Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований. 10
1.1.Основные задачи повышения качества отливок, получаемых по выплавляемым моделям 10
1.2. Технологии получения моделей и оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям 15
1.3. Выводы 34
ГЛАВА 2. Основные методики исследований 36
2.1. Постановка экспериментов и объекты исследований 3 6
2.2. Исходные материалы для изготовления пористых и литых выплавляемых моделей, гипсовых, керамических, ОФ и отливок 37
2.3. Приготовление модельных составов, гипсового шликера и суспензий для керамических и оболочковых форм (ОФ) 38
2.4. Контроль свойств и качества порошкообразных модельных составов и суспензий 40
2.5. Методики исследования влияния давления разряжения на свойства пористых выплавляемых моделей 42
2.6.Методика исследования качества поверхности гипсовых, керамических и ОФ 52
2.7. Методика исследования процесса заполнения тонких капилляров в гипсовой форме при литье вакуумным всасыванием 56
2.8.Выводы 58
ГЛАВА 3. Исследование влияния вакуумирования на физико-механические свойства и размерную точность выплавляемых моделей 61
3.1. Предпосылки выбора технологии изготовления пористых выплавляемых моделей 62
3.2. Исследование влияния различной степени вакуумирования на физико- механические, технологические свойства и размерно-геометрическую точность ПВМ 64
3.3. Исследование влияния различной степени и времени вакуумирования на плотность, объемную усадку и прочность литых выплавляемых моделей 112
3.4.Выводы 117
ГЛАВА 4. Исследование влияния температурных воздействий и вакуумирования на формирование облицовочного слоя форм в ЛВМ 119
4.1. Исследование влияния температурных условий на формирование облицовочной поверхности гипсовых, керамических и оболочковых форм. 122
4.2. Исследование влияния температурных условий и степени вакуумирования на формирование облицовочной поверхности гипсовых и оболочковых форм 136
4.3.Выводы 159
ГЛАВА 5. Математическое моделирование процесса кристаллизации металла в оболочковой осесимметричной форме 160
5.1. Инженерная постановка задачи 160
5.2. Математическая постановка задачи 161
5.3. Выводы 173
ГЛАВА 6. Экспериментальное исследование пвм и оф, полученных при воздействии вакуумирования, при изготовлении точных отливок в ЛВМ 174
6.1. Анализ технологического процесса изготовления точных тонкостенных отливок методом литья вакуумным всасыванием 174
6.2. Экспериментальное исследование процесса получения точных мелких отливок методом ЛВМ с применением ПВМ и ОФ, изготовленных при воздействии вакуумирования 178
6.3. Выводы 181
Заключение
Приложение 1 202
- Технологии получения моделей и оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям
- Методики исследования влияния давления разряжения на свойства пористых выплавляемых моделей
- Исследование влияния различной степени вакуумирования на физико- механические, технологические свойства и размерно-геометрическую точность ПВМ
- Исследование влияния температурных условий и степени вакуумирования на формирование облицовочной поверхности гипсовых и оболочковых форм
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие точного машино-и
приборостроения, а также рост потребностей населения в ювелирных и стоматологических изделиях предъявляют повышенные требования к их качеству, чистоте поверхности и дизайну. Это требует создания более совершенных и стабильных технологических процессов, обеспечивающих получение литых изделий с высокой размерно-геометрической точностью, без последующей механической обработки. Этим требованиям отвечает метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ).
Главными технологическими задачами в процессе изготовления отливок в ЛВМ является получение выплавляемых моделей (ВМ) и оболочковых форм (ОФ) с высокой размерно-геометрической точностью, чистотой поверхности и удовлетворяющих требованиям по физико-механическим и технологическим свойствам.
Вопросами повышения качества ВМ и ОФ, изысканием новых материалов, разработкой технологических процессов в ЛВМ занимались многие отечественные и зарубежные исследователи, такие, как Озеров В.А., Шкленник Я.И., Иванов В.Н., Васин Ю.П., Лакеев А.С, Тимофеев Г.И., Рыбкин В.А., Евстигнеев А.И., Петров В.В., Дошкарж И. и др.
Однако, несмотря на это, проблема повышения качества поверхности и размерно-геометрической точности моделей и ОФ остается актуальной и требует новых подходов к исследованию и разработке эффективных технологических процессов изготовления моделей и ОФ.
Анализ известных технологических процессов и направлений в области ЛВМ показал, что одним из эффективных методов повышения качества форм и отливок является использование вакуума.
В разное время проблемой разработки технологических процессов с применением вакуума в ЛВМ занимались ученые — литейщики Германии, Англии, США, Японии, России. В их работах предлагаются способы изготовления гипсовых и керамических форм, сушки, прокалки и заполнения расплавом форм с применением вакуумирования.
Применение вакуума при изготовлении форм способствует выводу воздуха и газов, что повышает прочностные свойства и уменьшает растрескивание форм. При заполнении форм расплавленным металлом с применением вакуума улучшается заполняемость форм, что позволяет получать сложные тонкостенные отливки.
Большой вклад в разработку новой технологии заполнения форм -метод литья вакуумным всасыванием внесли такие ученые, как Рыжков Н.Ф., Гини Э И., Тимофеев Г.И., Трифонов Ю.И. и многие другие. Их фундаментальные теоретические и практические работы явились основой изучения и внедрения в производство нового эффективного метода заполнения форм при помощи вакуума и улучшения качества точных отливок в ЛВМ.
Однако применение вакуумирования на других стадиях технологического процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям недостаточно изучено. Поэтому исследование процессов вакуумирования на стадиях изготовления выплавляемых моделей и ОФ определяет актуальность данной работы.
Повышение трещиностойкости и прочностных свойств ОФ также является одной из главных технологических задач повышения качества отливок в ЛВМ. На трещиностойкость ОФ значительное влияние оказывает их напряженно-деформированное состояние (НДС), особенно на стадиях прокалки, заливки ОФ металлом и затвердевании отливки. Снижение НДС значительно повышает трещиностойкость форм и сокращает брак отливок по засорам и поверхностным дефектам. Таким образом, актуальным направлением исследования также является определение НДС на этапах заливки ОФ расплавом и затвердевании отливки, поэтому в работе уделяется особое внимание вопросам математического моделирования НДС ОФ.
Актуальность работы подтверждается тем, что исследования выполнялись в рамках тематического плана по единому заказу-наряду министерства образования РФ (2000-2004 гг.)
Цели и задачи работы. Целью представленной работы является изучение процессов формирования пористых выплавляемых моделей (ПВМ) и оболочковых форм с применением вакуума для повышения качества поверхности, размерно-геометрической точности и физико-механических свойств, а также исследование влияния НДС оболочковой формы на ее трещиностойкость.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
анализ существующих процессов изготовления моделей, ОФ и отливок с применением вакуумирования на основе литературно-патентного обзора;
исследование процесса изготовления выплавляемых моделей при воздействии вакуумирования и влияние различной степени вакуумирования на физико-механические, технологические свойства и размерную точность моделей.
исследование процесса образования поверхностной пористости облицовочного слоя гипсовых, керамических и оболочковых форм в зависимости от температурных воздействий и различной степени вакуумирования на стадии их изготовления;
математическое моделирование напряженно-деформированного состояния многослойных осесимметричных ОФ численным бескоординатным методом при заливке их расплавом и затвердевании отливок;
экспериментально-производственное опробование технологии вакуумирования при изготовлении выплавляемых моделей, ОФ и отливок, полученных методом ЛВМ.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались как общепринятые методики исследований свойств моделей, ОФ и отливок, так и специально разработанные с участием автора. Из числа известных методик использовались методы определения структурных, физико-механических, технологических свойств и размерной точности моделей, ОФ и отливок.
К числу разработанных методик следует отнести методы
определения влияния вакуумирования на качество поверхности и свойства
пористых выплавляемых моделей (ПВМ) и ОФ. Предложена методика
расчета НДС многослойных осесимметричных ОФ при
высокотемпературных воздействиях.
Экспериментальные данные обрабатывались методами
математической статистики с помощью пакетов прикладных программ (Microsoft Excel и STATISTICA).
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложен новый подход в технологии изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования;
установлено и научно обосновано влияние температур технологических сред и различной степени вакуумирования на формирование облицовочного слоя гипсовых, керамических и ОФ;
- установлено и научно обосновано влияние вакуумирования и технологических режимов изготовления ПВМ на их физико-механические, технологические свойства и размерно-геометрическую точность;
выявлены особенности НДС пористых осесимметричных ОФ при высокотемпературных воздействиях на основе математического моделирования процессов заливки ОФ и затвердевания отливокиз сплава АЛ 9 численным бескоординатным методом;
проведен статистический анализ влияния технологических параметров (температуры формы и степени вакуумирования) на процесс получения тонкостенных отливок различного диаметра методом вакуумного всасывания.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- технологические процессы формирования структуры и физико-механических свойств пористых и литых выплавляемых моделей, полученных при воздействии различной степени вакуумирования;
- технологические процессы формирования облицовочного слоя и
прочностных свойств форм, полученных при воздействии различной
степени вакуумирования;
результаты математического моделирования напряженно-деформированного состояния многослойных осесиммметричных ОФ при заливке их расплавом и затвердевании отливки;
- результаты статистического анализа влияния технологических
параметров (температуры формы и степени вакуумирования) на процесс
получения тонкостенных отливок различного диаметра;
результаты опытно-промышленного опробования способа получения точных отливок с использованием ПВМ и ОФ, изготовленных при воздействии вакуумирования.
Практическая значимость работы. Разработана действующая установка для вакуумирования ОФ и ПВМ и для получения точных отливок методом вакуумного всасывания.
Разработана методика исследования влияния температур технологических сред и степени вакуумирования на качество облицовочной поверхности ОФ.
Предложен способ изготовления ПВМ на основе воскообразных компонентов и ОФ с применением вакуумирования, направленный на улучшение качества поверхности, физико-механических, технологических свойств и размерно-геометрической точности выплавляемых моделей и форм.
На основе исследований проведен статистический анализ влияния технологических параметров (температуры формы и степени вакуумирования) на процесс формирования тонкостенных отливок методом вакуумного всасывания, что дает возможность управлять этими параметрами при получении отливок различного диаметра.
Предложена методика расчета НДС осесимметричных ОФ при
высокотемпературных воздействиях на основе численного
бескоординатного метода.
Результаты исследований в виде методик, технологической оснастки и экспериментальных установок используются при проведении лабораторных работ в курсе "Специальные виды литья", а также используются при выполнении научно-исследовательских работ студентами и аспирантами кафедры "Машины и технология литейного производства" ГОУ ВПО "КнАГТУ."
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Комсомольского-на-Амуре Государственного технического университета в 2000-2001 г.г; региональной научной конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых "Наука. Техника. Инновации", г. Новосибирск, 2001г., международных научно-технических конференциях, проводимых в г. Комсомольске-на-Амуре в 2001-2004 г.г., г. Хабаровске в 2004 г.
Предложенные методики изготовления ПВМ и ОФ с применением вакуумирования были опробованы при получении точных отливок в литейном цехе ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение».
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 85 наименований. Работа изложена на 204 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 70 рисунков и приложения на 2 страницах.
Технологии получения моделей и оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям
Сложный и трудоемкий технологический цикл получения отливок в ЛВМ, высокая стоимость отливок и чрезмерно большая продолжительность процессов (до 10-15 суток) /1,2/ в начальный период промышленного освоения, все это ограничивало применение в производстве данного способа получения отливок.
Известные в современной промышленности многочисленные разновидности технологии получения литейных форм представлены в таблице 1.2.
Современными научными исследованиями было доказано, что сложный комплекс взаимодействий между выплавляемой моделью и ОФ, между ОФ и наполнителем форм, между литейной формой, окружающей средой и сплавом отливок оказывает весьма существенное влияние на качество поверхности, структуру, механические и другие свойства литых деталей.
Приоритетными направлениями сокращения брака отливок и затрат на их получение в ЛВМ является /3,8/: сокращение затрат на приготовление модельной композиции и разработка новых модельных составов. А также упрощение осуществления технологической операции изготовления моделей, снижение брака моделей, упразднение брака ОФ при удалении моделей, повышение размерной и геометрической точности оболочек и их прочностных свойств до и после прокаливания, получение отливок с минимальной механической обработкой.
Одной из причин образования брака в ЛВМ является несовершенство технологии изготовления выплавляемой модели. За годы промышленного применения ЛВМ были опробованы сотни модельных составов и способов изготовления моделей, однако только некоторые из них обладают свойствами, отвечающими предъявляемым требованиям и используются в производстве. В известных работах /1,8/ выявлены некоторые технологические варианты упразднения дефектов за счет применения различных составов для выплавляемых моделей, способствующих повышению качества отливок в ЛВМ. Широко используемые в ЛВМ модели из парафиностеариновых составов ПС 50/50, ПС 70/30, П65С32КмЗ, П70С25Э5, обладающие хорошими реологическими свойствами в пастообразном состоянии и, изготавливаемые как на машинах, так и с помощью ручных шприцев, имеют ряд существенных недостатков: малую прочность и теплостойкость. Наличие в составе дорогого стеарина, склонного к взаимодействию с органическими растворителями этилсиликатных связующих и омылению в горячей воде, постепенно заменяются на модели из более экономичных составов, не содержащих стеарин /1,9/. В состав таких моделей помимо парафина вводят синтетические полимеры, а также продукты, полученные окислением парафиновых углеводородов, основное назначение которых - улучшение теплоустойчивости и прочностных свойств моделей, а в ряде случаев — снижение и стабилизация их усадки (модели из составов П67Ц25Пэв8, П40Ц45Б10Пэв5, П55Ц15Б14Поп16 и др.). Применение таких моделей в ЛВМ ведет к растрескиванию ОФ на стадии удаления из нее моделей, короблению и усадке. Исправление таких дефектов ведет к увеличению себестоимости литья за счет выбраковки несоответствующих предъявляемым требованиям изделий.
Для предотвращения отмеченных недостатков необходимо было разработать ряд технологических способов упразднения брака моделей. При изготовлении массивных моделей для предотвращения усадочных процессов модельной массы, коробления моделей при хранении предлагается использовать армирование моделей различными вставками /10/, изготавливать модели пустотелыми или пористыми, использовать состав в виде порошка, оплавляемого при запрессовке в пресс-форму /11/.
Сокращение времени затвердевания модельного состава при получении полых выплавляемых моделей /12/ и без усадочных поверхностных дефектов в охлаждаемую водой пресс-форму позволяет снизить брак ОФ по трещинам при удалении вьпхлавляемых моделей. Согласно рассматриваемому способу в пресс-форму запрессовывается порция жидкого модельного состава (на 10-20 % меньше необходимого объема полости пресс-формы) и, вследствие очень быстрого, интенсивного турбулентного заполнения, модельный состав плотно сцепляется с холодными стенками полости формы, при этом центр модели получается полым. В образующуюся полость подается сжатый воздух и давление (около 0,06 МПа) сохраняется в полости модели до полного затвердевания модельного состава.
К сожалению, не все разрабатываемые способы пригодны для массового производства, или предназначены для ликвидации определенного вида брака. Так, например, армирование моделей определяет наличие дополнительной технологической оснастки и операций установки арматуры в пресс-форму. Пустотелые модели подвержены короблению при хранении из-за релаксационных процессов, проходящих в структуре, а также из-за невозможности их автоматизированного изготовления. Образование пористости в структуре моделей осуществляется замешиванием в модельный состав воздуха и характеризуется непрогнозируемостью и, в отдельных случаях, может стать причиной недолива моделей или ее разрушения. УкрНИИлитмаш и фирма "Титан" (г. Харьков) разработали технологию и специальное оборудование для грануляции модельного состава /1, 2/. Порошок модельной массы разогревался до температуры плавления и запрессовывался в пресс-форму. Модели, изготовленные таким способом при хранении меньше подвержены короблению так же, как и армированные модели. Но такой способ также имеет недостатки, уже отмеченные ранее, особенно по недоливу.
Согласно авторскому свидетельству /12/ предлагается в расплав модельной композиции при температуре 60 С вводить порошок той же модельной композиции с температурой ± 10 С фракции 01-1 мм. Это позволяет интенсифицировать процесс охлаждения расплава композиции и увеличить производительность изготовления моделей с мелкодисперсной структурой . Применение этого способа позволяет снизить брак моделей по утяжинам и вздутиям, а также увеличить выпуск отливок. Однако, этот метод не снижает брак ОФ по трещинам и сколам, а также брак моделей по недоливам.
Методики исследования влияния давления разряжения на свойства пористых выплавляемых моделей
Рост напряженного состояния многослойных ОФ в литье по выплавляемым моделям происходит на всех этапах процесса формообразования и получения отливок. Каждый этап технологического процесса характеризуется различными показателями НДС. Поэтому анализ и расчет трещиностойкости многослойных ОФ, необходимо проводить для каждого этапа в отдельности.
В работе /30/ отмечено, что основными факторами, влияющими на изменение НДС ОФ, являются перепад температуры по сечению формы, гидродинамический напор заливаемого металла и его металлостатическое давление, а также термомеханическое воздействие опорного наполнителя и формирующейся отливки. Для упрощения расчетов принято, что давления на оболочку со стороны опорного наполнителя и металла одинаковы по знаку и постоянны по всей поверхности оболочки. В качестве расчетной схемы оценки прочности ОФ был принят толстостенный цилиндр, находящийся в условиях осесимметричной деформации, когда внешние нагрузки и температурное поле осесимметричные и постоянные по длине. Такие условия позволяют смоделировать расчетную схему реальных ОФ. Методика расчета основана на последовательном построении систем линейных алгебраических уравнений вариационными методами, решение которых производится методом Гаусса.
Однако, данная методика расчета требует весьма точных экспериментальных значений внешних нагрузок и физико-механических свойств многокомпонентных материалов ОФ.
Другой подход к решению этой задачи представлен в работе /74/, где в качестве расчетной модели предложены различным образом сочетающиеся слоистые элементы покрытий ОФ. Расчетная система уравнений получена с использованием обобщенных жесткостей плоских образцов. При этом исследуется влияние механической и термической нагрузки на физико-механические характеристики таких образцов. Однако, в данной расчетной модели рассмотрены только плоские образцы, не всегда соответствующие реальной ОФ. Не учитываются также возможные перепады напряжений на границах раздела слоев.
Существующие методики определения и прогнозирования НДС ОФ, достаточно трудоемкие и не всегда охватывают весь спектр возможных температурных воздействий при технологических операциях прокаливания и заливки ОФ металлом. Поэтому для оценки величины и распределения напряжений необходим более упрощенный и в то же самое время более емкий способ расчета НДС ОФ.
Некоторыми преимуществами по сравнению с перечисленными методами обладает численный метод решения дифференциальных уравнений пластического течения, предложенный В.И, Одиноковым /75-77/. Этот метод основан на некоторых положениях метода конечных элементов (МКЭ) и метода сеток. Как и в МКЭ, рассматриваемая область разбивается на элементы конечных размеров, как и в методе сеток, решается система дифференциальных уравнений, записанная в конечно-разностном виде. Но этот метод имеет существенные отличия и преимущества. Структура уравнений в МКЭ зависит от свойств деформируемой среды. Следовательно, от свойств среды будет меняться алгоритм и сложность решения задачи. В выбранном методе изменение свойств среды не усложняет задачу и не изменяет алгоритм ее решения. Кроме того, данный метод позволяет построить рекуррентные соотношения, в результате чего резко уменьшается количество неизвестных (в 6-7 раз).
Расчет НДС деформируемого тела с использованием численных методов /78/ удобнее осуществлять, когда исследуемая область разбита на элементы ортогональной формы. При этом упрощается запись уравнений как внутри элемента, так и на границе области, уменьшается число неизвестных параметров, упрощается процедура вычислений. Так же можно отметить возможность единого подхода к различным классам задач, простоту формализации для программирования, независимость постановки и алгоритма решения задачи от использования различных моделей физического состояния исследуемой среды. можно сделать вывод, что основное внимание при устранении различных видов брака уделялось физико-химическим методам воздействия на ОФ и выплавляемые модели. Недостаточно изучены процессы изготовления ОФ, а в частности влияние температур технологических сред на образование и изменение поверхностной пористости облицовочного слоя форм, что приводит к повышенному образованию трещин на рабочей поверхности форм, уменьшению прочности и нарушению размерно-геометрической точности ОФ на стадии их изготовления. 2. Установлено, что практическое применение различных материалов для изготовления выплавляемых моделей и ОФ и способы их изготовления, а также существующие методы удаления моделей из ОФ и прокалки форм часто приводят к снижению размерно-геометрической точности моделей и ОФ, так как не учитываются деформационные процессы, которые и являются причиной брака по размерно-геометрической точности отливок, повышения шероховатости поверхности и неоднородности структуры. 3. При изучении практического применения различных способов вакуумирования при изготовлении форм, при сушке ОФ и при заливке форм в ЛВМ, выявлено, что вакуум улучшает структуру форм, уменьшая пористость и повышая прочностные свойства гипсовых и ОФ, улучшает заполняемость форм. При заливке форм вакуумным всасыванием повышается точность и механические свойства получаемых отливок.
Исследование влияния различной степени вакуумирования на физико- механические, технологические свойства и размерно-геометрическую точность ПВМ
Для изготовления моделей был выбран модельный состав ПС 50/50, который содержит 50 % парафина и 50 % стеарина. Состав ПС 50/50 наиболее приемлимый для получения моделей несложной конфигурации и небольшой массы, легко приготовляется, образуя однородную смесь, обладает невысокой температурой плавления (в среднем 50-60 С), пригоден для многократного использования, дает высокое качество моделей.
Изготовление моделей включает следующие операции: 1. Подготовка пресс-форм, которая включает в себя очистку поверхности Т (протирку, обдувку), нанесение разделительного покрытия (керасина) на рабочую поверхность пресс-формы, сборку половинок пресс-формы. В подготовку формы входит также и ее подогрев. Для парафино-стеаринового состава температура подогрева находится в пределах 30-35 С; 1 .Расплавление состава в электропечах при тщательном перемешивании; 2.Свободная заливка ПС 50/50 в пресс-форму при температуре состава 70-75 С; 2. Охлаждение пресс-формы на воздухе; 3. Удаление моделей из пресс-формы; 4. Выявление дефектов на моделях, зачистка, протирание (ацетоном, спиртом) моделей, проверка качества поверхности. Суспензия приготавливается интенсивным перемешиванием всех компонентов на высокооборотистой мешалке при п =2600 об/мин, в которой за время перемешивания идет совмещенный гидролиз этилсиликата. Суспензия приготавливалась в следующей последовательности: 1. В емкость наливается вода 120 мл, соляная кислота 3 мл, фосфорная кислота 5мл, этилсиликат 150 мл, перемешивается в течение 5мин. 2. Затем засыпается огнеупорный материал (маршаллит 350-400г) и дальнейшее перемешивание механическим способом в течение 60-90 мин до получения однородной суспензии. Готовность суспензии определяется по вискозиметру. При изготовлении керамических форм перед заливкой суспензии в опоку с моделью, в суспензию необходимо ввести 5-10 % огеливателя (водный 10 % раствор NaOH или 10 % спиртовый раствор аммиака) от объема связующего и интенсивно перемешивать суспензию в течение 5 мин.
При изготовлении гипсовых форм необходимо приготовить гипсовый шликер. Гипс может существовать в виде CaS04, CaS04 1/2 Н2О, CaS04" 2Н20. Существующий в природе гипс в виде двугидрата после обжига при температуре 140-175 С превращается в полугидрат, который используется при изготовлении форм. Гипс растворим в воде, во многих кислотах и щелочах, а также в растворах многих солей.
Перед использованием гипс просеивают для разрушения крупных комков. Смешивание гипса с водой осуществляется в точной пропорции по массе, чтобы получить такие необходимые свойства, как прочность, плотность, сопротивление истиранию и жесткость. Правильное перемешивание обеспечивает устранение большого количества пузырьков воздуха, повышает качество форм и изделий. Воздушные пузырьки можно устранить перемешиванием в вакууме. Кроме того, вакуумированием гипсовой массы повышают механическую прочность (до 20 %) и улучшают качество рабочей поверхности гипсовых форм /74/. Вакуумированная гипсовая масса отличается от обычной лучшей текучестью, хорошим заполнением всех соединений капа, формы имеют более однородную структуру без воздушных включений.
Количество воды, вступившее во взаимодействие с гипсом, оказывает существенное влияние на его свойства. В процессе схватывания гипс расширяется примерно на 0,15- 0,2 %. На эту величину влияют температура перемешивания и скорость схватывания. Применение холодной воды, уменьшение ее количества в смеси, и быстрое схватывание обеспечивают большое линейное расширение гипса. Изготовленные формы сушат до влажности 5% (свободной влаги). Такие формы прочны, устойчивы к истиранию, разрушению и износу. Сушат формы в камерах-сушилах при 50-65 С. Сушка при температуре, превышающей 70 С, приводит к разрушению формы. Длительность сушки составляет от 4 ч до 6 дней.
Подготовка опоки для заливки гипсовой суспензии включает в себя смазывание ее внутренней поверхности маслом или солидолом, для более легкого удаления образца из опоки. Размеры опоки D=35 мм; Н=25 мм.
После того как в опоку с моделью залили суспензию, ее помещают в вакуумную камеру, где вакуумируют в течение определенного времени. Затем вынимается образец из вакуумной камеры, и после отверждения и удаления модели определяют поверхностную пористость облицовочного слоя керамической или гипсовой формы.
Изготовление ОФ проводилось в следующей последовательности: 1 .Этилсиликатная суспензия изготавливалась механическим перемешиванием, время перемешивания - 1 час, готовность суспензии проверялась по вискозиметру, температура суспензии 18-20 С (температура суспензии поддерживалась постоянной).
2. Готовая суспензия наносилась на модельные плитки. Перед нанесением суспензии, модельные плитки были разделены на три части, по три плитки и доводились до разной температуры. Одна часть нагревалась до 35 С, вторая-охлаждалась до -5 С и третья часть находилась при комнатной температуре (18-20 С). Суспензия наносилась на модели окунанием с последующей обсыпкой зернистым огнеупором (всего наносилось четыре слоя).
Исследование влияния температурных условий и степени вакуумирования на формирование облицовочной поверхности гипсовых и оболочковых форм
При изготовлении выплавляемых моделей из воскообразных составов заливкой (или запрессовкой) в пресс-форму характерными видами брака являются: недоливы, поверхностные газовые раковины, усадка, слоистость, наличие волнистости и складок, трещины, коробление. Чтобы избежать таких видов брака необходимо тщательное соблюдение всех технологических режимов и параметров процесса изготовления выплавляемых моделей. Но так, как указанный процесс длительный и состоит из множества стадий, то строгое соблюдение технологических режимов на всех этапах очень затруднительно. Наличие поверхностных дефектов и нарушение размерно-геометрической точности выплавляемых моделей при изготовлении, а также при хранении вызывает нарушение размерной и геометрической точности ОФ и отливок.
Результаты исследований показывают, что основной причиной, приводящей к образованию брака моделей, оболочковых форм и отливок, является несовершенство технологии изготовления выплавляемых моделей.
Анализ технологических и механических свойств выплавляемых моделей, изготовленных по различным технологиям и с применением различных материалов, показал, что наибольшими преимуществами обладают пористые и комбинированные модели. Они более просты в изготовлении, имеют удовлетворительную плотность и прочность, и наименьший коэффициент термического расширения.
Таким образом, актуальным является дальнейшее усовершенствование технологии изготовления таких моделей, разработка новых способов получения пористых моделей, позволяющих упразднить различные виды брака, упрочнения моделей и увеличения их размерно-геометрической точности. Одним из возможных методов сокращения брака по растрескиванию ОФ является применение пористых выплавляемых моделей /14/. Такие модели просты в изготовлении, имеют невысокий коэффициент термического расширения при выплавлении, что уменьшает возможность образования трещин в ОФ. Пористые модели обладают удовлетворительными прочностными свойствами, отличаются высоким качеством поверхности (особенно, изготовленные при высоком усилии прессования), отличаются отсутствием усадочных дефектов.
Практика изготовления удаляемых моделей в ЛВМ показывает, что помимо выплавляемых, используют и растворимые модельные материалы, отличаюпщеся более высокой, по сравнению с воскообразными модельными материалами, температурой плавления /1,13/. Процесс растворения таких моделей не сопровождается объемными изменениями, как при выплавлении воскообразных моделей, поэтому не приводит к образованию трещин ОФ при удалении модели /1,13/. Но растворимые модельные материалы очень гигроскопичны, что ограничивает их применение из-за невозможности длительного хранения.
Известно применение комбинированных моделей, полученных при замешивании водорастворимых компонентов в расплав воскообразных материалов. Но изготовление таких моделей приводит к образованию усадочных дефектов (хотя и в меньшей степени, чем при изготовлении воскообразных выплавляемых моделей), а также к нарушению размерно-геометрических параметров /14/.
Известные технологии получения различных изделий (деталей машин, приборов и др.) формовкой в порошковой металлургии позволяют изготавливать детали с повышенным качеством поверхности, с высокой размерно-геометрической точностью, без усадочных дефектов. Применение такого метода при изготовлении удаляемых моделей в ЛВМ, позволяет получать пористые выплавляемые модели из порошкообразных модельных составов без усадочных дефектов, с заданной пористостью и повышенными размерно-геометрическими параметрами.
Но изготовление удаляемых моделей из порошкообразных составов может быть ограничено из-за снижения их механических свойств. От механических свойств удаляемых моделей зависит их эксплуатационная пригодность, а именно возможность хранения, а также способность выдерживать динамические нагрузки при транспортировке и при изготовлении ОФ. Механические свойства таких моделей зависят от пористости, величины контактной поверхности и характера контакта между частицами. А также на механические свойства порошкообразных моделей оказывают влияние свойства порошкообразных материалов и технология изготовления.
При получении моделей формованием порошков модельных материалов прочностные свойства моделей, в сравнении с моделями, полученными запрессовкой или заливкой в пресс-форму модельного состава, как правило, снижаются/14/.
Длительное хранение пористых моделей также влияет на изменение плотности и размерно-геометрической точности моделей. При формовании сложных моделей (особенно мелких, для изготовления стоматологических или ювелирных изделий) возникает трудность заполнения модельным составом поднутрений и сложных поверхностей моделей, что приведет к отклонениям от размерно-геометрической точности получаемых отливок.
Исследование известных вакуумных технологий изготовления гипсовых и керамических форм, а также отливок в ЛВМ показало преимущества применения вакуумирования, а именно: хорошая заполняемость очень сложных по конфигурации изделий, высокая размерно-геометрическая точность, снижение или отсутствие газовой пористости, высокие физико-механические свойства.
