапе формообразования, то есть при съеме полуформ с модельных плит и транспортировки их на позицию сборки форм. Экспериментальная проверка расчетных значений минимально допустимых величин разрежения на данном этапе (Борисов В.А., Воздвиженский И.В., Усанов Г.И) показала, что около 85 % полуформ теряют свою прочность (разрушаются) уже при съеме их с модельных плит. В реальных производственных условиях, стремясь сохранить геометрическую целостность вакуумируемой формы, в поровом объеме ее песчаного наполнителя создают разрежение, которое способна обеспечить вакуумирующая система. Эта же величина сохраняется и на этапе заливки форм расплавом. При этом неоправданно завышенное разрежение в форме во время ее заливки, как правило, приводит к браку отливок по газовой пористости, газовым раковинам и пригару.

Отсутствие системного подхода к решению проблем, связанных с качеством литья и прочностью вакуумно-пленочных форм, сказалось и на конструктивных особенностях опочного парка. Обширный анализ патентов, связанных с конструкциями опок для вакуумно-пленочной формовки, выявил их многообразие. Стремление к выравниванию степени разрежения по всему объему песчаного наполнителя вакуумируемой формы привело к созданию дополнительных конструктивных элементов, например таких как откачивающие фильтрационные стаканы, соединяющиеся с общим коллектором опоки гибкими вакуумпроводами. Подобные конструкции опок удовлетворительно работают в единичном производстве при изготовлении крупногабаритных форм. Однако при использовании таких опок даже с размерами в свету 1500x700 в серийном

производстве и тем более на автоматизированных формовочных линиях возникает ряд дополнительных проблем, решение которых создает определенные трудности.

Проведенный анализ состояния проблемы качества отливок, получаемых в вакуумно-пленочных формах, прочности форм на различных этапах технологического цикла, режимов их вакуумирования на этих этапах и влияния конструкций опок на возможное снижение разрежения в формах показал отсутствие комплексного подхода к решению проблемы качества литья.

Комплексный подход к решению проблемы изготовления бездефектных отливок по технологии ВПФ на основе системы «оснастка — форма - режимы вакуумирования — отливка» позволили увеличить выход годных отливок и расширить область применения технологии ВПФ.

В результате проведенного анализа была сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Во второй главе проводится обобщенный анализ факторов, влияющих на образование газовых дефектов в отливках, изготавливаемых по технологии ВПФ и рассматриваются механизмы их образования. В результате проведенных исследований общее количество факторов было разделено на две группы: факторы эндогенного и экзогенного происхождения. Дальнейшее изучение факторов (величины разрежения в форме, температуры заливки расплава, времени заполнения рабочей полости формы расплавом, предварительной дегазации, подсоса воздуха по разъему формы и газотворность стержней) позволило проранжировать их по степени значимости и установить, что из вышеперечисленных для технологии ВПФ доминирующим является фактор ДР — глубина разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя формы (рис.1).

Изучение причин образования газовой пористости и газовых раковин показало, что на этот показатель качества отливок главным образом влияют условия, в которых происходит заполнение вакуумно-пленочных форм расплавом и ее газовый режим. Эксперименты показали, что по мере поступления металла в рабочую полость вакуумируемой формы без выпора, полимерная пленка не сгорает полностью и сразу, а термодестругирует только в местах их контакта. При этом давление газа над зеркалом расплава изменяется по закону гармонических колебаний (рис.2.) и может принимать значения как больше, так и меньше атмосферного.

Рис. 1. Гистограмма ранжирования факторов по степени их влияния на образование газовой пористости: X] — время заполнения формы расплавом; Х2 — температура заливаемого расплава; Х3 - величина разрежения в форме; Х4 — толщина стенки отливки.

а> Р^,кПа 102,0 100,0

97,5 95,0

б) Р1бс, кПа 102,5

100,0 97,5 95,0

начало заливки

конец заливки

✓ 1 II •

9 й у £ и*

70

135

I с

Ь, ММ С

Ь, мм

70 135

Рис. 2. Изменение газового давления в рабочей полости формы при заполнении ее расплавом, форма окрашена а - форма без выпора; б - форма с выпором

Повышенное газовое давление, приводит к замедлению скорости подъема расплава. Снижение данной скорости происходит также и за счет уменьшающейся разницы гидростатических напоров расплава в стояке и в полости формы. При снижении скорости подъема расплава, уровень последнего

начинает отставать от ф ронта терм одеструкции полим ерной пленки. Отставание уровня металла от фронта терм одеструкции пленки обусловливает появление газопроницаем ого зазора 3 (рис. 3)на стенках полостиформы, между еще целой пленкой 1 изеркалом расплава 2. Приэтом газ начинает перетекать в поровый объем наполнителя формы, а давление в рабочей полости уменьшается и кратковременно становится меньше атмосферного.

Рис. 3. Схема заполнения расплавом рабочей полости вакуум ируем ой ф орм ы: 1 -полимерная пленка, оформляющая рабочую полость формы, 2 — расплав, 3 — газопроницаемый зазор, 4 — песчаный наполнитель

К концу процесса заполнения полости, когда между зеркалом расплавам «потолком » ф орм ы остается расстояние определенного раз м ера (для алюм иниевых сплавов 8- 10 мм., для чугуна 21 -23 ммД пленка на потолочной части начинает плавиться под действием конвективного теплообмена итеплоизлучения с зеркала м еталла. Раз м ягчаясь, полим ерная пленка на потолочной части полости ф орм ы, становится газопроницаемой.Увеличение площадиэвакуациигазаиз полости ф орм ы, приводит к практически м гновенному снижению давления в ней(см. Рис. 2., точки I—П^В моменты, когда газовое давление над зеркалом расплава, по своей абсолютной величине, становится меньше атмосферного, особенно на заключительной стадии заполнения форм ы, в расплаве возникают условия, способные спровоцировать в нем образование не только газовой пористости, но и газовых раковин. Таким условием является нарушение равенства:

2а

Рг = Рф + РмБЬ„ + — Бт©, (1)

где Рг—давление в газовом зародыше, Рф—давление газа в рабочей полости формы над зеркалом расплава, рм—плотность заливаем ого расплава, Ь„—высота уровня свободной поверхности расплава над газовым зародышем, г—радиус газового зародыша, а-поверхностное натяжение,©—краевойугол смачивания.

Образование газовых дефектов в отливках согласно приведенному описанию носит эндогенный характер.

При сборке вакуумно-пленочных форм по их разъему возможно образование каналов 1, например, в виде пленочных мостов, образованных на стадии обтяжки м одели полим ерной пленкой, соединяющих полость ф орм ы с атмосферой (рис. 4).

Рис.4. Схема подсоса атмосферного воздуха в расплав по неплотностям в разъеме вакуумируемой формы 1 - каналы в разъеме формы, 2 —газопроницаемые зазоры в пленке по ладу и контрладу, 3 - газопроницаемый зазор в пленке у зеркала расплава

Таким образом, неплотное соединение полуформ или указанные каналы являются причиной, по которой атмосферный воз дух может подсасываться в заполняющий полость формы расплав в момент, когда давление газа над его свободной поверхностью меньше атмосферного.

По достижении разъем а форм ы, расплав перекрывает каналы 1. Под действием его температуры в полим ерной пленке, на ладе верхней и нижней полуформ образуются газопроницаемые зазоры 2, Наличие указанных зазоров обусловливает постоянное присутствие атм осф ерного давления у боковой поверхности движущегося расплава. Условие проникновения газа в заполняющий полость формы металл описывается уравнением:

где Ро-давление газау боковойповерхностиметалла,Ь„-высотауровня металла над линией разъема формы, г - условный радиус канала, по которому подсасывается воздух из атмосферы.

Из выражения (2)следует,что наиболее опасный момент с точки зрения проникновения воздуха в расплав наступит тогда, когда значения РфиЬмбудут минимальными. Призаливке вакуумируемых форм данныймомент будет соответствовать прохождению свободной поверхностью расплава разъем а ф орм ы и образованию газопроницаем ого зазора 3 (рис. 4) между металлом и фронтом термодеструкции полимерной пленки по стенкам полости формы.

Ро>Рф + р1^11м + -^-Бт©,

(2)

В случае изготовления стержневых отливок ситуация усугубляется тем, что при погружении стержня 1 врасплав2(рис.5)газ 3, выделяющийся из стержня в результате сгорания связующих компонентов, не имеет возможности выхода через знаковые частив наполнитель формы 4, как например, в сырых песчано-глинистых формах.

Рис. 5. Схема выделения газов из стержня при заливке вакуумно-пленочных форм 1 — стержень, 2 — заливаемый расплав, 3 - выделяющийся газ, 4 — вакуумируемые полуформы, 5 —полимерная пленка, оформляющая

знаковую часть

Полимерная пленка 5, оформляющая знаковую часть модели, на стадии формообразования во время заливки формы не термодестругирует,таккакне имеет прямого контакта с расплавом иявляется непреодолимым препятствием для газов, выделившихся из стержня. Интенсивность проникновения газов с поверхности стержня в расплав вомногом определяется газовым режимом в полости формы, газотворной способностью материала стержневой смеси, состоянием поверхности стержня иусловиямиегосмачивания. Одной из мер борьбы с подобным газовыделением из стержней в расплав является нанесение тонких наколов в стержневых гнездах формы с тем, чтобы во время заливки создать принудительный газовый поток: стержень-наполнитель формы — опока-вакуумирующая система. Направленность такого потока обусловлена повышенным газовым давлением в самом стержне и пониженным газовым давлением в песчаном наполнителе формы, в том числе и со стороны знаковой части стержня.

При заполнении рабочей полости вакуум но-пленочной формы с выпором достаточного сечения, газовое давление над зеркалом расплава изменяется не так динам ично по ам плитуде и, как показ ы вают осциллограм м ы, м ожет оставаться на уровне атмосферного (см. рис. 2.6). При этом часть причин, способствующих

образ ованию газовых деф ектов в отливках э кз огенного характера, не работает, а качество отливок перестает быть от них зависимым.

Третья глава посвящена математическому моделированию напряженно-деформированного состояния вакуумно-пленочной формы во время формообразования и заливки ее расплавом на основе одномерной модели. Практическим применением решения данной задачи стал метод определения напряжений на границе «песчаный наполнитель формы - стенка опоки» и минимальной степени разрежения, удобный при инженерных расчетах. В качестве физическоймоделирассм атривалось сыпучее тело,ограниченное с

Рис. 6. Схема к расчету напряжений по высоте вакуумируемой полуформы на стадии формообразования

Состороны лада рассматриваем ой полуформы выделялиэлементарный слойАВСД.асостороны контрлада—слой А'ЕС'Д'. Приэтом одновременно по ладу и контрладу сыпучее тело сжимается вдоль вертикальной оси, разностью давлений ДРомежду атмосферным иостаточным Рв(в гторовом объеме сыпучего тела) в виде распределенной нагрузки.

Руководствуясь принципом Даламбера,для рассматриваемых слоев были составлены дифференциальные уравнения силового баланса:

аГ~(а + (1<т)Г + ёп%с1уР + 5пас1уР ± Я7 = О, (3)

где а-сжимающие напряжения, возникающие в массиве сыпучей среды, 5-плотность сыпучего материала, у —координата рассматриваемого слоя, с(у - толщина элем ентарных слоев, Р-площадь опоки в свету, П — периметр опоки, §-ускорение силы тяжести, ^-коэффициент бокового давления, коэффициент трения.

В уравнении (3) знак «+» берется для слоя АВСД, а знак «-» - при рассмотрении слоя А'Б'С'Д'.

Преобразовав уравнение (3)и проинтегрировав полученное выражение при граничных условиях у = Н ио=ДРо, где Н -высота опоки, получили выражения

для расчета напряжений по высоте полуформы на этапе формообразования соответственно:

. = е-А(н-у^др + «Ма + а)] 8п{% + а)

а = е + --]—^-^ (4)

А А

_ + 3„{8 + а) (5)

А А

В уравнениях (4), (5) А = £

Одноврем енное решение уравнений (4)и (5)позволило получить сем ейство кривых распределения напряжений по высоте полуформы в зависимости от начальной величины разрежения в поровом объем е песчаного наполнителя, как сыпучей среды (рис.7).

Рис. 7. Распределение напряжений по высоте вакуумируемой полуформы на стадии формообразования -эксперимент,----расчет

В расчетахпринималось:размеры полуформы 500х400х100мм,плотность песчаного наполнителя 5=1670 кг/м3,ускорение перемещения полуформы в пространстве а=1,5 м/с2, коэффициент трения £=0,3, коэффициент бокового давления £ = 0,4.

Пересечение кривых распределения напряжений дает характерную точку перегиба «Б» общей кривой по высоте полуформы. Данная точка является точкой миним альных напряжений в вакуум ируем ой полуформе при заданных на этапе формообразования условиях.

Приравняв правые части уравнений (4) и (5), на основании равенства напряжений в точке «Б» и решив полученное равенство относительно «у», определили ординату точки перегиба общей кривой напряжений (точки минимальных напряжений):

г 2В -ь 4В; - 4С(В2 - АР;)

„„„ я- ЕЗп

где й- ^ ,С-е .

Анализ выражения (6) показывает, что с увеличением линейных размеров опоки, плотности песчаного наполнителя полуформы, ускорения «а» и уменьшением величины разрежения ДР, ордината точки перегиба общей кривой напряжений (точка миним альных напряжений в форме) стремится к нижней границе полуформ ы — к ее ладу. Расстояние от точки миним альных напряжений до лада полуф орм ы характеризует толщину слоя, удерживающего в статическом состоянии песчаный наполнитель, находящийся выше данной точки, а сами минимальные напряжения можно принять за критерий минимальной прочности вакуум но-пленочной ф орм ы. При совпадении точки м иним альных напряжений с ладом рассчитываем ой полуф орм ы можно говорить ом иним альнойее прочности, не гарантирующей устойчивого статического состояния ее наполнителя при воздействии каких-либо внешних нагрузок.

Зависимость ординаты точки миним альных напряжений от плотности песчаного наполнителя и величины разрежения, при прочих равных условиях, представлена кривыми на рис. 8.

Рис. 8. Кривые изменения ординат точек минимальных напряжений по высоте вакуум ируем ой полуф орм ы:

1 - плотность набивки песка 1670 кг/м3, (время виброуплотнения 7 с);

2 - плотность набивки песка 1690 кг/м3, (время виброуплотнения 15 с)

Решение уравнения (6) относительно ДР при условии, что у =Н позволило получить выражение для определения минимально допустимой величины разрежения при котором полуф орм а сохранит свою геом етрическую целостность, удобное для инженерного применения в условиях реального производства:

ДР :

(7)

/<? П

На этапе заполнения вакуумируемой формы расплавом механизм сохранения прочности имеет более сложный характер, так как под действием температуры расплава происходит ее разгерметизация,игаз из рабочей полости фильтруется в поры песчаного наполнителя. Расчетная схема процесса представлена на рис.9.

ро

р*

д'

ш-

Ш

Г ЗУ ^

1р '

Ш

Рис. 9. Схема к расчету напряжений по высоте вакуумируемой формы на этапе заливки ее расплавом

Исходным уравнением равновесияэлементарныхслоев АВСД иА'ВС'Д', будет выражение вида:

аР - (о + %^у)Р + (1-ш^Р - (1-шХР +|^у)Р + 5„gFdy ± 0, (8)

су су

где Р-давление газовой фазы на границах элементарных слоев в данный м ом ент врем ени, ш — пористость песчаного наполнителя, дР/ду -интенсивность изменения остаточного давления в слоях формы.

После преобразования выражения (8)с соответствующимизнакамипри последнем слагаем ом, получили решения для определения напряжений по вы соте вакуум ируем ой полуф орм ы во время ее разгерметизации в виде линейных дифференциальных уравнений для слое АВСД иА'Б'С'Д' соответственно:

да дР п

— =-(1-т)—+5„§ + Е;с-, су ду г

(9)

да ЭР ^ _ „ , П

Уравнения (9),(10)решались численным методом. Результаты расчетов распределения напряжений по высоте вакуум ируем ой полуф орм ы иостаточного давления газовой фазы во времени, с начальным разрежением 50 К Па, на момент разгерметизации полуформы, представлены на рис.10.

Рис.10. Распределение давления в газовой фазе (а)и напряжений в песчаном наполнителе (б)при начальном разрежении 50 кПа: 1 - 0 с, 2 - 5 с, 3 - 10 с, 4 - 15 с, 5 - 17 с, 6 - 19,5 с

С пом ощью разработаннойм атем атическойм одели появилась возможность компьютерногомоделирования изм енения давления газовойф азы инапряженийв песчаном наполнителе ф орм ы во времени. Зная критическое расстояние зеркала расплава до потолочной части форм ы и среднюю скорость подъем а уровня м еталла в рабочей полости, м ожно уже на стадии проектирования технологии оценить время «живучести» форм ы и сравнить его со временем полного ее заполнения расплавом. В зависимости от результатов расчета появляется возможность скорректировать начальную величину разрежения или раз меры литниковой системы таким образом,чтобы процесс заполнения рабочей полости формы завершился прежде, чем форма потеряет свою прочность.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию напряженно-деф орм ированного состояния вакуум но-пленочной ф орм ы, как линейно упругой среды. Целью данной задачи является определение механических напряжений и перемещений в объеме песчаного наполнителя формы, сравнение их с результатам и одномерной задачи и использование результатов расчетов для конструирования профиля внутренних стенок опок с целью уменьшения разрежения в форме на этапе заливки ее расплавом.

Использовалась математическая модель напряженно деформированного состояния вакуум но-пленочной формы, представляющая собой классическую систему уравнений состояния в следующем виде:

уравнения движения

А

А

а)

б)

aIJJ+X,Scp-Scp^ (11)

которые могут быть изменены в зависимости от сил, действующих на рассм атриваем ое тело, наприм ер сил инерции или давления газовой среды (в уравнениях системы (11)Х; -объемные силы, 5ср - плотность песчаного наполнителя вакуумируемой формы);

геометрические соотношения, связывающие перемещения и деформации

+ (12)

физические уравнения, описывающие напряженное состояние упругой среды (закон Гука) в виде

£.> =~[0 + У)<7ц->Щ1 (13)

где i,j = 1, 2, 3 или х, у, z, eij - компоненты тензора малых деформаций, Cij - компоненты тензора напряжений, Е — модуль Юнга, v - коэффициент Пуассона, J - первый инвариант тензора напряжений, определяемый как

J = «^сг = ст„= const. Система уравнений (11), (12) и (13) дополняется граничным и условиям и

вида:

Oij Uj |sT =Р;, (14)

где Р,—i-я компонента давления, nj —j-я компонента нормального вектора, ST- граничная поверхность.

Таким образом, систем а из пятнадцатиуравнений (11 - 13)с граничными условиями(14)представляет собойзамкнутую математическую постановку задачи для определения пятнадцати переменных, однозначно характеризующих напряженно деформированное состояние рассм атриваем ой среды -песчаный наполнитель вакуум но-пленочной ф орм ы.

Реализация предложенной модели проводилась на ЭВМ с использованием пакета MSC.Nastran + MSC.Patran. Дискретизация поставленной задачи выполнялась методом конечныхэлементов.Решениезадачипроводилось методом Ньютона-Рафсона.

Для расчетов напряженно-деформированного состояния песчаного наполнителя вакуум но-пленочной ф орм ы использовалась схема (рис.11).

Рис.11. Расчетная схема вакуумно-пленочной формы с граничными условиям и и плоскостями сим метрии

Огнеупорный песчаный наполнитель формы рассматривали как линейно-упругое тело. Стенки опоки в реальных условиях являются абсолютно жестким и и предотвращают воз м ожность бокового перем ещения наполнителя ф орм ы,тог да их влияние на песчаный наполнитель учитывали путем закрепления боковых сторон расчетного тела по осям X, Y и Z. Образец вакуум ируем ой ф ормы рассматривали как ее четверть, полагая, что форм а обладает двумя взаимно перпендикулярны м и плоскостям и сим м етрии, з адав на этих плоскостях условия непроникновения. При этом рассчитывали напряжения, деформации и перемещения слоев наполнителя формы.

При расчетах задавались следующие граничные условия. На плоскости АВ В iAi ком понента перемещения по оси Y — v=0, компонента перемещения по ochz—w = 0, так как трение песка о стенку опоки в условиях геометрической целостности формы абсолютно. Руководствуясь этими же положениями, граничные условия для плоскости В С С iB i з апишутся как: по осиХ —и = 0, по оси Z-w =0. Из условия непроникновения по плоскостям сим метрии АДД1А1 и ДСС1Д1 перемещения вдоль осей X и Y, соответственно, невозможно. На плоскостях ABC Д и А1Б1С1Д1П0 направлениям, противоположным внешним норм алям, з адавалась распределенная нагруз ка ДР, равная раз ности атм осф ерного давления и остаточного давления газовой фазы в поровом объеме песчаного наполнителя формы.

Свойства материала вакуум но-пленочной формы, ее песчаного наполнителя, принимались следующим и: Е=0,35-108Па-модуль Юнга, v = 0,44 - коэф ф ициент Пуассона, 5ср= 1670 кг/м3. JI инейные раз м еры опоки приним ались равнымша =0,5 м,в =0,4м,с =0,12м.,гдеа —длинная сторона опоки, в -ее короткая сторона, с -высота опоки. Ускорение съем а полуф орм ы с модельной плиты: а = 1,5 - 2,5 м/с2.

Анализ состояния полей перем ещений по оси Z показ ал, что с учетом только силы тяжести слоев песчаного наполнителя при различной степени

разрежения ДР, перем ешения верхнего граничного слоя (рассм атривается область в центральной части плоскости контрлада)превосходят по абсолютной величине перем ещения граничного слоя со стороны лада тойже области централь ной части (рис .12).

С. м м

Рис. 12. Перем ещения точек центральной области лада (кривая 1) и контрлада (кривая 2) при статическом состоянии формы

При разрежении от 35-^50 кПа векторы перемещений, рассматриваемых точек со стороны лада и контрлада полуф орм ы им еют противоположны е з наки и направлены к внутренней части ее объема, а при разрежении от 20 до 35 кПа векторы перемещений анализируемых точек имеют одинаковые знаки и направлены в сторону лада полуф орм ы. Очевидно, что приум еньшении величины разрежения ДР в вакуум но-пленочной ф орм е, ум еньшаются и сжим ающие напряжения по ее ладу и контрладу, что свидетельствует о начале процесса ее разупрочнения.

Примоделированиинапряженно-деформированного состояния песчаного наполнителя вакуум но-пленочной формы на этапе съем а ее с модельной плиты с ускорением 1,5 м/с2, при рассм отренных выше граничных условиях, были получены результаты перемещений точек центральной области формы со стороны лада и контрлада (рис.13).

С, м м

0.010

-<1,02 -О/Я -0,06 -о.оя -0.10 -<>,12 -0,14 -0.16

Рис. 13. Перем ещения точек центральной области лада (кривая 1)и контрлада (кривая 2) при перемещении форм ы в пространстве

Сравнение графиков перемещенийточексреднихобластейладаиконтрлада формы, находящейся в статическом состоянии (рис. 12.)с графикам и перемещений данных точек в форме при ее транспортировании (рис. 13)показывает, чтов случае движения формы с ускорением, положительные перем ещения рассм атриваем ых точек со стороны лада, отсутствуют. Расчетные значения перемещений элементарного слоя со стороны лада формы, при движении ее в вертикальном направлении с ускорением 22 м/с , разрежении в поровом объеме ДР = 40кПа показывают, что перемещения граничного слоя у лада формы становятся com м ерим ымис припускам и на м еханическую обработку, наприм ер, исследуем ой в работе отливки «Панель». После остановки формы, искажение поверхностнее лада не исчезает, а толщина горизонтальной части отливки становится меньше на величину перемещения граничного слоя, что приводит к браку отливок по размерной и геометрической точности.

Анализ расчетных данных показал, что ординаты точек минимальных напряжений вдоль ochZ(phc.14)b полуформе, перемещающейся в пространстве, располагаются ниже аналогичных точек в полуф орм е, находящейся в состоянии покоя.

Рис. 14.Расчетные изменения ординатточекминимальныхнапряжений(точек перегиба кривых распределения напряжений)по высоте вакуум ируемых форм: • ординаты точек при статическом положении формы задача объемная; * ординаты точек при статическом положении формы задача одномерная; ▲ ординаты точек при динам ическом положении формы задача объемная; ■ ординаты точек при динамическом положении формы задача одномерная.

Данный факт свидетельствует о том, что при воздействии на наполнитель формы внешней нагрузкой поддерживающий слой становится тоньше, что влечет за собой разупрочнение полуформы.

В экспериментальной части работы определялось распределение напряжений по высоте вакуумируемой полуформы, находящейся в статическом состоянии, при различной начальной степени разрежения. Анализ сходимости результатов, полученных расчетным путем с помощью рассматриваемых математических моделей, с экспериментальными данными показал, что наибольшее их расхождение (17,4%) наблюдается при начальном разрежении в форме 20 кПа. При этом минимальное расхождение между экспериментальными и расчетными данными, описываемых кривых составляет 11% при начальном разрежении в форме 50 кПа.

Пятая глава посвящена исследованию промышленного изготовления отливок в вакуумно-пленочных формах, проверке теоретических положений, сделанных в диссертационной работе, исследованию технологических методов управления качеством отливок, изготовленных по технологии ВПФ. Проводится сравнительный анализ качества отливок, изготовленных в песчано-глинистых формах и методом ВПФ.

Исследование образования газовых дефектов, как параметра оптимизации, в отливках, изготовленных в производственных условиях по технологии ВПФ, изучали в зависимости от факторов: величины разрежения в форме, температуры заливки расплава, толщины стенки отливки, времени заполнения формы расплавом, наличия или отсутствия выпора. Как и при проведении физических экспериментов, промышленное изготовление отливок показало, что на образование газовых дефектов, бесспорно, доминирующее влияние принадлежит величине разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя формы во время ее заливки. Изменение температуры заливки расплавов (для чугунов интервал варьирования 50° С, для алюминиевых сплавов - 25° С) показало, что при получении отливок с температурой заливки по нижнему уровню газовые дефекты отсутствовали, или находились в пределах требований ГОСТ 1583-93, в то время как отливки, полученные при температуре заливки по верхнему уровню, имели газовую пористость от 2-го до 4-го балла. Таким образом, было подтверждено положение о заливке вакуумируемых форм расплавом с пониженной температурой.

Уменьшение или увеличение толщины стенок отливок, за счет припусков на механическую обработку, для отливок из СЧ20 не оказало существенного влияния на их качество. При этом отсутствие выпора в вакуумно-пленочных формах показало необходимость его установки. Отливки, выполненные в формах без выпора (рис.15), как правило, имеют поверхностную газовую пористость, что не отвечает требованиям к их качеству.

Рис.15. Газовые дефекты на поверхности

отливки «Кокиль», материал — СЧ20

Исследуя качество отливок авиационного назначения, руководствовались требованиями ГОСТ1583-93 и отраслевой документации. Отливки подвергались полному циклу контроля: рентгеновский контроль, химический анализ, испытание прочности на разрыв, относительное удлинение, макро- и микроанализ.

Для проверки теоретических и экспериментальных исследований отливки изготавливались по схеме рис.16. Каждая серия содержала по две группы отливок из алюминиевых сплавов, одна из которых изготавливалась в песчано-глинистых формах (ПГФ) по цеховой технологии, вторая по технологии ВПФ.

Отливки подгруппы I изготавливались при значениях технологических факторов, имеющих верхний уровень. Размеры элементов литниковой системы соответствовали размерам, рассчитанным для форм изготовленных из песчано-глинистых смесей. Отливки подгруппы П, изготавливались при значениях технологических факторов на нижнем уровне. Размеры элементов литниковой системы уменьшены на 35% по сравнению с ПГФ.

Отливки каждого наименования (серии), выполнялись для обеих технологий (групп) параллельно.

I Отливки!

Рис.16. Схема изготовления серийных отливок в промышленных условиях

По результатам рентген контроля серии отливок «Панель», изготовленных в ПГФ, в четырех отливках из десяти было обнаружено присутствие газовой пористости, рис.17, (правая грань). Результаты макроанализа показали соответствие данных газовых включений второму баллу пористости согласно ГОСТ 1583-93, что в целом удовлетворяло требованиям к литейной продукции данного типа.

□ □

Рис.17. Рентгеновский снимок отливки «Панель» с фрагментами газовых включений в правой грани, изготовленной в песчано-глинистой форме

Однако дополнительными требованиями ОСТ1.90021-92 авиационной промышленности, отливки, имеющие нарушение внутренней сплошности не допускаются к дальнейшему производству.

Исследования группы отливок «Панель», изготовленных по технологии ВПФ с технологическими факторами на нижнем уровне, не выявили в них присутствия газовых дефектов.

При анализе качественных показателей отливок «Панель», изготовленных в песчано-глинистых формах и по технологии вакуумно-пленочной формовки, было отмечено, что расход металла на форму по технологии ВПФ меньше на 37 %, масса отливок меньше на 35 %, при уменьшении припусков на механическую обработку на 55 %. При этом масса самой детали составляет 0,22 кг.

Результаты рентген контроля стержневых отливок («Узел передний»), выполненных по технологии ВПФ со значениями технологических факторов на верхнем уровне, показали присутствие газовых дефектов в цилиндрической части отливок и в их горизонтальных полках рис. 18.

Рис.18. Рентгеновский снимок фрагмента отливки «Узел передний» с газовой пористостью в горизонтальной полке

При изготовлении данных отливок по условиям подгруппы И, выход годных отливок составил 87%, что превосходит аналогичный показатель цеховой технологии на 48%.

Анализ макроструктуры образцов, вырезанных из различных мест отливок (рис.19), подтвердил отсутствие внутренних дефектов. При этом пористость отливок была оценена, по шкале пористости, как ниже первого балла.

а) б)

Рис. 19. Макроструктура образца, вырезанного из отливки «Узел передний» (место сопряжения фланца с цилиндрической частью), изготовленной по условиям подгруппы II а) - травление 15% водным раствором N801-1; б) - травление реактивом «цветник»

Основные показатели качества отливок второй подгруппы отливки «Узел передний», изготовленной по технологии вакуумно-пленочной формовки, соответствовали требованиям ГОСТ 1583-93 и ОСТ1.90021-92.

Анализируя показатели отливок «Узел передний», изготовленных в песчано-глинистых формах и по технологии вакуумно-пленочной формовки, отмечается, что расход металла на форму по технологии ВПФ меньше на 36,5 %, масса отливок меньше на 30 %, при уменьшении припусков на механическую обработку на 67 %. При этом масса самой детали составляет 2,050 кг.

В шестой главе отображены основные направления реализации результатов исследований настоящей работы. Таковыми направлениями являются:

-раз работка научно обос нованного ком плекса практичес ких ре ком ендаций, составляющих основу для технологии изготовления бездефектных отливок в вакуумно-пленочных формах;

- разработка методик и прикладных компьютерных программ для определения минимально допустим ой величины разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя вакуумируемой формы и критерия ее прочности;

- разработка методики определения минимального времени заливки вакуум но-пленочных ф орм для расчета и конструирования литниковых систем;

- разработка конструкций опочной оснастки, позволяющей снижать величину разрежения в вакуум но-пленочных формах и конструкций многофункциональной подмодельной оснастки;

- разработка системы автоматического контроля и регулирования величины разрежения в вакуум ируем ых ф орм ах на различныхтехнологических этапах полного цикла изготовления отливок.

Целью первого направления является создание ком плекса технической документации, на базе которой инженерно-технические работники отделов главных металлургов и технологических бюро литейных цехов могли бы проектировать технологии без деф ектных отливок, изготавливаем ых в вакуум но-пленочных формах.

Актуальность второго направления связана с вопросам и сохранения прочности вакуум ируем ых ф орм на раз личных этапах технологического цикла изготовления отливок без газовых дефектов и вы бором режимов вакуум ирования с целью эконом ииэнергопотребления оборудованием, задействованным в технологии ВПФ.

Необходимость реализации результатов исследований по третьему направлению обусловлена отсутствием в технологии вакуум но-пленочной форм овки каких-либо принципов, обосновывающих расчет и конструирование литниковых систем для вакуум но-пленочных форм. Предложение выбора миним ального времени заливки вакуум ируем ых форм на основе расчета их врем ени «живучести» при разгерм етиз ации во врем я з аливке ф орм расплавом, дает основание для расчета элем ентов литниковых систем по существующим классическим м етодикам .Экспериментальная проверка заливки вакуум но-пленочныхформ политниковым системам,рассчитанным исконструированным по предложенной методике, показала ее состоятельность, что подтверждается значительным выходом годныхотливок(до92%).Приэтом размеры поперечных сечений элем ентов литниковы х систем м огут быть ум еньшены, по сравнению с песчано-глинистым и ф орм ам и, на 15 - 35% в зависим ости от вида сплава.

Четвертое направление связано с разработкой и созданием конструкций опокдля вакуум но-пленочной формовки с измененным профилем внутренних стенок,которые расширяют возможность снижения разрежения впоровом объеме песчаного наполнителя на этапе заливки форм расплавом для уменьшения вероятности образования газовых дефектов в отливках. Конструкторские разработки по дальнейшем у усовершенствованию технологической оснастки позволили спроектировать и приступить к изготовлению многофункциональной подм одельной плиты, с помощью которой возможно изготовление вакуум но-пленочныхформ различных типоразмеров на одном формовочном столе,что позволило значительно расширить э ксгшуатационные воз м ожностиф орм овочных машин в технологии ВПФ.

Актуальность пятого направления связана с автоматизациейпроцессов контроля и регулирования режимов вакуум ирования ф орм с целью исключения влияния человеческого ф актора на качество ф орм ы и отливок, изготавливаем ых в них.

На экспериментальной базе МГТУ «МАМИ» (1984 - 1987 гг.) были получены научные результаты, которые леглив основу раз работки практических рекомендаций по изготовлению отливок без газовых дефектов в вакуумно-пленочных формах, использованных ВНИИПТуглемашем (ФГУП «НИИТуглем аш»)в проекте ЛПТ-45.0000000 технического перевооружения литейного цеха Ново-Карагандинского машиностроительного завода ПО «К АРГОМ АШ», разработанного по тем е 4192066000 «Разработка проекта технического перевооружения литейных цехов ПО «КАРГОМАШ» ВПО «СОЮЗУГЛЕМ АШ» Минуглепрома СССР.

По результатам исследовательских работ разработана оснастка для изготовления литейных форм методом вакуумной формовки (АС СССР №1276427). Оснастка - подм одельная вакуум ируем ая полость, позволяет осуществлять смену модельных плит без переналадки форм овочных столов. Рабочие чертежи оснастки приняты научно-производственным отделом управления главного м еталлурга по литейному производству ПО ЗиЛ (1986 г.)для ее изготовления с последующим применением в производстве отливок методом ВПФ.

Совм естно с ОГМ з-да «Амурлитмаш» (ООО «Тигель»)г. Ком сом ольск-на-Амуре.МГТУ «МАМИ» г. Москва иКнАПИ (КнАГТУ, Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет) (1983 — 1988 гг.) был разработан проект и из готовлена установка вакуум но-пленочной ф орм овки. В ходе промышленного освоения оборудования итехнологииВПФв литейном цехе Хэ 1 з-да «Ам урлитм аш», с использованием м етодики прочностных расчетов, была отработана технология изготовления вакуумно-пленочных форм иполучена партия г одных отливок из С Ч 20 и В Ч 42-12, отвечающих по с вое му качеству ТУ цеха. ОГМ, для практического использования, переданы технологические

инструкции по определению минимально допустим ой величины разрежения в ф орм ах с учетом свойств ф орм ообразующегом атериала иразм еров опок. Годовой эконом ическийэффект от внедрения оборудования ВПФ и технологических инструкций по итогам 1988 года составил 58263 руб.

По результатам научно-исследовательских работ на кафедре «Машины и технология литейного производства» КнАГТУ (2005 -2006 гг.)на ООО «Тигель», для промышленного использования передан проект и сопроводительная техническая документация на устройство по регулированию величины разрежения в вакуумно-пленочных формах (патент Яи № 2246373 С2). Устройство прошло предварительное испытание и планируется к внедрению в сентябре - декабре 2006г, эконом ический эфф ект от внедрения устройства составит 148474 руб. в год.

Обширный экспериментальный материал, полученный на опытно-промышленной установке МГТУ «МАМ И», с одной стороны, подтвердил основные теоретические положения, разработанные в данной диссертации, с другой-явился основойдля дальнейшего углубления этих положений. Успешное освоение технологии ВПФ на базовом участке литейного цеха №6 МПО «Станколит» (1987 г.), на установке ВПФ м одели Э-75, позволило изготавливать отливки технологической оснастки типа «Кокиль» сем и наим енований в опоках 1050x980x150/300, развесом 38-52 кг. Использование научных положений и практических реком ендаций при из готовлении отливок в вакуум но-пленочных формах позволило получать отливки с выходом годного 82 %.

При проведении совм естны х научно-исследовательских работ (2004-2005 гг.) ОАО «Хабаровский завод отопительного оборудования» г. Хабаровск и К нАГТУ были разработаны ипереданы ОГМ завода технологические инструкции и методики для расчета минимально допустимой величины разрежения в вакуум но-пленочных формах. В результате промышленного освоения практических реком ендаций и предложенных методик в радиаторно-котельном цехе на базовом оборудовании участка ВПФ была изготовлена партия отливок «Колосник» массой 48 кг для нагревательных котлов, которые не им ели дефектов согласно требованиям ТУ предприятия иГОСТ1583-93.Годовойэконом ический эффект составил 196874,22 руб.

На производственной базе литейного цеха № 22 ОАО «КнААПО» (Ком сом ольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им .Ю.А. Гагарина) в ходе совместных работ (с 2002 г.)с КнАГТУ был получен обширный научно-исследовательский м атериал. На основании полученных результатов разработаны технологические инструкции итиповойтехнологический процесс (Г.т.п.)по изготовлению отливок из алюм иниевых сплавов АМ4,5Кд, АК7ч и АК8л. Разработано и прошло промышленное опробование устройство для из г отовления вакуум но-пленочны х ф орм (патент Я и 2242324 С 2). Раз работана и используется опока с измененной геометрией внутренних стенок,

способствующих снижению величины разрежения в форм ах с общим годовым экономическим эффектом 954976,08руб.

Пом атериалам технологического процесса снят в ф орм ате DVD ф ильм, демонстрация которого проходила на IX-ом Московском международном салоне пром ы шленной собственности «Архим ед 2006» 28 - 31 м арта 2006 г. и на ХП-ом международном форуме «ВысокиетехнологииXXIвека»24-27апреля 2006г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследования технологии В ПФ, позволили раз работать обобщенный механизм образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуум но-пленочных ф орм ах, который развивает существующие представления об образовании данного вида брака и определяет области применения технологических факторов, выход за пределы которых провоцирует газообразование в отливках.

2. Выявлена закономерность поведения полимерной пленки, которая заключается в том, что пленка не термодестругирует полностью в момент попадания в рабочую полость первых порций расплава, а сгорает лишь в местах непосредственного контакта с ним. Приэтом пленка, оф орм ляющая потолочную часть рабочей полости формы и находящаяся под воздействием теплового излучения с зеркала расплава и конвективного теплообмена, размягчается и становится газопроницаем ой, только при достижении расплавом определенного уровня. Этот уровень находится в прям ой завис им ости от вида м еталла и его температуры заливки.

Так, для алюминиевых сплавов расстояние от зеркала расплава до потолочной части рабочей полости ф орм ы в м ом ент начала ее разгерм етизации (газ опроницае м ости пленки)составляет 8 -10 м м, а при з аливке вакуум иру ем ой формы чугуном —21 —23 мм.

3. Э ксперим ентально установлено, что воз никновению брака отливок в виде газовых включений предшествует резкое падение газового давления надзеркалом расплава, особенно на з авершающей стадии заполнения рабочей полости ф орм ы. Резкому падению абсолютного газового давления способствует разгерметизация потолочной части формы под действием температуры заливаем ого расплава.

4. У становлено, что образ ованию газ овой пористости и газ овы х раковин в отливках, изготавливаемых по технологии В ПФ, способствуют газы экзогенного (прорыв атмосф ерного воздуха по неплотностям в разъеме форм ы и газы, выделяющиеся из стержнейвпроцессезаливкиформы расплавом)иэндогенного (газы, растворенные в металлах)происхождения.

5. Установлено, что из числа исследованных технологических факторов,

оказывающих влияние на процесс газообразования в отливках, дом инирующее влияние оказывает величина разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя формы на этапе ее заливки расплавом.

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что на образование газовых дефектов в отливках негативное влияние оказывают неоправданно завышенная величина разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя ф орм ы на этапе заливки ее расплавом, повышенная температура заливки расплава, массивные части отливок, отсутствие в форме выпоров или открытых прибылей, неоправданно завышенная скорость заполнения рас плавом рабочей полости ф орм ы. При этом тем пература з аливки алюм иниевых сплавов в вакуумно-пленочные формы должна быть снижена на 20—25 °С по сравнению с температуройихзаливки в сырые песчано-глинистые формы (ПГФ), а тем пература заливки чугунов должна быть снижена на 40-50 °С по сравнению с реком ендуемой для заливки ПГФ.

6. Расширено научное представление о механизме сохранения прочности вакуумно-пленочнойформы на этапах формообразования изаливкиформы расплавом. Теоретически обосновано и эксперим ентально подтверждено, что на этапе формообразования прочность песчаного наполнителя формы пропорционально зависит от величины разрежения в его поровом объеме. На этапе сборки формы, на состояние прочности песчаного наполнителя оказывает влияние величина ускорения, с которым исполнительные механизмы формовочного комплекса перемещают форму в пространстве. При этом силы инерции,возникающие в массиве наполнителя форм ы, совм естнос его весом, стремятся вывестипесчаныйнаполнитель из состояния равновесия инарушить его геометрическую целостность.

Определено, что на этапе заливки вакуум ируем ой формы расплавом, ее целостность (прочность) обеспечивается перепадами давлений в слоях огнеупорного наполнителя, которые в свою очередь зависят от газопроницаем ости граничного слоя, которая должна быть не более 10^ 1 ед.

7. Теоретически определен критерий прочности вакуум но-пленочной формы, который представляет собой перемещения граничного на ладе формы слоя. Приэтом величина перемещения данного слоя не должна превышать половины припуска на м еханическую обработку обрабатываем ых поверхностей отливки. Установлено и эксперим ентально подтверждено, что сжимающие напряжения в массиве песчаного наполнителя формы уменьшаются от лада и контрлада к ее средней части по вы соте. При этом ордината точки м иним альных напряжений (вдоль высоты опоки)зависит от размеров опокииконф игурацииее внутренних стенок, величины разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя, плотности его набивки на стадии форм ообразования, величины внешнего трения песка о стенки опоки и ускорения перем ещения формы в пространстве. Целостность песчаного наполнителя вакуум но-пленочной форм ы

будет обеспечена, если ордината точки м иним альных напряжений по высоте формы не совместится с ладом полуформы.

8. Разработаны математические модели одномерного и объемного напряженного состояния вакуумно-пленочной формы, реализованные в програм мах для ЭВМ, на основе которых разработана и внедрена на ОАО «КнААПО» методика определения критерия прочности вакуум но-пленочной формы для этапа формообразования,учитывающая величину разрежения в поровом объем е песчаного наполнителя, габариты опок, свойства песчаного наполнителя иускорения срабатывания исполнительныхтранспортныхустройств формовочного комплекса. Анализ результатов численных решенийзадачобеих моделей показ ал, что кривые распределения напряжений по высоте вакуум но-пленочной формы, полученные от решения одномерной задачи, качественно совпадают с кривыми распределения напряжений по оси Ъ при решении объем ной задачи. При этом расхождение значений ординаты точки перегиба кривых напряжений в обоих случаях, при прочих равных условиях, но при разрежении 20 кП а, составляет в среднем 17,4 %, а при разрежении 50 кПа-11 %.

9. На основе объем ной м атем атической м одели напряженного состояния вакуум ируем ой формы определена зависимость минимально допустимой величины разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя от угла наклона внутренней стенки опоки. Установлено, что угол наклона внутренней стенки опоки(от середины ее высоты к ладу) должен быть равен 15°-20°. Дальнейшее увеличение угла наклона стенки приводит к сокращению полезной площади опоки в свету, а ум еньшение данного угла к снижению эф ф ективности работы стенки опоки и повышению величины разрежения в наполнителе формы. На уровне изобретения раз работай проект, изготовлена ииспользуется на ОАО «КнААПО» опока для вакуумно-пленочных форм .

10. На уровне изобретения разработан проект и конструкция устройства для автоматического слежения и регулирования величины разрежения в поровом объеме песчаного наполнителя вакуум ируем ой формы на различных этапах технологического цикла изготовления формы и отливки в ней. Конструкция внедрена на заводах ОАО «ХЗОО» (г. Хабаровск) и ОАО «КнААПО» (г. Комсомольск-на-Амуре).

11. Раз работана м атем этическая м одель и програм м а для ее реализации на ЭВМ, моделирующая процесс разупрочнения вакуум но-пленочной формы на этапе заливки ее расплавом, учитывающая фильтрационные особенности граничного с рабочей полостью слоя. При численной реализации данной м одели стало воз м ожным рассчиты вать врем я «живучести» вакуум но-пленочной ф орм ы на этапе проектирования ее технологии, что существенно облегчает вы бор времени заливки формы расплавом приконструированииэлементов летниковой системы.

12. Разработаны технологические инструкциииТ. т. п. по изготовлению

отливок, м етодом вакуум но-пленочной ф орм овки. Инструкции иТ.т. п. приняты к внедрению на О АО «К нА АПО» им. Ю.А. Гагарина, г. К ом сом ольск-на-Амуре и ОАО «ТЭМЗ» им. В.В. Вахрушева г. Томск.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Иванов В.В. Изготовление литых заготовок в авиастроении // Монография, «Дальнаука»,- Владивосток.-2003. - 616 с.(В соавт. Муравьев В.И., Якимов В.И., РиХосен, Войтов В.Н., МарьинБ.Н., Евстигнеев А.И., Паниван В.П.).

2. Иванов В .В. Теория и практика изготовления отливок в вакуум но-пленочных форм ах //Монограф ия, «Дальнаука», - Владивосток. -2006. -252 с.

3. Иванов В.В. Подбор материала моделей для вакуум но-пленочной формовки//Современные методы изготовления форм и стержней в литейном производстве / Сборник научных трудов М ДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, Всесоюзная конференция, - Москва, 1985.-С. 105-109.(В соавт, Орлов Г.М., Благонравов Б.П.).

4. Иванов В .В . Газовая пористость в отливках, получаемых в форм ах, изготавливаемых методом В ПФ//Э.И. Технология и оборудование литейного производства/Отечественныйопыт, Серия 4, выпуск 5,-Москва, 1986.-С, 1-9. (В соавт. Орлов Г.М ., Благонравов Б.П.).

5. Иванов В .В. М еханизм образования газовой пористостив отливках, получаем ых м етодом вакуум но-пленочной ф орм овки // С борник научны х трудов. Прогрессивные технологические процессы и нестандартное оборудование в производстве горных машин/-М.: ВНИИПТуглемаш, 1987.-С. 117-125. (В соавт. Беляков Ю.И., Орлов Г.М ., Благонравов Б.П.).

6. Иванов В.В. Газы в отливках, получаем ых в вакуум ируемых форм ах// Сборник научных трудов. Совершенствование технологических процессов и оборудования в литейном производстве /-Хабаровск.: ХПИ, 1989.-С. 148-156. (В соавт. Орлов Г.М., Благонравов Б.П.).

7. Иванов В.В .Особенности образования газовой пористости в отливках, изготавливаем ых м етодом вакуум но-пленочной ф орм овки//Сборник научных трудов ДВГУ. Развитие м етодов и процессов образования литейных форм и отливок / -Владивосток, 1990.— С. 54-57.

8. Иванов В .В. Особенности критерия прочности вакуум но-пленочной ф ор-мы //Технические средства, м етоды расчета прочностных характеристик, технологии, обеспечивающие надежность и долговечность деталей и конструкций их новых м атериалов в м ашиностроительной, горнодобы вающей и неф тегазовой пром ы шленности: М атериалы М еждународной научно-технической конференции. Часть 1. -Комсомольск-на-Амуре. 1993. -С. 57-59.

9. Иванов В .В. Критерии оценки прочности вакуум но-пленочны х ф орм // Литейное производство. - 1993.-№ 10. - С. 22-23.

10. Иванов В .В. Особенности расчета прочности вакуум но-пленочных ф орм

//Сборник научных трудов. Совершенствование процессов формообразования в литейном производстве/-Комсомольск-на-Амуре, 1994. —С. 67-68.

11. Иванов В .В. В лияние торцевого трения на прочность вакуум ируем ой формы // Сборник научных трудов. Совершенствование процессов формообразования в летейном производстве/-Комсомольск-на-Амуре, 1994.-С. 73-74.

12. Иванов В .В. Особенности и перспективы вакуум но-пленочной формовки // Материалы XIX научно-технической конференции ФГУП «КнА АПО» им. Ю.А.Гагарина (Ком сом ольск-на-Амуре).-М.; «Э ком ». -2001.-С. 111-116. (В соавт. Якимов В.И..Евстигнеев А.И., Калинин А.Т., Я кимов A.B.).

13. Иванов В.В. Особенности заполнения вакуум но-пленочных форм расплавом //Литейное производство.-2001.-№ 12.-С. 15-17.(В соавт.Евстигнеев А.И., М арьин Б.Н.).

14. Иванов В.В. Заполнение вакуум но-пленочных форм расплавом // Литейщик Росс ии.-2002,- № 7-8.-С. 29-31. (В соавт. Благонравов Б.П., Марьин Б.Н., Якимов В.И.).

15. Иванов В.В. Особенности заполнения алюминиевыми сплавами вакуум но-пленочных форм //Металлургия машиностроения.-2003.-№ 3,М.:С. 21 -24. (В соавт. Благонравов Б.П., М арьин Б.Н., Я ким ов В .И., Зелинский В .В.).

16. Иванов В .В. Особенности рабочего процесса ф орм овочной вакуум но-пленочной машины //Авиационная промышленность.-2004.№ 2.-М.:С.79-83. (В соавт. Я ким ов В .И., М уравьев В .И., М арьин Б.Н., Зелинский В .ВЕвстигнеев А.И.).

17. Иванов В .В. Развитие представления о м еханизм е рабочего процесса форм овочной машины для изготовления вакуум но-пленочных форм // Труды Нижегородского государственного технического университета. Том 42. «Материаловедение и металлургия».-2004.-С. 77-82. (В соавт. Евстигнеев А.И., Якимов В.И., Зелинский В.В .).

18. Иванов В.В. Рабочий процесс формовочной вакуум но-пленочной машины//ИЗВЕСТИЯ высшихучебныхзаведений.ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ.-2004. -№10, М .: М ИСИС. С. 42^5. (В соавт. Евстигнеев А.И., Я ким ов В .И., Зелинский В .В.).

19. Иванов В.В. Объемно-напряженное состояние вакуум но-пленочной формы и расчет стенок опоки на прочность//Литейное производство.-2004, -№ 12. - С. 21-22. (В соавт. Олейников А.И.).

20. Иванов В.В. Управление режимом вакуум ирования в вакуум но-пленочной форме //Труды седьмого съезда литейщиков России. Новосибирск. Том П.,2005.-С. 106-110.(В соавт.Евстигнеев А.И.,МарьинБ.Н.,ЯкимовВ.И., Зелинский В .В.).

21. И ванов В.В. Брак отливок, изготавливаемых в вакуум но-пленочных форм а, и меры по его предупреждению//Литейное производство.-2005,- № 5.-С. 20-22. (В соавт. Евстиг неев А -И., М арьин Б.Н., Я ким ов В .И., Зелинс кий В .В.).

22. Иванов В .В. Об объем но-напряженном состоянии вакуум но-пленочной формы//Литейное производство.-2005. -№ 7. -С. 11-14. (В соавт. Евстигнеев А.И., Карпов А.И., Могильников Е.В .).

23. Иванов B.B. О необходимости управления режимом вакуумирования вакуумно-пленочных форм // Литейное производство. - 2005. - № 8.- С. 22-24. (В со авт. Евстигнеев А.И., Марьин БЛ., Якимов ВН., Зелинский В.В.).

24. Иванов В.В. К вопросу о газовых дефектах в отливках, изготавливаемых в вакуу мно-rrn еноч ных формах // «Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в Дальневосточном регионе и странах А TP» Материалы Международной научно-практичесюэй конференции. — «КнАГТУ», Комсомольск-на-Амуре.-2005.- С. 14-16.

25. Иванов В.В. Конструктивные особенности опок для вакуу мно-пл еноч ньк форм // «Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в Дальневосточном регионе и странах А TP» Материалы Международной научно-практической конференции. - «КнАГТУ», Комсомольск-на-Амуре. - 2005.- С. 48-50.

26. Иванов В.В. Опыт изготовления авиационных отливок вакуу м-пленочной формовкой (В со авт. Евстигнеев АЛ., Зелинский В.В.). // «Литейное производство» - 2006.- №7. С. 19-21.

27. Иванов В.В. Влияние геометрии внутренних стенок опоки на величину разрежения в вакуумно-пленочных формах (В со авт. Евстигнеев АЛ., Могалышков Е.В., Зелинский В.В.). // «Литейное производство» - 2006. - №8. С. 12-14.

28. А.с. № 1276427, СССР, МКИ3 В22 С9/02 Оснастка для изготовления литейных форм методом ва^умно-пленочной формовки / Г.М. Орлов, В.В. Иванов, БЛ.Благонравов, B.C. Сенин. - № 3922861/22-02; заявл. 05Д7.85; опубл. 15.12.86,Бюл.№46.:2 ил.

29. А с. № 1315109, СССР, МКИ3 В 22 С 9/02 Устройство для нанесения пленки на модель при вакуумной формовке / Г.М. Орлов, ВА. Сазонов, В.В. И вано в, А Л. Трухов, Б Л. Бл агонр аво в. - № 4020467/31-02; заявл. ЗОЛ 1.86; опубл. 07Л6.87,Бк>л.№21.:2 ил.

30. А. с. № 1324749, СССР, МКИ3 В 22 С 23/00, 9/02 Устройство для определения технологических свойств литейной формы / Г.М. Орлов, В.В. Иванов, ВА. Сазонов, БЛ. Благонравов. - № 4062443 / 31-02; заявл. 25Ш.86; опубл.23J0757,Бюл.№27.:2 ил.

31. Иванов В.В. Программа - «Моделирование процесса уплотнения литейных форм» // Св. об официальной регистрации программы для ЭВМ. №990908. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ. - М.: - 16 декабря 1999 г.(Всоавт. Евстигнеев А Л., ДмитриевЭА.).

32.Пат. №2242324.Российская Федерация. МПК7 В22 С 9ЮЗ.Устройство • для изготовления вакуумно-пленочных форм / Иванов В.В., Якимов В.И., Дмитриев ЭА., Марьин БН., NfypaBbeB ВЛ., Калинин А.Т., Якимов AB.: Заявитель и патентообладатель ФГУП «КнААПО» им. ЮА. Гагарина. - № 2002132286/02; заявл.02.12 Л2;опубл.20.12Х)4. Бюл. 35.: ил. 1.

33. Пат. №2246373. Российская Федерация. МПК7 В 22 С 9/03. Устройство для управления давлением в литейной форме / Иванов В.В., Дмитриев Э.А., Якимов ВЛ., Марьин БЛ., К^равьев ВЛ., Калинин А.Т., Якимов A.B.: Заявитель

и патентообладатель ФГУП «КнААПО» им. ЮА. Гагарина. - № 2002123830/02; заяви. 05.09 J02; опу бл. 20.02 Й5. Бюл. 5.: ил. 1.

34. Пат. № 2263720. Российская Федерация. МПК7 С 22 В 9/10, С22 С 1 А)6. Способ обработки алюминиевых сплавов / Якимов ВН., Паниван ВЛ., Косицын ВА., С^зьмэ Н.В., Якимов A.B., Гу^равьев ВМ., Заплетин МА., Иванов В.В.: Заявитель и патентообладатель ФГУП «КнААПО» им. ЮА. Гагарина - № 2003136212/02; заявл. 15.1203; опубл. 10.11.05. Бюл. 31.: ил. 4.

35. Заявка № 2005100328/02(000348) от 11Й12005. Подмодельная вакуумируемая плита для изготовления вакуумно-плточных литейных форм. //В.В. Иванов, ЭА. Дмитриев, АЛ. Евстигнеев, и др. Положительное решение от 27ЛЗ 2006. Датаначалаотсчетасрокадействияпатента 11Ю12005.

Иванов Виктор Валентинович.

«Теоретические и технологические основы изготовления качественных отливок в вакуумно-пленочных формах». Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Комсомольск-на-Амуре, «КнАГТУ», 2006.40 с.

Подписано в пея ать 09.10.2006.

Формат60 х 84 1/16. Печать офсетная.

Усл.печ.л.2,32. Уч.-изд. л.2,30. Тираж 100.Заказ 20059.

Полиграфическаялаборагория Государственною образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комоомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Ко моо мол ьск-на- А мур е, пр. Ленина, 2 7.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНОЙ ФОРМОВКИ.

1.1. Содержание технологического процесса.

1.2. Область применения способа.

1.3. Герметизирующие покрытия для вакуумно-пленочных форм.

1.4. Виды брака отливок.

1.5. Представления о механизмах образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумируемых формах.

1.6. Формовочный песок - как материал вакуумно-пленочной формы.

1.7. Прочность вакуумно-пленочной формы.

1.8. Опоки для вакуумно-пленочных форм.

1.9. Выводы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ДЕФЕКТОВ В ОТЛИВКАХ.

2.1. Движение расплава в полости вакуумируемой формы и ее газовый режим.

2.1.1. Исследование термодеструкции полимерной пленки, оформляющей рабочую полость вакуумируемой формы в процессе заполнения ее расплавом.

2.1.2. Влияние разрежения в порах наполнителя вакуумируемой формы на ее газовый режим и образование газовых дефектов в отливках.

2.2. Образования газовых дефектов в отливках.

2.3. Моделирование процесса проникновения атмосферного воздуха по разъему формы в заливаемый расплав.

2.4. Методика измерения параметров вакуумно-пленочной формы.Л

2.4.1. Методика определения газового давления в рабочей полости вакуумно-пленочной формы во время заливки ее расплавом.

2.4.2. Методика исследования влияния технологических факторов на образование газовых дефектов в отливках.

2.4.3. Исследование влияния дегазации расплава перед заливкой его в вакуумно-пленочную форму на качество отливок.

2.4.4. Исследования влияния герметизации разъема формы на образование газовых дефектов в отливках.

2.4.5. Методика проведения полного факторного эксперимента.

2.5. Интерполяционные модели образования газовой пористости в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах.

2.6. Анализ результатов исследования влияния технологических факторов на образование газовых дефектов в отливках.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНОЙ ФОРМЫ.

3.1. Основы теоретического анализа напряженного состояния литейной формы.

3. 2. Анализ состояния вакуумно-пленочной формы на технологических этапах.

3.3. Силы и напряжения в вакуумно-пленочной форме на стадии формообразования.

3.4. Уравнения напряженного состояния.

3.5. Критерий оценки прочности вакуумно-пленочной формы.

3.6. Определение минимально необходимой степени разрежения.

3.7. Методика исследования напряженного состояния вакуумнопленочной формы на стадии формообразования.

3.8. Фильтрация газа через песчаный наполнитель вакуумируемой формы, как недеформируемую пористую среду.

3.9. Механизм сохранения прочности вакуумируемой формы на этапе заливки ее расплавом.

3.10. Анализ напряженно-деформированного состояния вакуумно-пленочной формы на этапе заливки ее расплавом.

3.11. Выводы.

ГЛАВА 4. ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНОЙ ФОРМЫ.

4.1. Объемно-напряженное состояние вакуумно-пленочной формы.

4.2. Дифференциальные уравнения равновесия.

4.2.1. Первый этап формообразования (статическое состояние).

4.2.2. Второй этап формообразования (снятие полуформы с модельной плиты, транспортировка полуформ).

4.2.3. Напряженное состояние вакуумно-пленочной формы во время заливки ее расплавом.

4.3. Методика решения задачи объемной прочности вакуумно-пленочной формы.

4.4. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния вакуумируемой формы.

4.5. Влияние геометрии внутренних стенок опоки на величину разрежения в вакуумно-пленочных формах.

4.6. Выводы.

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ ВПФ.

5.1. Изготовление отливок в условиях литейного цеха МПО (ОАО) «Станколит».

5.2. Изготовление отливок в условиях литейного цеха

ОАО «КнААПО».

5.2.1. Изготовление отливок панельного типа.

5.2.2. Изготовление отливок повышенной сложности.

5.3. Выводы.

ГЛАВА 6. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНОЙ ФОРМОВКИ.

6.1. Рабочий процесс вакуумно-пленочной машины.

6.2. Управление режимом вакуумирования в вакуумно-пленочной форме.

6.3. Влияние геометрии внутренних стенок опок на режим вакуумирования.

6.4. Выбор оптимального времени заливки вакуумно-пленочных форм для расчета литниковых систем.

6.5. Брак отливок и меры его предупреждения.

6.6. Выводы.

В современном состоянии промышленности России, положительным является уже то, что правительством взят курс на повышение внутреннего валового продукта страны. Выход же отечественной машиностроительной отрасли на мировой рынок во многом будет определяться темпами ее технического и технологического перевооружения. Это в свою очередь должно обеспечить качество и конкуретноспособность выпускаемой продукции.

Современное литейное производство России как составная часть машиностроения находится в постоянном поиске новых решений, способствующих повышению качества литья, снижению его себестоимости за счет снижения энерго- и материалоемкости производства. Разработка новых технологий и оборудования, позволяющего автоматизировать процесс изготовления литейных форм, решили бы ряд проблем отечественного литейного производства. При этом не только экономического плана, но и экологического.

Наряду с жесткими экономическими требованиями к продукции литейного производства, не менее жесткие требования предъявляются и к экологической ее составляющей. В Европе и Азии активно развиваются новые поколения перспективных процессов изготовления форм и отливок в них. Некоторые из них, например, вакуумно-пленочная формовка (ВПФ), получили интенсивное развитие со второй половины 70-х годов, активно заменяя низкоэффективные процессы. При этом в Европе за последние 10 лет резко повысились требования законодательства к экологии литейного производства.

На последнее сегодня обращено повышенное внимание ученых-экологов всего мира, нашедшее свое отражение в Киотском протоколе от 16 февраля 2005 года.

Технология вакуумно-пленочной формовки (ВПФ), сегодня находит достаточно широкое применение, как за рубежом, так и у нас в стране [9, 19,24, 32, 34, 35, 36, 37, 38, 40, 42, 43, 44, 47]. При этом она решает ряд техникоэкономических и экологических проблем, связанных с известными способами изготовления литейных форм и получения в них отливок.

Основные преимущества процесса это сокращение капитальных затрат, связанных с технологией и оборудованием смесеприготовительного отделения, существенное сокращение потерь формовочного материала (песка) при повторном его использовании, возможность изготовления модельных комплектов из дерева, значительное увеличение срока службы модельной и опочной оснастки, фактическое устранение шума при изготовлении форм и при выбивке из них готовых отливок, исключение каких-либо динамических воздействий работающего формовочного оборудования на фундамент цеха, улучшение санитарно-гигиенических условий труда, повышенное качество поверхности (Яг < 80 мкм) и размерной точности (7-9 класс ГОСТ26645-85) отливок, возможность уменьшения толщины стенок отливок и размеров литниковой системы, что в целом снижает вес (до 30%) заливаемого металла в форму, низкая трудоемкость финишных операций, возможность применения способа практически для изготовления отливок из любых сплавов.

Постоянно ужесточающиеся требования к экологически неблагоприятным технологиям, увеличивающим затраты на утилизацию их отходов (отвалы отработанной формовочной смеси) и охрану окружающей среды, заставляют инвесторов в области литейного производства обращать свое внимание на технологию ВПФ. Несмотря на широкое применение метода за рубежом в Российском литейном производстве он по-прежнему внедряется медленно. В первую очередь это связано с недостаточной изученностью процессов, протекающих при изготовлении вакуумно-пленочных форм и формировании в них отливок.

При освоении технологии ВПФ специалисты столкнулись с рядом проблем, которые связаны как с формой, так и с качеством отливок ответственного назначения которые, несмотря на очевидные преимущества метода, не позволили внедрить его достаточно широко и быстро.

Практиками отмечается [38], что основным недостатком данной технологии является ее энергоемкость на этапе формообразования, когда основная доля потребления электроэнергии приходится на вакуумные насосы. Кроме того, в источниках, посвященных исследованиям метода ВПФ [9, 48,49] описываются различные виды брака отливок, основная доля которых (до 60%) приходится на газовые дефекты. В практике изготовления литейных форм методом ВПФ, нередки случаи преждевременного их разрушения, как на этапе формообразования, так и на этапе заливки форм расплавом.

С целью предотвращения преждевременной потери прочности (устойчивости) вакуумируемой формы на различных этапах технологического цикла, стараются создать максимальное разрежение в поровом пространстве ее песчаного огнеупорного наполнителя уже на этапе формообразования. Однако в дальнейшем, это разрежение негативно сказывается на качестве отливок, провоцируя появление в них газовых дефектов и пригара.

Недостаточная изученность процессов, происходящих в вакуумируемой форме на стадии формообразования и при заливке ее расплавом, не позволяет наметить пути устранения указанных недостатков, что сужает область применения технологии вакуумно-пленочной формовки и мешает широкому ее внедрению в отечественное литейное производство.

Работа посвящена научно-технической проблеме повышения качества отливок, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах, снижению их себестоимости, расширению представлений о механизме формирования прочности вакуумируемой формы, совершенствованию конструкций опок для данной технологии и как следствие улучшению санитарно-гигиенических условий труда в отечественных литейных цехах. Кроме того, актуальность вопроса по снижению себестоимости отливок как конечного продукта литейного производства не вызывает сомнений на фоне резкого роста цен на электроэнергию, транспорт и материалы. По данным зарубежных фирм [37], применяющих технологию ВПФ, себестоимость отливок, изготавливаемых в вакуумируемых формах, может быть снижена на 30% по сравнению с отливками, изготавливаемыми в песчано-глинистых форма.

Значительный вклад в разработку отдельных аспектов технологии ВПФ внесли зарубежные и отечественные ученые Вернинг X., Вебер Ф., Ryojiro К., Hasegawa К., Aizawa Т., Watanake A., Cooper В., Miura Т., Schneider Р. Рабинович Б.И., Орлов Г.М., Кузнецов В.П., Усанов Г.И., Воздвиженский И.В., Борисов В.А., Гавришин А.Н., Лапшин A.B., Солнышков М.Ю., и др. Научные труды этих исследователей в целом предварили постановку научной задачи о повышении качества отливок и прочности вакуумно-пленочной формы путем регулирования режимов ее вакуумирования.

На необходимость исследования обозначенной проблемы указывало отсутствие механизмов, объясняющих образование газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах. Кроме того, разнообразие мнений о механизме формирования прочности вакуумно-пленочных форм на различных этапах технологического цикла изготовления отливок, отсутствие единого системного подхода к определению минимально-необходимой степени разрежения в формах и влияния величины разрежения на качество отливок затрудняет процесс внедрения данной технологии в отечественное литейное производство. Отсутствие описания объемного напряженно-деформированного состояния песчаного огнеупорного наполнителя вакуумируемой формы сдерживало разработку конструкций опок, позволяющих удерживать наполнитель формы в статическом состоянии при минимально допустимой величине разрежения.

Единый подход к согласованию технологических параметров формы, конструктивных особенностей модельно-опочной оснастки с режимами вакуумирования на различных технологических этапах, представляет несомненный научный интерес и является актуальным, поскольку на его основе становится возможным создание перспективных конструкций формовочных вакуумно-пленочных машин и модельно-опочной оснастки, соответствующих современным требованиям предъявляемым к качеству литья, к расходам формовочных материалов, производительности формовочного оборудования, и санитарно-гигиеническим условиям в литейных цехах.

Целью работы является повышение качества отливок, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах, на основе рационального выбора параметров технологического процесса, разработка технологических и конструкторских решений, обеспечивающих повышение производительности формовочного оборудования, снижение себестоимости литья и расширение области применения метода.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие основные научные, технологические и конструкторские задачи:

1. Обобщение и развитие научных представлений о механизме образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумцо-пленочных формах.

2. Исследование кинетики заполнения вакуумно-пленочных форм расплавом и влияния ее газового режима на образование газовых дефектов в отливках.

3. Проведение комплексного анализа технологических факторов и их ранжирование по степени влияния на образование газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах.

4. Обобщение и развитие научных представлений о механизмах сохранения прочности вакуумно-пленочной формы с учетом свойств ее огнеупорного наполнителя и размеров опоки на этапах технологического цикла изготовления отливок.

5. Разработка научно-обоснованной методики определения минимально-допустимой степени разрежения в вакуумных формах с учетом свойств ее огнеупорного наполнителя, размеров и конструкций опок опоки.

6. Проведение сравнительного анализа экспериментально-промышленных исследований и внедрение положительного опыта в практику изготовления отливок без газовых дефектов по технологии вакуумно-пленочной формовки.

7. Разработка комплексных научно-обоснованных практических рекомендаций по изготовлению отливок без газовых дефектов в вакуумно-пленочных формах.

На защиту выносятся следующие основные положения.

Автор защищает научные основы проблемы повышения качества отливок, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах и прочности вакуумно-пленочной формы на различных этапах технологического цикла, а именно:

- теоретические основы образования газовых дефектов в отливках, изготавливаемых в вакуумно-пленочных формах и методы их предупреждения;

- теоретические и практические закономерности, характеризующие качество отливок от влияния комплекса технологических факторов, влияющих на образование газовых дефектов;

- механизм сохранения прочности вакуумно-пленочной формы на этапах формообразования и заливки формы расплавом;

- теоретические представления о критерии прочности и выборе минимально-необходимой величины разрежения в вакуумно-пленочной форме;

- зависимости между величиной разрежения в форме ее прочностью и конструктивными особенностями опочной оснастки.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту Международной академии минеральных ресурсов Евстигнееву А.И., за постоянное внимание при выполнении и представлении работы, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ Кабалдину Ю.Г., доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Одинокову В.И., доктору технических наук, профессору Олейникову А.И., заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Трухову А.П. и кандидату технических наук, профессору Московского государственного технического университета «МАМИ» Благонравову Б.П., за ценные замечания в написании работы. Автор выражает свою благодарность доктору технических наук, профессору Карпову А.И., доктору технических наук, профессору Марьину Б.Н., кандидату технических наук, доценту Могильникову Е.В., начальнику литейного цеха ОАО «КнААПО» Зелинскому В.В., работникам ОАО «ХЗОО», ОАО «ТЭМЗ» за активную помощь, оказанную в выполнении исследований, внедрении результатов в производство и оформлении работы.

Работа выполнялась в литейных цехах заводов ОАО «Амурлитмаш» -г.Комсомольск-на-Амуре, МПО «Станколит» - г.Москва, ОАО ХЗОО -Хабаровский завод отопительного оборудования, ОАО «КнААПО» - г. Комсомольск-на-Амуре, ОАО «ТЭМЗ» - Томский электромеханический завод им. В.В. Вахрушева, а так же в лабораториях кафедр литейного производства МГТУ «МАМИ» - г. Москва и КнАГТУ - г. Комсомольск-на-Амуре.

Заключение:

1. Механические свойства отливок № 1.1 и № 2.1 соответствуют ГОСТ 158393. По марке материала все отливки соответствуют ГОСТ 1583-93.

2. По ГОСТ 1583-93 значения газовой пористости находятся в допустимых ределах.

Г с>Г/г«?&* ?/УфЭ&е гам

Начальник ЦЗЛ Костин А.И.

Начальник лаборатории & уС^Т^- Мельничук А.Ф. ф. 270.76 цзл ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ & Заказчик у

-/У » 2005П № чб^а млот кЛя твн Дата ж/Л

Характеристика и заключение

•^уш^/Ш / ^зШлищ- м^лгплол/

О^^УУиГи МСи /УЬЦ/ЖШетЛи ^гьии^и^Ш^. 7 хУ!л Смллаш, иСт^ти- ? ¿^ сею^сьииО^Г Л йм&ии ГОСТ

СО Начальник центральной лаборатории — /

Начальник ла6°^Р"и ^^¿^^¿У з. 1717

ОГМт Форма 270.23 67

ЦЗЛ 22 » февраля 2006 г.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ №182 ЗаказчщШ Образцы АМ 4,5 кд. ' № с/з 86

4 ШТ. Дата:

Характеристика структуры и заключение

Макроанализом образцов: 1. 11.2000.7.040.001 - п/ф

2.11.2000.7.850.001 - ВПФ

3.11.2000.7.040.001 - п/ф Режим обработки

4.11.2000.7.850.001 - ВПФ Режим обработки +

УСТАНОВЛЕНО: В макроструктуре образцов дефектов нет. Газовая пористость ниже 1 балла, ГОСТа 1583-93. а) б)

Рис. 1. Макроструктура образца №4: а) - травление 15% водным раствором КаОН, б) - реактивом "цветник"

Начальник лаборатории у// ельничук А.Ф.

1. Справочник по чугунному литью. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.:Машиностроение, 1978. - 758 с.

2. Яковлев А.Д., Здор В.Ф., Каплан В.И. Порошковые полимерные материалы и покрытия на их основе. Л.: Химия, 1979. - 348 с.

3. Цытович Н.А. Механика грунтов. 3-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 1979.-269 с.

4. Безухов Н.И. Теория сыпучих тел. - М.: Госстройиздат, 1934. - 498 с.

5. Соколовский В.В.. Статика сыпучей среды. 3-е изд., доп. - М.: «Физико-математическая литература», 1960. - 242 с.

6. Рабинович Б.В. Последовательное прессование. «Литейное производство», № 4,1974. - 27.

7. Орлов Г.М. Автоматизация и механизация процесса изготовления литейных форм. - М . : «Машиностроение». 1988.- 258 с.

8. Минаев А.А., Ноткин Е.Б., Сазонов В.А. Вакуумная формовка. - М.: «Машиностроение». 1984. - 216 с.

9. Фадеев B.C., Формуемость пластичных дисперсных масс. - М.: «Госстройиздат», 1961. - 315 с.

10. Повиков В.У. Полимерные материалы для строительства. - М.: «Высшая школа», 1995. - 268 с.

11. Энциклопедия полимеров М.: Советская энциклопедия. Т. 2. ,1974.

12. Иванов В.В. Критерии оценки прочности вакуумно - пленочных форм. «Литейное производство», 1993. JV» 10. - 22.

13. Иванов В.В., Благонравов Б.П., Марьин Б.Н., Якимов В.И. Заполнение вакуумно-пленочных форм расплавом // Литейщик России. 2002.№7/8. - 29.312

14. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. Издание 2-е, переработ. И дополненное. - М.: «Машиностроение», 1977. - 504 с.

15. Аксенов П.Н. Литейное производство. Издание 3-е, - М.: МАШГИЗ, 1950.-546С.

16. Усанов Г.И. Исследование механизма формирования прочности песчаных вакуумируемых форм без связующего. Дисс. на соиск. Учен, степениканд. техн. наук. -М. : МАМИ, 1978.

17. Воздвиженский В.М., Матвеенко И.В., Борисов В.А., Ахвледиани Т.Д. Расчет прочности формы при вакуумно-пленочной формовке. «Литейноепроизводство», ЛГ2б, 1985. - 13-15.

18. Борисов В.А., Лапшин А.В. Особенности механизма упрочнения песчаных вакуумируемых форм. «Совершенствование технологическихпроцессов в литейном производстве». Ярославль, 1983. - 62-66.

19. Минский Е.М. О турбулентной фильтрации в пористых средах. ДАН., СССР, том 73, №3,1951. - 409-412.

20. Аравии В.И., Нумеров Н. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде. - М.: «Машгиз», 1963. - 46.

21. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии Л.: «Химия», 1987,С.15

22. Гавришин А.Н., Солнышков М.Ю. Состав продуктов разложения пленки при литье в вакуумируемые формы. Литейное производство 1986. №9.-С. 13.

23. Hasegawa К., Aizawa Т., Watanake А. Fundamental technigue of vacuum sealed moulding process. - Imono, J. Jap. Foundrymen's Soc, 1974, V.46, N.8, p.672.

24. Кишнев B.B., Иванов B.A., Тохтабаев P.M., Афанасьев A.A. Технические средства автоматики. - М.: «Металлургия». 1981. - 287 с.313

25. Иванов В.В., Якимов В.И., Дмитриев Э.А., Марьин Б.Н., Муравьев В.И., Калинин А.Т., Якимов А.В.. Патент на изобретение >Г22242324.«Устройство для изготовления вакуумно-пленочных форм». 20.12.2004.

26. Горский А.И. Расчет машин и механизмов автоматических линий литейного производства. -М. : «Машиностроение», 1978. - 458 с.

27. Матвеенко И.В., Исагулов А.З., Дайкер А.А. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм.. - Алматы«Гылым». 1998.-345С.

28. Олейников А.И. О модели разномодульной среды с ограничениями // Доклад РАН.- 1994.-Т.334.-№3.

29. Маслов В.П., Мясников В.П., Данилов В.Г.. Математическое моделирование аварийного блока Чернобыльской АЭС. - М.: Наука, 1998. -144 с.

30. Безухов Н.И. Основы теории упругости пластичности и ползучести. - М.: «Высшая школа» 1968. - 499 с.

31. Матвеенко И.В., Тарский В.Л. Оборудование литейных цехов. - М.: «Машиностроение», 1985. - 399 с.

32. ЗАО ИТЦМ «Металлург». Информационный бюллетень, JV» 11,12 (128,129). Москва. Ноябрь, декабрь 2003 г.

33. Российская ассоциация литейщиков. Труды пятого съезда литейщиков России. «Радуница», Москва. 21-25, Май. 2001 г.

34. Кузнецов В.П., Мушна К., Косников Г.А., НирайненВ.Ю. Сравнительный анализ технико-экономической эффективности различныхвидов формообразования при изготовлении крупного стального литья«Литейное производство». № 8. 2004. - 12.

35. Вернинг X., Вебер Ф. Технология вакуумно-пленочной формовки для производства высококачественных отливок. «Литейное производство».№ 8 . 2004.-С. 15.314

36. Буданов Е.Н. Выбор технологии изготовления стальных отливок для железнодорожного вагонного парка. «Литейное производство». JSfe 8.2004.-С. 18.

37. Афанаскин А.В., Верещагин Е.Н. Опыт применения вакуумно- пленочной формовки на заводе точных заготовок ОАО «Курганмашзавод».«Литейное производство». № 8. 2004. - 24.

38. Емельянов А.П. Технология литейной формы. - М.: «Машиностроение», 1979. - 240 с.

39. Буданов Е.Н. Выбор технологии изготовления стальных отливок для железнодорожного вагонного парка. «Литейное производство». JS» 10.2004.-С. 15.

40. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: «Наука», 1978. - 736 с.

41. Cooper В. Hopkinsons Limited Abopt V-process in Steel Foundry Trabe Johmal, 1981,147. May. 7, 810, 815-816, 818-819, 821-824.

42. Schneider P. Das Vakuumformverfahren - Herstellung von Formen mit finderfreiem Sand. "Giesserei", 1973, V.60, .№ 21, s. 661-669.

43. Miura T. Nagoya/Japan. Druckfestigkeit und Pakungsdichte des Sandes beim Vakuumformverfahren. "Giesserei". 1976. V63, JV» 5, s. 101-104.

44. Цытович H.A. Механика грунтов. - М.: «Высшая школа», 1979. 269 с.

45. Yanagisawa Е. Relation between the shear mobulus and void ratio in granular media // Technology Rep., Tohoku Univ. - 1978. - V.43 - .№1. - P. 211 -220.

46. Штандке В. Вакуумная формовка на пути к промышленному внедре нию. «Giesserei» (1979), №19, 697-701 с . Hep. 80/28521.

47. Галдин Н.М. Дефекты отливок из чугуна и алюминиевых сплавов при литье вакуумно-пленочным процессом. «Совершенствованиетехнологических процессов и повышение качества отливок из чугуна ицветных металлов». - Андропов, 1984.- 8-10.315

48. Галдин Н.М. Отливки в точном машиностроении. - М.: «Машиностроение», 1983. -176 с.

49. Буданов Е.Н. О стратегическом развитии современных машиностроительных предприятий. «Литейное производство». JV2 3. 2005. -С. 28.

50. Хейгеман Л., Янг Д. Прикладные итерационные методы. - М.: «Мир», 1986.-448 с.

51. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. - М.: «Наука», 1984.-320 с.

52. Ортега Дж., Рейнболт В. Итерационные методы решения нелинейных уравнений со многими переменными. - М.: «Мир», 1975. - 348 с.

53. Самарский А.А. Введение в численные методы. М.: «Наука» / Главная редакция физико-математической литературы. 1987. - 286 с.

54. Берг П.П. Формовочные материалы. - М.: «Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы», 1963. -408 с.

55. Ухов СБ., Семенов В.В., ЗнаменскийВ.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев СИ. Механика грунтов, основания и фундаменты. 3-е изд., испр. -М.: «Высшая школа», 2004. - 566 с.

56. Ветишка А Теоретические основы литейной технологии под ред. проф. Ващенко К.И. - К.: "Вища школа", 1981 - 318 с.

57. Слицкий. В.Л. Исследование механизма образования газовых рако вин в отливках. Дисс. на соиск. учен, степени канд. техн.наук.-М.: МАШ, 1973.-195 с.

58. Медведев Я.И. Роль газовой фазы в формировании поверхностных дефектов отливок. "Формирование качества поверхности отливок".Труды тринадцатого совещания по теории литейных процессов. -М.: "Наука", 1969.-С. 48.316

59. Рабинович Б.В. Введение в литейную гидравлику. - М.: "Машиностроение". 1966.-423 с.

60. Спасский А.Г. Образование и транспорт газов в литейной форме. Дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. наук., ГНИ, 1961.

61. Гуляев Б.Б. Газы в литом металле. - М.: "Наука", 1964 - 14.

62. Лакомский В.И. В.И.Явойский. Газы в чутунах. - Киев, 1959. - 166 с.

63. Гуляев Б.Б. Газы в литом металле. - М.: "Наука", 1964. -155 с.

64. Спасский А.Г. Основы литейного производства. - М.: "Металлург- издат", 1950. - 248 с.

65. Медведев Я.И. Газовые процессы в литейной форме. - М.: «Машиностроение», 1980. - 195 с.

66. Hasegawa К., Aizawa Т., Watanabe А. Fundamental technigue of vacuum sealed molding process. -Jmono, J. Jap. Faundrymen's soc, 1974, V. 46,№8,p672.

67. Сусуму Канэмори и др. Дефекты отливок, отливаемых в литейных формах под вакуумом. Hep. с японского из журнала «Имоно», 1974, т. 46,№ 4,28-29 с.

68. Нотапов СМ., Старосельский М.А. Нроизводство литья V - процессом. Технология, оборудование, организация. «Центральный научно-исследовательский институт «РУМБ», 1984. -198 с.

69. Солнышков М.Ю., Васильев В.А., Горбунов О.А. Формирование прочности литейной формы нри вакуумно-нленочной формовке. - «Литейноепроизводство». Ко 1.1987. - 16-17.

70. Орлов Г.М. Динамические уплотнения литейных форм. Учебное пособие по дисциплине «Оборудование литейных цехов». - М.: МАМИ,1983.-55 с.

71. Гречаников А.В., Чернигова Е.А. Выбор минимально необходимого разрежения в вакуумно-пленочной форме. «Литейное производство». № 1.1987.-С. 18-19.

72. Рыжиков А.А. Технологические основы литейного производства - М.: «МАШГИЗ». 1962. - 520 с.

73. Ryojiro Копо, Dr. Eng., Takashi Miura and Junichi Tomonaga. Pressure Variations in Vakuum Seald Mold during Pouring. "Jmono". Vol. 48, JVb 3 March,1979.-S. 166.

74. Воздвиженский B.M., Борисов B.A., Серебряков СП. Образование поверхностного слоя при литье в песчаные вакуумируемые формы и влияниеего на качество отливок. Сб. «Прогрессивные процессы и материалы влитейном производстве», Ярославль, 1981 - 108-111.

75. Солнышков М.Ю., Сабралиев Н.С, Васильев В.А. Кинетика газообразования в вакуумируемых формах. «Литейное производство», № 7,1986.-С. 11.

76. Френкель ЯМ. Собрание избранных трудов, т. з.. Кинетическая теория жидкостей. АП СССР. - М-Л. -1959.

77. Добаткин В. И., Габидулин P.M., Колачев Б.А., Макаров Г.С. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах. - М . : «Металлургия», 1976.- 263 с.

78. Иванов В.П. Исследование некоторых факторов, влияющих на процессы газонасыщения и газовыделения в алюминиевых сплавах. - М.:«Гостехиздат», 1963. -168 с.318

79. Фомин B.C. Исследование причин и разработка способов устранения газовых раковин в крупных чугунных отливках погазифицируемым моделям. - М.: «Машиностроение», 1980. - 237 с.

80. Каленов В.П. Влияние некоторых технологических факторов на содержание газов в отливках. Дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. наук.-Л. : ЛПИ, 1961.-218 с.

81. Коротков В.П., Тайц Б.А. Основы метрологии и точности механизмов приборов. - М.: «Машгиз», 1961. - 400 с.

82. В.В. Иванов, А.И. Евстигнеев, В.И. Зелинский, В.В. Якимов. Рабочий процесс формовочной вакуумно-пленочной машины. ИЗВЕСТИЯвысших учебных заведений. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ. .№10, М.: МИСИС.2004. - 42.

83. Корольков A.M. Литейные свойства металлов и сплавов. М.: «Наука», 1967-199 с.

84. Галдин Н.М. Литниковые системы для легких сплавов. - М.: «Машиностроение», 1987. -196 с.

85. Куманин И.Б. Литейное производство. - М.: «Машиностроение», 1971.-320 с.

86. Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. - М.: «Машиностроение», 1976. - 168 с.

87. Макаров Р. А. Тензометрия в машиностроении. - М.: «Машиностроение», 1975. - 287 с.

88. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. - М.-Л.: «Машиностроение», 1965. - 480 с.

89. Трухов А.П., Ершов М.Ю., Леснов В.Н. Методические указания по курсу «Литейные сплавы» для специальности «Машины и технологиялитейного производства». - М . : МАМИ, 1978. - 47 с.

90. Новик Ф.С, Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. - М.: «Машиностроение»,София «Техника», 1980. - 296 с.319

91. Мягков В.Д., Палей М.Л., Романов А.Б., Брагинский В.А. Допуски и посадки. Справочник: В 2-х т., 2-е изд., перераб. и доп. - Д.:«Машинострое-ние», 1982. - 300 с.

92. Константинов П.М., Петров П.А., Высоцкий Л.И. Гидравлика, гидрология, гидрометрия. В двух частях. Часть 1. - Общие законы. - М.:«Высшая школа», 1987. - 301 с.

93. Yanagisawa Б. Relation between the shear modulus and void ratio in granular media //Technology Rep., Tohoku Univ.- 1978. - V. 43. - .№ 1. - P. 211-220.

94. Иванов B.B., Олейников А.И. Объемно-напряженное состояние вакуумно-пленочной формы и расчет стенок опоки на прочность. «Литейноепроизводство». № 12. 2004. - 21.

95. Боровиков В.П., Боровиков И.П. Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. - М.: «ФИЛИНЪ», 1998. - 638 с.

96. Гиршович М. Г. Справочник по чугунному литью. - Л.: «Машино- строение», 1978. - 337.

97. Жуковский С. Прочность литейной формы. - М.: Машиностроение», 1989. - 234.

98. Дарков А.В., Шапошников П.П. Строительная механика: - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: «Высшая школа», 1986. - 607 с.

99. Коцюбинский О.Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок. - М.: «Машиностроение», 1974. - 296 с.

100. В.В. Иванов, А.И. Евстигнеев, А.И. Карпов, Е.В. Могильников. Об объемно-напряженном состоянии вакуумно-пленочной формы// Литейноепроизводство. - 2005. - J\2 7. - 11.320

101. В.В. Иванов, А.И. Евстигнеев, Б.Н. Марьин, В.И. Якимов, В.В. Зелинский. Брак отливок, изготавливаемых в вакуумно-пленочных форма, имеры по его предупреждению // Литейное производство. - 2005. - N2 5.- 20.

102. Иванов В.В. Теория и практика изготовления отливок в вакуумно- пленочных формах // Монография, «Дальнаука», - Владивосток. - 2006.- 252 с.

103. Баландин Г.Ф. Проблемы технологии и повышения эффективности литейного производства.// Изв. вузов. Машиностроение. -1986.-.№2.-С. 3-8.

104. Берг П.П. Формовочные материалы. -М.: Машгиз, 1963.- 408с.

105. Боровский Ю.Ф., Шергин И.В. Сравнительная характеристика Люберецких и Лужских формовочных песков. // Литейное производство. -2000.-№1.-С.21-22.НО. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. -М.:Наука, 1981.-448 с.

106. Варданян Г.С., Андреев В.И. и др. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. -М.: Издательство ассоциациистроительных вузов, 1995.- 148.

107. Вялов С. Реологические основы механики грунтов. -М.: «Высшая школа», 1978. - 596 с.

108. Жуковский С. Формовочные материалы и технология литейной формы. Справочник. -М.: Машиностроение. 1993.-221 с.

109. Зубчанинов В.Г. Основы теории упругости и пластичности. -М.: Высшая школа. 1984. - 435 с.

110. Иванов В.В., Зелинский В.В. Опыт изготовления авиационных отливок вакуумно-пленочной формовкой. // Литейное производство. -2006. -№7.-С. 19-22.

111. Смирнов М.Ю., Голенков Ю.В. Вакуум-процесс производства отливок чугунных ванн в России.// Литейшик России. - 2006. - JSro7. - СП-23.321

112. Чуркин Б.С., Гофман Э.Б., Майзель Г., Афонаскин А.В., и др. Технология литейного производства. - Екатеринбург.: УГТУ-УПИ. 2000. -

113. Дубицкий Г.М. Литниковые системы. - М.; Свердловск: Машгиз, 1962.-256 с.322