Введение к работе
Актуальность проблемы
Требования к металлорежущим станкам по чистоте и точности обработки непрерывно повышаются. Новое поколение станков должно обеспечивать скорость вращения шпинделя более 100 000 об/мин и норму точности 3-5мкм. Успешное соблюдение точностных параметров станков зависит от корпусных (базовых) деталей -станин, стоек, столов, траверс и др., на долю которых приходится 80-85% от массы металлообрабатывающего комплекса. Эти детали должны обладать высокой жёсткостью, износостойкостью, демпфирующей способностью, точностью геометрических размеров и нормируемой шероховатостью поверхностей.
Характерными особенностями отливок этого класса являются: сложность конфигурации, значительная масса (5-120т), мелкосерийный и единичный характер производства.Основным процессом формообразования таких отливок остаётся формовка в почве и опоках.
Технология производства отливок с требуемыми эксплуатационными свойствами для изделий различных отраслей машиностроения достаточно изучена и освоена. Однако, для станкостроительной отрасли производство монолитных базовых отливок, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, остаётся актуальной проблемой.
Необходимо исследование управляющих факторов технологического процесса, влияющих на структурообразование, демпфирующие свойства и геометрическую точность отливок, обеспечивающих улучшение их эксплуатационных свойств.
В базовых монолитных отливках из серого чугуна не достигаются одновременно оптимальные значения параметров износостойкости, демпфирующей способности и остаточных напряжений.
Изготовление базовых деталей станков методом сварки из стальных элементов или из полимеров с неорганическими наполнителями также не обеспечивает получения дифференцированных свойств.
Эту проблему предлагается решить, используя технологию изготовления композиционных отливок с дифференцированными свойствами (КОДС), позволяющую синтезировать отдельные элементы изделия. Они могут быть изготовлены наиболее прогрессивными методами формообразования из материалов с оптимальными эксплуатационными параметрами, что обеспечивает получение базовых деталей с заданными эксплуатационными характеристиками.
В машиностроении объединение деталей в узлы, получаемые из раз личных металлов, осуществляется механическим способом. При этом контактная зона ослаблена и восприимчива к вибрации. При композиционном литье между элементами отливки осуществляются физико-химические связи.
Опыт изготовления базовых отливок станков из' композиционных элементов (модульный метод) в мировой практике отсутствует. Это связано как с технологическими, организационными особенностями производства композиционного литья, так и с недостаточной информированностью конструкторов о свойствах и возможностях композиционных литых заготовок как конструкционного материала.
Технические решения, опробованные в станкостроении, могут быть внедрены и в других отраслях промышленности.
Цель работы: повышение эксплуатационных характеристик базовых деталей станков с регламентированным уровнем свойств на основе совершенствования традиционных технологических процессов производства литых заготовок, разработки и внедрения принципиально новых процессов изготовления корпусных деталей станков из бесстержневых композиционных чугунных отливок, обладающих дифференцированными свойствами. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:
исследовать влияние шихтовых материалов на базе передельного чугуна, комплексных легирующе-модифицирующих добавок и внепечной обработки расплава на сруктуру серого чугуна;
исследовать влияние ферроникелевых лигатур на структуру и механические свойства чугуна в отливках;
исследовать влияние факторов, оказывающих воздействие на разброс размеров в системе модель-форма-отливка, на основе обмеров и статистического анализа и разработать методы повышения размерной точности отливок;
исследовать процесс образования пространственных отклонений -заливов;
- изучить условия формирования поверхности элементов формы и
определить их влияние на шероховатость поверхности отливок;
разработать технологический процесс, минимизирующий образование подповерхностных газовых пороков в отливках станин, определяющих их износостойкость и контактную жёсткость;
исследовать возможности изготовления станочных отливок сложного контура и повышенной точности в композиционных формах (ЖСС-керамика);
экспериментально показать возможность использования композиционных методов изготовления деталей;
разработать основы технологического процесса производства композиционных отливок с дифференцированными свойствами - (КОДС) и провести промышленное опробование.
Научная новизна. Основные научные результаты работы:
- выявлены закономерности образования трещин в станочных отливках
при использовании в шихте литейных и передельных чугунов и на их основе разработана комплексная проба на трещиноустойчивость и сформулированы условия, обеспечивающие отсутствие трещин в отливках;
уточнён механизм влияния ковшевой обработки расплава, полученного с использованием шихты, содержащей 50-100% передельного чугуна, легирующе-модифицирующими добавками ферросиликохрома различных марок (ФСХ18, 30, 40) на механические свойства и структуру чугуна в отливках;
установлены закономерности влияния ферроникелевых лигатур на структуру и механические свойства отливок при использовании в шихте передельных чугунов;
установлены закономерности влияния отдельных стадий технологического процесса изготовления отливок на их геометрическую точность, позволяющие подобрать методы и технологические приёмы повышения геометрической точности;
исследованы процессы и выявлены причины образования заливов;
- разработан комплекс математических моделей, позволяющих
оптимизировать технологические решения, обеспечивающие - заданную
структуру и механические свойства чугуна в отливках при использовании в
шихте ферросиликохрома, минимизацию величины заливов и повышение
точности отливок;
- выявлены закономерности процессов взаимодействия в системе чугун-
сталь при изготовлении композиционных тливок.
Практическая значимость
и реализация результатов работы
в промышленности:
разработана и внедрена внепечная обработка жидкого чугуна комплексным ферросплавом (ФСХ-18), обладающим легирующим и модифицирующим воздействием;
разработана и реализована технология легирования серого чугуна ферроникелем взамен легирования дефицитным природиолегированным чугуном, а также гранулированным № и ферромолибденом;
разработаны составы унифицированной шихты на базе передельных чугунов, позволяющие полностью исключить из процесса литейные чугуны;
разработана и реализована технология производства крупных чугунных отливок для уникальных металлообрабатывающих комплексов с числовым программным управлением, обеспечивающая минимизацию заливов, подкорковых неметаллических включений и газовых раковин;
разработаны и реализованы комплексные мероприятия по борьбе с заливами;
разработана и реализована технология производства резьбовых реек в композиционных песчано-керамических формах;
- предложена технология и организовано производство композиционных отливок с дискретными направляющими, обладающих дифференцированными свойствами.
Предложена комплексная программа для определения степени армирования, температуры металла и арматуры, состава матрицы для образования надёжных когезионных связей.
Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью расчётных и экспериментальных данных, использованием современных методик, оборудования и приборов, внедрением результатов работы в производство.
В результате выполненной работы решается проблема внедрения в станкостроении литых заготовок с высокими жёсткостью, износостойкостью, демпфирующей способностью, точностью геометрических размеров при изготовлении наиболее ответственных деталей металлообрабатывающих комплексов.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических семинарах в Санкт-Петербурге в 1990-96г.г., на научно-технических конференциях Минстанкопрома в городах Москве, Ульяновске, Иваново, Рязани, Краматорске в 1980-1988 г.г., на Третьем Всесоюзном съезде литейщиков в Волгограде (1989г.), Втором съезде литейщиков России в г. Ульяновске (1995г.), на конгрессе станкостроителей в Москве, ( 1997г.), на 3-м съезде литейщиков России в Г.Владимире, (1997г).
Отливки, полученные с применением в шихте ферроникеля и внепечной обработки расплава комплексными модификаторами, использованы в серийных станках станкостроительной отрасли. Композиционные отливки с дискретными направляющими использованы в горизонтально-фрезерном станке -2А622МФ4
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 брошюры, 48 печатных статей, получено 8 авторских свидетельств.
Личный вклад авто р а. В представленной работе обобщены результаты экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ЛСПО им.Я.М.Свердлова, ВПТИлитпрома, СПбГТУ, ИПЛ НАНУ в качестве руководителя хоздоговорных работ. При этом автору принадлежит постановка проблемы в целом и задач экспериментальных исследований; непосредственное участие в интерпретации и обработке результатов экспериментов, написание статей; решение основных задач по выбору вариантов технологии получения монолитных базовых отливок и композиционных модульных литых заготовок.