Введение к работе
Актуальность работы. Литые изделия составляют значительную долю по массе и трудоемкости изготовления любого вида продукции машиностроения. Мировой опыт показывает - совершенствование машиностроительной продукции невозможно без существенного повышения сложности, качества, технологических и эксплуатационных свойств и точности литых изделий.
Повышение конструктивной сложности и точности литых деталей, наряду с требованиями минимизации трудовых затрат, ресурсосбережения и эффективной защиты окружающей среды, значительно влияет на направления развития технологий производства отливок. Это в полной мере относится и к технологии производства разовых литейных форм и стержней.
Постоянное повышение требований к качеству разовых литейных форм и стержней (прочность, точность, выбиваемость, и др.) сказывается и на требованиях, предъявляемых к формовочным и стержневым смесям. Широко распространенные в литейном производстве составы литейных смесей и технологии изготовления форм не всегда способны в полной мере отвечать высоким требованиям производства. Таким образом, разработка и исследование новых составов литейных формовочных смесей (ЛФС), технологических процессов их приготовления, позволяющих целенаправленно управлять свойствами (прочностью, выбиваемостью, газотворностью, регенирируемостью и др.) литейных смесей и форм, является одной из актуальных проблем в области технологии литейной формы и качества получаемых отливок.
Значительный вклад в развитие теории и технологии ЛФС, а так же литейных форм принадлежит отечественным ученым: Аксенову П.Н, Аксенову Н.П, Баландину Г.Ф, Бергу П.П, Васильеву В.А, Васину Ю.П, Гуляеву Б.Б, Дорошенко С.П, Жуковскому С.С, Илларионову И.Е, Орлову Г.М, Кулакову Б.А, Корнюшкину О.А, Лакееву А.С, Ляссу А.М, Рыжкову И.В, Рыжкову А.А, Рабиновичу Б.В, Тимофееву Г.И, Трухову А.П, Шкленнику Я.И. и др.
Анализ тенденций совершенствования ЛФС показал, что наиболее перспективными являются смеси с применением неорганических связующих, способных удовлетворить самым высоким требованиям не только по технологическим, но и по экологическим и ресурсосберегающим показателям. Основные их преимущества: наличие сырьевых материалов в промышленном объеме, разнообразие способов отверждения при изготовлении форм и стержней, минимальное воздействие на окружающую среду в результате исключения отходов и возможности их повторного использования.
Разработка теоретических и технологических основ управления свойствами ЛФС и разовых опочных, безопочных и оболочковых форм, изготовленных на их основе, представляет значительный научный интерес и является весьма актуальным.
Актуальность темы диссертации подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках работ научной школы НШ – 285.2008.9, Гранта Президента РФ № МК- 5430.2006.8 (2006–2007 гг.) «Развитие теоретических и технологических основ получения высокоточных литейных форм для прецизионного литья» и тематического плана (ЕЗН) Министерства образования и науки РФ № Г-18/99 (Г-18/99) (1999–2004 гг.) «Физико-химические, теплофизические и технологические основы формирования моделей, форм и отливок в литье по удаляемым моделям и непрерывного получения фасонных изделий из расплавов», № 1.2.05 (Г-18/05) (2005–2009 гг.) «Физико-химические модели и технологические основы получения формовочных материалов»
Цель работы: Разработка ЛФС и электрофоретических суспензий с улучшенными технологическими свойствами, предназначенных для изготовления литейных форм, на основе установления влияния на структуру и свойства смесей полимерных и неорганических добавок, а также развитие представлений о процессах трещинообразования в электрофоретических формах, изготовленных по выплавляемым моделям, на различных технологических этапах их изготовления.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- обобщение и развитие научных представлений о механизмах управления структурой и свойствами ЛФС и форм;
- обоснование выбора и использования полимеров при разработке комплексных жидкостекольно-полимерных связующих для ЛФС, а также проведение исследований влияния полимеров на их структуру и свойства;
- исследование свойств смесей на основе солевых связующих и установление оптимальных режимов их приготовления и отверждения;
- обоснование выбора комплекса неорганических добавок позволяющих целенаправленно изменять технологические свойства ЛФС и форм изготовленных на их основе;
- проведение комплексного исследования влияния полимерных стабилизаторов на свойства электрофоретических суспензий и электрофоретических форм, полученных на их основе;
- проведение исследований физико-механических и др. свойств электрофоретических форм;
- исследование влияния усадочных процессов в электрофоретических формах на образование в них трещин на различных технологических этапах их изготовления;
- разработка математической модели для расчета напряженно-деформированного состояния электрофоретических форм во время их прокаливания, заливки расплавом и кристаллизации отливки;
- обобщение и развитие представлений о механизмах образования трещин в электрофоретических формах;
- опытно-промышленные испытания разработанных составов литейных формовочных смесей, технологий их приготовления, регенерации и внедрение их в производство.
Научная новизна работы.
1. Обоснован выбор и использование полимерных добавок для жидкостекольных связующих. Выявлены особенности и закономерности их влияния на технологические свойства ЛФС.
2. Установлены закономерности изменения структуры и свойств ЛФС на основе неорганических связующих. Научно обосновано использование в комплексе с сульфатом магния таких неорганических добавок, как сульфата натрия и фосфата магния, позволяющих целенаправленно изменять свойства ЛФС и формы. Установлены зависимости влияния их содержания в смеси на ее структуру и свойства. Определены предельные интервалы температур использования литейных форм, полученных из смесей, на основе комплексных солевых связующих.
3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность использования в составах электрофоретических суспензий водорастворимых полимеров в качестве стабилизаторов.
4. Установлено влияние полимерных стабилизаторов и электролитов на основные свойства электрофоретических суспензий и форм, получаемых на их основе. Обоснованы принципы регенерации отработанных электрофоретических суспензий и определены технологические режимы их полного восстановления.
5. Установлены зависимости физико-механических свойств электрофоретических форм от типа используемого связующего и температуры формы.
6. Расширено научное представление о роли усадочных процессов, происходящих в оболочковой форме, и роли выплавляемой модели, на образование трещин в электрофоретических оболочковых формах во время их сушки и выплавления моделей.
7. Проведен теоретический анализ напряженно-деформированного состояния электрофоретических оболочковых форм при высокотемпературном воздействии на основе результатов математического моделирования процессов прокаливания, заливки расплавом и кристаллизации отливок численным бескоординатным методом. Раскрыты физические основы механизма влияния свойств связующего в оболочковой форме и температурного перепада, по толщине формы, на ее напряженно деформированное состояние. Определены величины напряжений и деформаций во время прокаливания и заливки оболочковой формы жидким металлом.
Практическая значимость результатов работы.
-
Разработаны, защищены патентами РФ и внедрены в производстве составы комплексных жидкостекольно-полимерных смесей и способы их приготовления, отличающиеся высокой прочностью в отвержденном состоянии и легкой выбиваемостью после затвердевания отливки.
-
Разработаны и внедрены в производстве литейные смеси с принципиально новыми связующими на основе комплексных неорганических солей. Приведены примеры их практической реализации в производстве.
-
Разработаны и защищены патентами РФ составы электрофоретических суспензий с высокой стабильностью свойств.
-
Разработаны и защищены патентом РФ технологии регенерации отработанных электрофоретических суспензий.
-
Созданы автоматизированные устройства для получения электрофоретических оболочковых форм и регенерации электрофоретических суспензий, которые защищены патентами РФ и приняты к внедрению в производстве.
-
Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния электрофоретических оболочковых форм при высокотемпературных воздействиях. Разработаны алгоритмы и программы для его реализации на ЭВМ.
Результаты работы внедрены на предприятиях: ОАО «КнААПО им. Ю.А. Гагарина», ОАО «Завод Амурлитмаш» и ООО «Амурский судостроительный завод – Металлург» г.Комсомольска-на-Амуре, а так же в учебном процессе Комсомольского–на–Амуре ГТУ.
Достоверность результатов работы: обеспечивается применением современных методов исследования структуры и свойств материалов смесей, использованием при исследованиях напряженно-деформированного состояния форм фундаментальных уравнений механики сплошных сред, а так же производственным апробированием и внедрением разработанных составов смесей и технологических процессов.
Личный вклад автора. В настоящей работе представлены результаты, полученные автором самостоятельно, а так же совместно с аспирантами и сотрудниками Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Автору принадлежит постановка задачи и проведение исследований, планирование и руководство экспериментами, личное участие в них и анализ полученных данных, написание статей и заявок на изобретения. Автор принимал непосредственное участие в опытно промышленных испытаниях и внедрении результатов работы в производстве.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: XX научно-технической конференции ОАО "КнААПО им Ю.А. Гагарина" "Созданию самолетов - высокие технологии" (Комсомольск-на-Амуре 2004 г.); III конференции «Проблемы сплошных сред и смежные вопросы технологии машиностроения» (Владивосток - Комсомольск-на-Амуре, 2004 г.); VII съезде литейщиков России (г. Новосибирск, 2005 г.); Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования. (г. Москва, 2006 г.); III Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (г. Пенза, 2007 г.); VIII Международном Российско-Китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии 2007» (г. Хабаровск, 2007 г.) Х краевом конкурсе молодых ученых «Наука – Хабаровскому краю» (г. Хабаровск, 2008 г.); научных межкафедральных семинарах в КнАГТУ (2004 –2009 гг.).
Изобретения по теме диссертации выставлялись на международных выставках и салонах. Патент № 2289491 «Устройство для изготовления керамических форм» награжден на Международной выставке–конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.) золотой медалью и дипломом первой степени. Патент № 2288806 «Устройство для изготовления керамических литейных форм методом электрофореза» отмечен дипломом на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе 1 учебное пособие с грифом УМО, 2 монографии и 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено 12 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 305 страницах машинописного текста, содержит 172 рисунка, 16 таблиц, библиографию из 278 наименований и приложения.
