Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных проблем в области заготовительного производства машиностроения является развитие и совершенствование специальных методов литья, обеспечивающих максимальное приближение литой заготовки к готовой детали. Повышение качественных характеристик отливок, снижение трудозатрат и энергозатрат процесса их формообразования представляется особо значимым научно-техническим направлением при разработке новых технологических процессов литья сложно-рельефных и тонкополостных отливок. К этому классу отливок относится разнообразная технологическая оснастка, шнеки, рабочие колёса насосов, лопатки, различные литые элементы сложно-геометрического профиля в приборах и оборудовании и другие. Формирование в отливках тонких полостей и разнообразных конфигураций, к которым предъявляются повышенные требования по качеству поверхности, определяется как гидродинамическими, так и физико-химическими процессами при заполнении литейной формы.
В данной работе проблема улучшения качества сложно-рельефной литейной поверхности и снижение трудоемкости процессов литья рассмотрена применительно к тонко-полостным отливкам типа волноводных элементов, применяемых в приборах, работающих в области сверхвысоких частот (СВЧ). Приборы СВЧ работают в диапазоне сантиметровых волн, что обуславливает высокие требования по состоянию рабочей поверхности волновода. Чем выше микрошероховатость поверхности волновода, тем длиннее путь высокочастотных токов, и, следовательно, быстрее происходит затухание волн. Толщина поверхностного слоя волновода, где протекают токи, уменьшаются с ростом частоты колебаний, поэтому шероховатость поверхности сильнее сказывается на более коротких волнах. Практически к качеству внутренних поверхностей волноводов предъявляются требования по шероховатости на уровне показателя: Ra=(0,63 * 0,8)10-6 ,м,
что в значительной степени ограничивает выбор технических решений, обеспечивающих ігх характеристики. Шероховатость поверхности стенок в реальном волноводе может значительно увеличить тепловые потери на частотах порядка 5000 МГц. Основные методы получения волноводов базируются в принципе на необходимости обеспечения гладкости поверхности с тонкими полостями и равнозначного по величине отклонений положений демпфирующих пластин.
В данном исследовании рассмотрены три варианта композиционного метода формообразования волновода с повышенным качеством поверхности, получаемым с помощью литых металлических, органических и соляных стержней, выполненных из легкоплавких составов.
Исследованы условия нанесения гальванических покрытий на литые стержни, тонкие формообразующие полости волновода, а для образования опорного слоя применимость методов литья под давлением алюминиевых сплавов.
Целью данного исследования являлась разработка методов повышения качества тонкополостных сложно-рельефных отливок на базе ресурсосберегающих технологических процессов литья, обеспечивающих экономию материалов и снижение
трудовых затрат. Для достижения поставленной цели решались следующие кої кретные задачи:
1. Разработка технологического процесса получения качественных литы
конструкций тонкополостных отливок (волноводов).
2. Исследование влияния параметров процесса заполнения расплавом тої
кополостных каналов отливки на качество ее поверхности.
-
Выявление качественных и количественных характеристик процесс формирования поверхности стержня, выполненного из легкоплавких мі таллических и неметаллических материаллов.
-
Построение модели процесса формирования поверхности сложнорелье^ ных тонкополостных отливок с однородной микрошероховатостью пр применении легкоудаляемых стержней с электролитическим покрытием.
-
Обеспечение надежного и стабильного температурного режима заливк расплавом полости металлической формы с композиционным легкоплаг ким стержнем.
На защиту выносятся следующие положения:
Физико-математическая модель процесса заполнения тонкополостных сложно
рельефных отливок, параметры которого обеспечивают формирование лито:
поверхности повышенного качества;
Методика построения опорных поверхностей в продольно-поперечном направ
лении нерегулярного литого микрорельефа, что позволяет реально оценить ка
чество поверхности сложно-рельефных и тонко-полостных отливок;
Установленные количественные взаимосвязи между составом стержней, уело
виями их удаления го тонко-полостных отливок и качеством формируемых ли
тых поверхностей;
Научная новизна результатов и основных положений диссертации.
-
Разработаны аналитическая и экспериментная методики оценки однородно ста литого микрорельефа и условия формирования качественной поверхности тон кополостных отливок.
-
Установлены количественные характеристики процесса формообразование сложно-рельефных и тонкополостных отливок на основе легко удаляемых стержней с электролитическим покрытием при литье под давлением на примере волноводных элементов.
3. Выполнены конструктивные решения термически стойких закладные
элементов измерителя температуры металла и прибора для непрерывного контроле
расплава, обеспечивающие надежный контроль параметров литьяю Измеритель
температуры опробован и принят к внедрению в промышленности, что позволило
резко снизить брак отливок и увеличить процент годной продукцию!.
Практическая ценность работы. Полученные результаты исследования позволили разработать композиционный процесс технологии литья волноводных элементов повышенного качества при снижении трудоёмкости их изготовления. Предложенная методика оценки качества литой поверхности отливок обеспечивает
г^еличение точности измерения как для гладких, так и сложно-рельефных юверхностей отливок при построении опорных кривых поперечно-продольного гаправления. Разработаны конструкторско-технологические решения и выполнены >пытные образцы прибора для непрерывного контроля температуры расплава.
Реализация в промышленности. Технологический процесс производства )пробирован и внедрен на Бологовском радиотехническом заводе и научно производственной ассоциации Совпин. Экономический эффект составил 12 000 >уб. в ценах 1992 г.
Созданы приборы для непрерывного контроля температуры. Эти приборы >пробованны и внедрены на Бологовском радиотехническом заводе, НПРА 'Совпин". Приняты к внедрению на Тульском арматурном заводе и Бологовском >адиотехническом заводе для практического использования при производстве )тливок литьем под давлением, низким давлением, литьем в кокиль и т.д.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы |.окладывались в 1990 - 1997 гг. на 7 республиканских и 3-х международных :онференциях и научно-технических семинарах, в т. числе: "Повышение качества и кология в литейных процессах. Одесса, Украина", "Улучшение качества литья, іеханизация и автоматизация технологических процессов"(Липецк, Россия), :онференции и семинары молодых исследователей и аспирантов (Москва, МГТУ ал. Баумана, Краматорск, Донбасская государственная машиностроительная кадемия, Запорожье, государственный машиностроительный институт им. Чубаря, Москва, ВТУЗ, Одесский государственный политехнический университет, Іарненский электротехнический институт (Болгария).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, яти разделов, выводов и одного приложения, изложенных на 155 страницах ечатного текста, включает 14 таблиц и 31 иллюстраций. Во введении босновываегся актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования роцесса формообразования тонкополостных отливок, основные положения, оторые выносятся на защиту. Сформулирована научная новизна и приведены энные практической ценности работы, кратко изложено содержание исследование. В первой главе выполнен обзор методов формообразования и качества энкополостных и сложнорельефных отливок. Проанализированы технологические лособы повышения качества отливок, характерные показатели литой поверхности э сложивши геометрическими конфигурациями. Рассмотрены композиционные ^отологические процессы формообразования изделий на примере волноводного іемента.
Во второй главе рассматриваются методики исследования процесса іполнения тонкополостных литейных форм и формирование неоднородности эверхности отливок. Разработан метод математического планирования тгамальных составов стержней на основе легкоплавких сплавов(металлических, эганических и соляных). Приведены режимы нанесения и составы гектролитического покрытия на нетокопроводящие литые стержни сложной
конфигурации. Рассмотрены расчетные методы условий теплообмена в систе расплав-облицовочный слой-стержень. На базе гидродинамических теплофизических характеристик жидкой среды разработана оригинальная методи исследования процесса заполнения тонкорельефных и тонкополостных полосте Предложена расчётная и экспериментальная оценка качества литой поверхноегс применением опорных кривых.
В третьей главе приведены результаты аналитического и экспериментально исследования условий формирования однородных по микрорельефу лип поверхностей. На примере волноводных элементов с тонкими полосш проанализировано влияние температурного перепада ДТ=Тзал-Тпрессф., где Тзах температура заливки, Тпрессф. - температура прессформы на шероховатость лит поверхности. Выявлены количественные зависимости, определяющие проце заполнения тонких полостей и условия формирования однородных по величине ] микрошероховатости литых поверхностей.
В четвертой главе приведены результаты аналитического экспериментального исследования перемещений в литом стержне волновода. I основе решений уравнения определены вертикальные и угловые перемещен каждого го 20 элементов стержня. Приведены схема расчета стержня по '. элементам и 4 узлам. Расчетные данные сопоставлены с экспериментальным определёнными методом тензометрии.
В пятой главе обобщены конструкторско-технологические разработки прибо; для непрерывного контроля температуры расплавов на металической неметалической основах. Представлены расчеты всех узлов прибора и конкретні данные его эксплуатационных: характеристик.
В приложении приведены акты по апробации разработанно: технологического процесса литья волноводных элементов и выполненного прибо] для непрерывного контроля температуры расплава при литье под давление волноводных элементов.
Личный вклад автора в совместных публикациях. Автором разработан методики оценки неоднородности литого микрорельефа и процесса формирован] высококачественной поверхности тонкополостных отливок из алліоминиевь сплавов.
Автору принадлежат результаты аналитического и экспериментально] исследования термической стойкости закладных элементов и конструкционнь расчеты прибора для непрерывного контроля температуры. Автором лредложеі методика химического омеднения нетокопроводных основ стержней для нанесеш гальванических покрытий и разработаны составы стержней на металической неметалической основах и определены параметры процесса формирования комга зиционных стержней и технологических режимов производства отливо Разработана и выпущена заводская технологическая документация по эксплуатацт приборов. Приборы для непрерывного контроля температуры расплава освоены внедрены на Бологовском радиотехническом заводе, Тульском арматурном заводе.
Объекты и методы исследования. Основными объектами исследования
процесса формообразования тонкополостнык отливок ягвлялись волноводные элементы и сложнорельефные литые стержни на металическои и неметалической основах. Применяли легкоплавкие композиции сплавов алюминия, цинка, висмута, кадмия, а также соли натрия и калач, парафино-стеариновые составы с наполнителями А1203. Составы промышленных сплавов соответствовали ГОСТ158389. Химический состав исследованных сплавов определяли химическим и спектральным анализом в соответствии с ГОСТІ49784. Промышленные плавки выполнялись на Бологовском радиотехническом заводе. Применяли методы математического планирования экстремальных экспериментов; расчеты теплофизиче-ских процессов выполняли на базе дифференциальных уравнений Фурье с применением програмного обеспечения на языках Паскаль, Фортран. Исследования выполнялись в соответствии с планом госбюджетной научно-исследовательской темы №> 28-37 «синтез гетерогенных металлических и иеметалических систем» га кафедре машины и технология литейного производства Одесского государственного по-штехяического университета.