Исследование процессов деформирования формовочных смесей и разработка системы автоматического управления их качеством Ровин, Сергей Леонидович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Согласно статистическим данным более ЛС дефектов отливок, полученных в разовых литейных формах, связаны с низким качеством форм, стержней и используемой смеси (ужнмнны, засоры. искажения геометрических размеров, газовая пористость и т.д.). Учтивая, 'по сегодня около 80% всего объема отливок изготавливается в разовых формах, а также растущие требования к качеству отливок, задача стабильною получения литейной формы с требуемым уровнем физико-механических и технологических свойств становится одной из важнейших в современном лигейном производстве.

Успешное решение этой проблемы предполагает рациональный выбор состава формовочной смеси,, способов и режимов смесеприготовления и формообразования, а также непрерывный контроль качества смеси на всех этапах процесса изготовления литейной формы.

Однако в настоящее время практически отсутствует надежные и эффективные методы расчета параметров процессов формообразования и прогнозирования характеристик литейной формы. Это же в полной мере относится и к используемым методам автоматического контроля и управления качеством формовочной смеси.

В связи с изложенным, актуальной задачей является исследование закономерностей деформирования формовочных смесей в процессах смесеприготовления и формообразования, определение факторов, решающим образом влияющих на реологические свойства смесн и качество литейной формы, а также разработка надежного метода непрерывного контроля и управления этими факторами непосредственно в технологическом потоке.

Связь работы с крупными научными программами. Проблемы повышения качества отливок, сокращения материальных и энергетических затрат на их изготовление, снижения трудоемкости процессов получения литейных форм и стержней, на решение которых направлена представленная работа, актуализированы в Республиканских научно-технических программах ГНТП на 1996-2000 гг., среди которых программа "Технологии", утвержденная постановлением Совета Министров РБ №7 от 17.01.96, - задание 1.02 "Разработать и внедрить автоматизированный технологический прочесе приготовления формовочных смесей, основанный на системе непрерывного контроля и управления качеством смеси" 1997-1998г г.. Межвузовская программа фундаментальных исследований "Металлургия" - задание 1.04 "Создание реологической модели процессов смесеприготовления и формообразования" 1996г. Результаты работ были использованы также при выполнении ряда хоздоговорных работ: «Исследование и анализ технологических переделов, разработка и проведение комплекса мероприятий, направленных на повышение качества отливок с литейном цехе завода «Полесьэлектромаш» (х/д №3-03/95 завод «Полесьзлекромаш» г.Лунинец), «Разработка и внедрение системы

аиіомаїїі'іеского контроля и управления процессом смесепршотоалеиия в СЯЦ ПО «МТЗ» (х/д №2-02/97 ПО «МТЗ» г.Минск), «Исследование и разработка эффекпшного метода формообразования для жидкостекольных смесей. Разработка технологического процесса изготовления форм на участке средней формовки МЗАЛ и технического задания на проектирование нестандартного оборудования и оснастки» (х/д №1897 «M3AJI» г.Минск).

Цель и задали исследования. Целью настоящей работы является построение обобщенной физической модели деформирования формовочных смесей в процессах смесеприготовления и формообразования, а также разработка высокоэффективного метода коїпроля и автоматического управления качеством смеси в технологическом потоке.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать закономерности деформационных явлений в процессах
шесепрш отопления и формообразования;

разработать методику экспериментальных исследований реологических свойств формовочных смесей и деформационных явлений, сопровождающих процессы смесеприготовления и формообразования; разработать обобщенную модель деформирования формовочной смеси, связывающую параметры процессов деформирования, состав смеси, реологические характеристики ее компонентов и качественные показатели получаемых литейных форм;

разработать метод экспресс-контроля качества формовочной смеси в технологическом потоке;

разработать принципы организации и функционирования систем автомагического управления качеством смеси и процессами формообразования;

провести экспериментальную проверку адекватности построенной физической модели поведения формовочной смеси в процессах деформирования и разработанного метода экспресс-контроля качества;

провести промышленную апробацию и внедрение результатов исследований.

Объект и предмет исследования. В качестве основного объекта исследования били избраны жидкостекольные смеси, представляющие собой своеобразную модельную систему, объединяющую некоторые характерные признаки как песчано-смоляиых, так и песчано-глинистых смесей. С одной стороны, жидкостекольные смеси по своим реологическим характеристикам близки к смесям на. органических связующих, реология которых в настоящее время практически не изучена. С другой стороны, жидкостекольное связующее относится к неорганическим и представляет собой коллоидный водный раствор, диэлектрические характеристики, которого в СВЧ-диапазоне близки к характеристикам глинистых суспензий, что делает принципы контроля песчано-глниистых и жидкостекольных смесей идентичными. В связи с этим результаты, полученные при исследовании реологии жидкостекольных смесей и принципов

контроля их качества могут быть распространены на широкий спектр формовочных и сгержневых смесей.

Предмет исследований - закономерности деформирования формовочных смесей, их реологические свойства, взаимосвязи состава смеси, параметров техпроцесса и качества получаемой литейной формы, а также диэлектрические характеристики формовочных смесей в СВЧ-диапазоне.

Методология и методы проведенных исследований. Для исследования деформационных процессов и анализа реологических характеристик формовочных смесей была разработана специальная методика, основанная на использовании испытательных стендов, моделирующих различные процессы формообразования и смесеприготовления, набора экспериментальных моделей и технологической емкости, системы датчиков и КИП. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью регрессионого анализа и поиска аппроксимирующих функций, описывающих зависимости деформаций от деформирующих усилий и времени, их приложения, а также влияние состава смесей на их реологические свойства и диэлектрические характеристики.

Анализ физико-механических и технологических свойств формовочных смесей проводился в соответствии с. ГОСТ 23409-78. Для исследования диэлектрических свойств формовочных смесей и анализа применимости методов микроволновой влагомстрии в системах контроля качества смеси был разработан и изготовлен специальный лабораторный СВЧ-счетчик, позволяющий мгновенно определять влажность смеси или содержание жидкого. связующего и однородность ее состава.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Работа содержит новые научно обоснованные результаты теоретических н экспериментальных исследований закономерностей деформирования формовочных смесей, совокупность которых имеет существенное значение для разработки реологических основ процессов формообразования и создания новых высокоавтоматизированных технологических процессов получения литейной формы.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработана обобщенная реологическая модель напряженно-деформированного состояния жидкостеколышх смесей, установлено, что реологические свойства смесей определяются свойствами и соотношением входящих в их состав компонентов, и в первую очередь - характеристиками и количеством жидкой связующей композиции, а также текущей плотностью смеси.

2. Получены новые экспериментальные данные, раскрывающие качественные и количественные взаимозависимости между составом формовочных смесей, их, реологическими свойствами и параметрами процессов формообразования и смесеприготовления. Установлено, что в общем случае процессы деформирования могут быть представлены в виде системы уравнений, включающей в себя уравнение состояния, уравнение равновесия и условия неразрывное!!!, которые в совокупности представляют собой обобщенную модель деформирования формовочной смеси.

3. Определена поглощающая способность ряда формовочных смесей i> микроволновом диапазоне, а также дана опенка влияния различных компонентов и примесей, входящих в состав формовочных смесей, на диэлектрические характеристики смесей в СВЧ-дпагшоне.

4. Разработан новый метод 'экспресс-контроля качества формовочных смесей в технологическом потоке по уровню поглощения СВЧ-сигнала.

Практическая и экономическая значимость полученных результатов. Практическая направленность и экономическая значимость проведенных исследований подтверждается внедрением конкретных результатов работы в производство на ряде предприяі ий:

1. Оптимизирован и приияі к внедрению новый технологический процесс получения разовых литейных форм из жндкостекольных смесей в литейном цехе Минского завода автоматических линий им П.М.Машерова (МЗАЛ).

2. Разработаны ноиие эффективные способы получения форм из жндкостекольных смесей, один из которых запатентован в Российской Федерации (Патент РФ № 2017564 от 15.08.94).

3. Разработаны, прошли апробацию и внедрены на ряле заводов оригинальные СВЧ-приборы экспресс-контроля формовочных смесей в лабораторных условиях и непосредственно в технологическом ноюке, в том числе на Бобруйском машиностроительном заводе («БМЗ»), Горьковском автозаводе (ОАО «ГАЗ»), Минском автомобильном заводе (ПО «МАЗ»), Минском заводе отопительного оборудования (АО «МЗОО»), Іїарановичском станкостроительном заводе (БСЗ АО «Атлант»).

4. Разработана система автоматического контроля качества формовочной смеси и управления процессами ее подготовки' и приготовления. В 1998 году системы были смонтированы и внедрены на заводах «Полесьэлекромаш» (г.Лунннец), Заводе литья и нормалей («ЗЛиН». г.Гомепь) и Минском тракторном заводе (ПО "МТЗ", г.Минск). Ожидаемый экономический эффект от внедрения этих систем, связанный со стабилизацией качества смеси и снижением брака отливок, составит около 10 млрд руб. в год.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту В соответствии с вышеуказанным на защиту выносятся:

5. Выявленные зависимости реологических парамеїров жндкостекольных смесей от их состава, содержания связующего и обобщенная реологическая модель этих смесей;

6. Выявленные закономерности деформационных явлений в процессах формообразования и обобщенная физическая модель деформирования формовочных смесей;

7. Метод экспресс-анализа качественных характеристик формовочных смесей с помощью СВЧ-влагомеров;

8. Выявленные зависимости поглощающей способности различных формовочных смесей от влажности, температуры и состава;

5. Принцип построения н структура систем автоматического контроля и управления качеством формовочной смеси в процессе се подготовки, приготовления и формообразования.

ЛігиіиО.иіад^йискятеля. Автором работм получены все представленные результаты физических и теоретических исследований, выполнена их математическая обработка, разработаны реологическая модель напряженно-деформированного состояния жидкостекольных смесей и обобщенная физическая молсль деформирования формовочных смессіі. Разработан метод экспресс-контроля качества формовочных смесей с помощью СВЧ-влагомеров, определены основные принципы построения и разработана система автоматического контроля и управления качеством формовочных смесей, выполнен анализ н обобщение полученных результатов. Совместные работы выполнены соискателем п соавторстве с научным руководителем диссертационной работы д.т.н., профессором Д.МКукуем, которому принадлежит постановка цели и задач исследования, общее руководство исследованиями.

В разработке опытных приборов для контроля качества формовочных смесей с помощью метода поглощения принимали участие специалисты в области СВЧ-влагометрии и промэлектроннки Ренгарт И.И. и Сиротин В.И., которыми были разработаны принципиальные электрические схемы приборов.

Апробация научных результатов диссертации. Материалы и результаты исследований, включенные в диссертацию, были представлены и докладывались на ряде республиканских и международных научно-технических кощрессоо, конференций и семинаров. В том числе: на Международном семинаре по литейному производству и экологии "Эколит-93", проводившемся под эгидой ООН и при поддержке правительства Республики Беларусь (г.Мииск, 1993), на 5! международной научно-технической конференции (МНТК), посвященной 75-летию БГПА (г.Минск, 1995г.), на 62 - Всемирном конгрессе литейщиков, посвященном 100-летию литейного производства США (г.Филадельфпя, СІІІА, 1996г.), на МНТК "Современные проблемы машиноведения" (г.Гомель, 1996г.), на 52 МНТК "Технические вузы - Республике" (г.Минск, 1997г.).

Публикации. По результатам исследований было опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в сборниках научных трудов, из них 1 опубликована на английском языке в сборнике, посвященном 100-летию литейного Производства США (г.Филадельфпя, США, 1996г., с.1-7), 2 статьи в информационном бюллетене "Литье и металлургия" (№ 5/6 и № 7/8/9 за 1997г.), 3 публикации в тезисах докладов Международных научно-технических конференций, получен 1 патент Российской Федерации на изобретение "Способ изготовления литейных форм и стержней из жидкостекольных смесей" (Патепт № 2017564 от 15.08.1994г.), кроме того, подготовлены 4 заключительных отчета по итогам НИР, из них два по бюджетным темам, включенным в ПГГП "Технологии" и программу «Металлургия».

- 6 Структура.» объем диссертации. Диссертация состоит нз введения, общей характеристики работы, пяти глав (118 страниц машинописного текста, 7 таблиц и 56 рисунков), общих выводов, списка использованных источников (96 наименований) и 10 приложении (33 страницы).