Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие производства отливок из алюминиевых сплавов литьём по газифицируемым моделям (ЛГМ) ,
1.1. Характеристика способа 8
1.2. Преимущества способа S
1.3. Из истории развития процесса 9
1.4. Рациональная область применения 12
1.5. Перспективы дальнейшего развития 14
1.6. Выводы по главе 1 16
Глава 2. Аналитический обзор теории и технологии ЛГМ для производства отливок .
2.1. Анализ физической модели ЛГМ 17
2.2. Термодеструкция полистирола 29
2.3. Режимы заливки формы металлом 34
2.4. Вакуумирование формы 44
2.5. Выводы по главе 2 45
Глава 3. Методика проведения экспериментов и обработка опытных данных .
3.1. Материалы и оборудование, применяемые для проведения экспериментов 47
3.2. Методика ло определению заполняемости формы металлом. Проведение эксперимента и обработка опытных данных 49
3.3. Методика исследования слоя формы на границе «форма-зазор »- Проведение эксперимента и обработка опытных данных 61
3.4. Методика определения изменения температуры в зазоре «8». Проведение эксперимента и обработка опытных данных 64
3.5, Методика экспериментального определения величины зазора «о» между расплавом и моделью из ненополистирола. Проведение эксперимента и обработка опытных данных 72
3.6. Выводы по главе 3 74
Глава 4. Теоретический анализ полученных результатов .
4.1 Модернизированная физическая модель процесса 76
4.2. Скорректированная математическая модель процесса 80
4.3. Динамика течения металла в узких каналах 81
4.4. Выводы по главе 4 88
Глава 5. Практические рекомендации результатов работы 90
Общие выводы 94
Библиографический список 97
Приложения 105
- Рациональная область применения
- Режимы заливки формы металлом
- Методика ло определению заполняемости формы металлом. Проведение эксперимента и обработка опытных данных
- Динамика течения металла в узких каналах
Рациональная область применения
ЛГМ-процесс относится к универсальному способу производства отливок. Он применяется как в единичном, так и в серийном, и массовом производствах изготовления отливок из цветных и чёрных сплавов мяссой от нескольких грамм до десятков тонн. Однако, как и любой другой способ производства отливок, он имеет рациональную область применения, которая определяется конструктивной сложностью детали, её габаритам видом сплава и требованиями к качеству [2].
В единичном производстве ЛГМ-лроцесс применяется для получения отливок 1-3 групп сложности при серийности не более 3-4 штук в год и массой до 5 тонн, хотя в отдельных случаях получают отливки и большей массы. В основе подхода к подбору номенклатуры литых деталей в единичном производстве следует исходить из следующих характеристик будущей отливки: вид сплава, конструктивная сложность, равностенность и жёсткость модели из пе но полистирола, трудоемкость изготовления модели и формы, наличие необходимого оборудования и материалов. Равностенность модели определяет качество отливки, ее жёсткость - точность отливки, материал литой детали - возможность получения её литьём по газифицируемым моделям. Наиболее рационально использовать ЛГМ-процесс для производства отливок для ремонтных нужд, экспериментальных отливок, литья инструментальной и штамповой оснастки. В массовом и серийном производстве отливок при выборе номенклатуры литых деталей руководствуются следующими положениями: — отливки должны быть 2-5 групп сложности, которые при их производстве по извлекаемым моделям требуют применения не менее одного сложного стержня; — толщина стенок детали должна быть в пределах 5-20 мм, но не менее 3 мм на 10-кратной длине. Внутренние замкнутые открытые и полуоткрытые полости должны иметь проёмы и отверстия, которые обеспечивали бы заполнение сыпучим материалом при формовке; -желательно, чтобы отношение объёма отливки к её поверхности было бы меньше или близко к единице; -рационально применять ЛГМ-процесс для получения отливок из алюминиевых и медных сплавов» из серого, высокопрочного и легированного чугуна, сред неуглерод истых и хромистых сталей; отливок по массе из чугуна до 50 кг, стали - до 10 кг, алюминиевых сплавов - до 20 кг, из медных сплавов - до 50 кг. При применении вакуума возможно получение отливок простой конфигурации массой до 2000 кг [2].
Окончательное решение о применении ЛГМ-процесса для производства отливок из чёрных и цветных сплавов должно приниматься после технико-экономического обоснования с учётом вышеизложенных положений, технических возможностей производства, капиталовложений и экологии. Наибольшая рентабельность применения ЛГМ достигается при производстве отливок в автомобильной, электротехнической промышленности, для сельскохозяйственного и тракторного машиностроения, т.е. именно в тех отраслях промышленности, где конструкционная сложность деталей сочетается с повышенными требованиями к геометрической точности и чистоте поверхности [2]. Применение вакуума при заливке форм с газифицируемыми моделями [29] позволяет оптимизировать литниковую систему путём использования верхнего подвода металла, обеспечивающего повышенный выход годного за счёт уменьшения массы литниковой системы, снизить температуру заливки и соответственно уменьшить дефекты усадочного характера что невозможно при традиционном процессе ЛГМ из-за нестабильности формы [30]. Использование вакуумирования формы при сифонной заливке блоков мелких деталей позволяет заменить применяемые при традиционной технологии ЛГМ центровой стояк из самотвердеющей смеси пенополистироловым, что значительно упрощает сборку блоков, даёт возможность автоматизировать операцию их простановки в контейнер и формовки модельных блоков [31]. Целесообразен перевод на ЛГМ под вакуумом деталей, изготовляемых из проката с большим объёмом сложной механической обработки, и деталей сложной конфигурации, получаемых по традиционной литейной технологии в гтесчаные формы с применением большого количества стержней типа «корпусов насосов», «ступиц колес», «корпусов редукторов», «опор» и «кояенвалов» [32]. Одним из основных достоинств ЛГМ.прСщесса при вакуумировании формы является существенное улучшен санитарно-гигиенических условий труда на наиболее вредной операцйи - заливке газифицируемых моделей. Вакуумирование формы позволяет локализовать продукты термодеструкции модельного материала, что значительно упрощает задачу их конечной нейтрализации [33,34]. Результаты промышленного освоег%я ЛГМ в производственных условиях подтвердили высокую технико экономичесКуЮ целесообразность требованиям [34]. Если проанализировать рост произв0дства отливок из различных сплавов литьём по газифицируемым моделям с начала его освоения, то можно увидеть, что первоначально в 70-80-х годах происходил значительный рост изготовления отливок %з чёрных металлов, главным образом, из чугуна. Однако уже к концу 80-х годов Начинается рост производства отливок из алюминиевых сплавов. Так, создаются крупные цеха по производству впускных коллекторов для двигателей из алюминиевых сплавов в США («Ford») и в Европе («Fiabv станин электродвигателей в США. В 90-е годы «Genera] Motors» органшует на заводе «Saturn» (Канада) крупный цех по производству блока 4-х цилиндрового двигателя. В 200Ї году фирма «FATA» поставила фирме «Sylacauga» (США) комплексы оборудования, включая установки для регенерации песка для производства головки и блока цилиндров двигателей автомобилей для фирмы «General Motors». Такой же комплекс оборудования поставлен фирме «Fiat» блока и головки блока для автомобилей в Европе, Стремление ведущих зарубежных фирм по применению ЛГМ для производства сложных отливок из алюминиевых сплавов говорит о перспективности данного направления в промышленности и, в частности, в автомобилестроении [35].
Режимы заливки формы металлом
Процесс заливки форм металлом при ЛГМ является определяющим с точки зрения получения качества отливки. На рис.4 представлена физическая модель процесса ЛГМ, согласно которой существует четыре режима заливки формы металлом [2], Первый режим характеризуется скоростью заливки металлом, которая значительно меньше максимальной скорости термодеструкции модели. При данном режиме образуется максимальный зазор «5» и минимальное давление, что может привести, согласно уравнению (1), к обвалу литейной формы и браку отливки (рис.4а). При втором режиме скорость подьёма металла в полости формы близка к максимальной скорости термодеструкции модели. При этом режиме устанавливается равновесие между скоростями подъема металла и скоростью термодеструкции модели. Давление в зазоре «5» и его величина достигнет оптимальных размеров. Режим считается оптимальным, получивший название режим замещения (рис.46). При дальнейшем возрастании скорости металла в полости формы, скорость термодеструкции модели достигает критической величины, которая определяется как предельной скоростью термо деструкции пенополистирола при данной температуре, так и прочностью самой модели на сжатие. Этот режим характеризуется значительным накоплением жидкой фазы в зазоре «д», которая, скапливаясь на зеркале металла, стекает на границу «металл—форма», частично захватывается металлом и продолжает дестругироватц образовывая различного рода дефекты, в том числе газовые раковины в самой отливке (рис.4в). В случае превышения левртягдр жпздьямг .мгааддр & ЖИЙПЛГОТ ,jtejnMbT таї няг.вди лкїрягот термодеструкции модели происходит охват модели металлом, который двигается по линии наименьшего сопротивления между формой и моделью, за счет тепловой усадки пенополистирола.
Данный режим характеризуется нестабильностью процесса, при котором металл охватывает значительные части модели, в результате чего резко возрастает газовое давление, что может привести к выбросу металла из стояка или формирование крупной газовой раковины в отливке (рис.4г). Наиболее благоприятным является режим замещения, который и является оптимальной скоростью заливки формы металлом. Данная модель построена для подвода металла в нижнюю часть модели сифоном. Что касается заливки формы через боковую и верхнюю литниковую систему, то в литературе таких сообщении не имеется. Однако утверждается [2, 49], что при ЛГМ можно подводить металл любыми способами, которое применяются при обычном литье в ПГФ: сифоном, в разъем, сверху. В то же время отмечается, что только при нижнем подводе металла процесс заливки - управляемый. Скорость подъема металла в литейной форме при ЛГМ-процессе определяется уравнением: \i - коэффициент расхода; НР - гидростатический напор металла; Рф - газовое давление в зазоре «5», определяется уравнением (4), На основании данной модели предложена методика определения расчета литниковой системы. При ЛГМ-процессе к литниковым системам предъявляются те же требования, что и при литье в разовые формы [56,57, 58,59,60, 61]: 1. Литниковая система не должна вызывать тепловых и усадочных напряжений в отливках. 2. Расход металла на литниковую систему должен быть минимальным. 3. Литниковая система должна задерживать шлак, воздушные пузырьки, песок и другие инородные включения, захваченные струей металла 4. Металл в полость формы должен поступать спокойной струей, без завихрений. 5. Конструкция литниковой системы должна исключать разрежение в потоке металла. Данная методика расчёта литниковой системы состоит в следующем [62]: 1. Время заливки формы металлом определяется, как высота модели, делённая на оптимальную скорость подъёма металла: , бУтшиодкйда ащюсгь ітсдайш дот&ьга оіт заливки формы металлом в режиме замещения. 3. Площадь сечения узкого места литниковой системы «F» определяется по уравнению Озана; где 2F - площадь сечения: питателя. - в запертой и низа стояка -при открытой литниковой системе; ц - коэффициент расхода для обычного способа литья в ПГФ. Данная методика расчёта литниковой системы является весьма трудно выполнимой, т.к. расчёт давления «Рф» в зазоре «5» представляет собой значительную трудность в силу неизвестности многих факторов, таких как «а», «т», «Т» для различных температур и скоростей заливки форм металлом. Применяют другой метод для расчёта узкого места литниковой системы, когда «Рф» или сопротивление термодеструкции модели учитывается коэффициентом расхода «рг». В этом случае: где р - коэффициент расхода при заливке в полые формы. При заливке сплавов из цветных металлов для определения «и » можно использовать методику, предложенную О.И. Шинским [63], согласно которой коэффициент расхода «цг» зависит от температуры перегрева металла при его заливке в форму «6з» и газопроницаемости покрытия: -при температуре перегрева металла 1,15 9з 1,11: -при температуре перегрева металла 83 1,15: Эта методика имеет существенный недостаток, который заключается в том, что трудно определить газопроницаемость покрытия. Методики для определения газопроницаемости пока нет, а существующие способы её определения недостоверны. Существует также ещё несколько методик расчёта литниковой системы при литье по газифицируемым моделям, разработанных МВТУ, ВНИИлитмашем и др. [64]. Методика МВТУ расчёта литниковой системы (для чугунных отливок) состоит в следующем; расчет ведется, исходя из оптимальной скорости подъема металла в форме и критического (характерного) сечения отливки в плоскости, перпендикулярной направлению движения металла в форме. Критическим (характерным) сечением считается такое сечение отливки, в котором возможно превышение скорости подъёма металла в форме выше максимально допустимой для данных условий литья. Расчёт литниковой системы ведут исходя из положения отливки в форме с учётом критического сечения, чтобы в этом сечении скорость подъёма металла не превысила максимально допустимой, а также, чтобы все остальные характерные сечения заполнились со скоростью, близкой к оптимальной.
Методика ло определению заполняемости формы металлом. Проведение эксперимента и обработка опытных данных
Определение заполняемости формы металлом производилось но следующей методике (рис.5) [80],
Подопочный щиток, который находился на вибростоле 7, накрывался полиэтиленовой пленкой 6 толщиной 0,075 мм. На него устанавливалась опока І размером 400x300x250 мм с двойными степками, образующими коллектор.
Внутренние стенки опоки перфорированы и покрыты стальной сеткой с 250 ячейками на 1 см2. Опока соединялась с ресивером посредством гибких армированных шлангов с внутренним диаметром 25 мм. Ресивер соединен с вакуумным водоколыдевым насосом ВВН-6 [81].
Опока заполнялась сухим кварцевым леском 2 марки 1К016А, в который заформовывалась технологическая проба из пенополистирола 3 в виде ленты длиной 1 метр и сечением 20x20 мм. Заливка модели осуществлялась через стояк из пенополистирола высотой 150 мм и сечением 40x40 мм. В модель на расстоянии 120 мм друг от друга устанавливались контакты различного сопротивления от 0,1 до 0,82 Ом с последующим уменьшением сопротивления контакта. Контакты мевду собой были соединены медным проводом d=07l мм, который подсоединялся к измерительной схеме типа «мост». К «мосту» подводилось напряжение 9 В от источника питания - батарея типа 413. Первый контакт сопротивлением 0,82 Ом устанавливался под стояком. Рядом с первым контактом устанавливался еше один медный провод, ведущий также к измерительной схеме типа «мост». Сама схема подсоединялась к 2-х канальному аналого-цифровому преобразователю (АЦП), подсоединенного к компьютеру (рис.6) [82].
После уплотнения формы вибрацией и отключения вибростола, опока сверху накрывалась полиэтиленовой пленкой 6. Величина разрежения определялась по установленному в форме вакуумметру. Далее опока с помощью подъёмника снималась с вибростола и устанавливалась на место для заливки ее металлом.
Перед заливкой на форму устанавливалась литниковая чаша 4, изготовленной из формовочной смеси. Заливка формы производилась силумином марки АК-9 при температуре 750 С из под пробки 5, изготовленной «Hot-box процессом» из стержневой смеси (рис.7) [S3, 84].
Температура замерялась хромель-алюмелевой (ХА) термопарой, соединенной с цифровым измерительным прибором, на выходе из печи и в самой литниковой чаше.
По мере течения металла в полости формы, он последовательно замыкал контакты, сигнал от которых поступал на АЦП, а затем передавался в компьютер. Картина падения напряжения во времени фиксировалась компьютером, а её изображение - на экране подсоединённого к компьютеру монитора. Скорость течения металла на каждом участке пробы определялась делением расстояния между контактами на время их замыкания. После заливки формы вакуумный насос отключался, а песок высыпался из опоки, который затем использовался повторно [85].
При исследовании заполняемое формы металлом определялась длина залитой пробы, время заполнения формы и изменение скорости течения расплава по каналу до полной остановки потока.
При исследовании применялись модели из пенополистирола плотностью 25 и 36 кг/лг. Значения разрежения при заливке формы металлом принимались 0,02; 0,04 и 0,05 МПа [92].
Для сравнения, заполняемость формы определялась при заливке металла в песчано-глинистую форму (ІГГФ) по извлекаемым моделям (в полую форму), при температуре заливки 750С [89, 90, 91]. Для этого эксперимента применялась формовочная смесь, состоящая из 96 % оборотной смеси и 4 % воды. Физико-механические и технологические свойства применяемой формовочной смеси представлены в таблице S [86, 87, 88].
Каждьт зйотерйжеят приводился яеекалызу раз до получения не менее трех повторяемых результатов. Относительное отклонение между экспериментами с одинаковыми условиями составляло не более Ї5 % [93, 94, 95],
Результаты экспериментов представлены на рис.8. Обработка полученных опытных данных по определению заполняемости и скорости заполнения формы металлом указаны в таблицах 9, 10 и 1L На рис.9 приведен график влияния величины разрежения на заполняемость литейной формы. На ряс.10 приведен график зависимости изменения скорости заполнения формы расплавом от величины разрежения.
Методика исследования слоя формы на границе «зазор "5"—форма» состояла в следующем (рлс.11) [96].
По центру вертикальной стенки модели устанавливалась стеклянная трубка диаметром 14 мм и длиной 100 ммЛ заполненная кварцевым песком марки 1К016А при плотности песка 1500 кг/м3. Напротив трубки устанавливался электрический контакт, который должен был сигнализировать о прохождении фронта металла, или другими словами, фронта термодеструкции модели. Трубка с обеих сторон закрывалась металлической сеткой. Дальнейшая подготовка и проведение эксперимента осуществлялись по методике, описанной в п.3,2 данной главы.
После прохождения расплавленного металла через сечение модели, к которому примыкала трубка, она извлекалась из формы. После удаления из трубки кварцевого песка, в ней был зафиксирован упрочнённый слой, примыкающий к границе «зазор "5"-форма» толщиной 5- 7 мм, температура которого соответствовала начальной температуре формы (рис.12). Для определения прочности на сжатие получившегося слоя, он был извлечен из стеклянной трубки. Методика испытания прочности полученного образца заключалась в следующем. Образец устанавливался на ровную и гладкую поверхность стола. Затем на него устанавливался короб, который заполнялся стильной дробью до тех пор, пока не разрушался данный образец. После этого определялась суммарная масса нагружения. Испытания по указанной методике [97] упрочненного слоя показали, что при нагрузке 100 грамм образец разрушался.
Динамика течения металла в узких каналах
Обработка результатов экспериментальных данных по течению металла в узких каналах литейной формы и их заполняемость позволяет разработать физическую модель течения металла, представленную на рис.20. Кажущееся противоречие между установившейся максимальной скоростью подъёма металла в полости формы при ЛГМ алюминиевых сплавов и фактической скоростью продвижения металла в узких каналах формы объясняется тем, что течение металла в узких каналах литниковой системы происходит по четвертому режиму (рис.4г), который протекает при одностороннем нижнем охвате модели, за счёт ее тепловой деформации (усадки) и ограничивается тепломеханическими характеристиками материала самой модели (теплопроводность), а также её механическими свойствами.
Замеры, произведённые в узких каналах по скорости течения металла в горизонтальной плоскости и терм о деструкции самой модели по вертикальной плоскости подтверждают, что скорость термодеструкции в вертикальной плоскости соответствует максимальной скорости термодеструкции модели, которая составляет 5-7-5,5 см/с. В то время, тепловая деформация (усадка) происходит со значительно большей скоростью — 26- 27 см/с, что характеризуется максимальной скоростью тепловой усадки модели. Силы, которые действуют на поверхность жидкого металла, текущего в узком канале, определяются давлением со стороны металла «yH+mV2/2g \ противодавлением «Рф» и силой тяжести «mg». Под действием этих сил и происходит нижний охват модели текущим металлом и его продвижение. Было установлено, что заполняемость узких каналов формы в 3-з-3,5 раза ниже, чем при литье в пес чано -глинистую форму по извлекаемым моделям. Это позволило использовать уравнение Г\Ф, Баландина [98] для остановки потока металла в узких каналах для доэвтектических сплавов, коим является силумин АК-9. При этом исходили из того, что главной причиной снижения величины заполняемости литейной формы при ЛГМ-процессе является потеря тепловой энергий головного потока металла на термодеструкцию модели. Исходя из этого, в уравнение Баландина (17) была внесена поправка, учитывающая расход тепловой" энергии расплава на термодеструкцию полистирола.
