Формообразование намагниченными формовочными материалами Левшин, Геннадий Егорович

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время около 80% отливок изготовляют с помощью разовых форм н стержней второго поколения, полученных из смеси кварцевого песка, связующего и добавок, которые, однако, имеют весьма малую долговечность (1-2 цикла) из-за растрескивания песчинок и потери свойств связующим при их наїреве теплом отливки. Это приводит к болыням расходам по утилизации значительных объемов отработанной смеси и добыче, поставке и подготовке свежих формовочных материалов, которых необходимо 0,5...1,4 т на 1 т годных отливок. Уже наметился дефицит формовочных песков марок 02 и 0315. Кварцевая пыль (имеющая ПДК 1 мг/м³) и многие связующие и добавки ухудшают атмосферу литейного цеха, что вызывает заболевание силикозом, сокращенный стаж работы литейщиков, значительную текучесть кадров и низкий престиж 'профессии. Наличие связующего делает необходимыми операции и оборудование ко притотониснию смеси (5... 11 т на 1 т годных отливок) и увеличивает брак отливок но трещинам из-за пониженной податливости и по газовым раковинам из-за пониженной газопроницаемости и повышенной газотворности форм и стержней.

Поэтому литейщики постоянно ведут поиски новых форм и стержней, свободных от этих недостатков. В наибольшей мере этому отвечает новый физико-технический процесс формообразования намагниченными .дисперсными материалами из стальных частиц, превращаемых в прочную систему воздействием магнитного ноля (МП). Стальные частицы не растрескиваются и поэтому более долговечны (>30 циклов), их потери не превышают 1 -2 %, а в ГОСТах ССБТ не нормируются уровни напряженности постоянного Mil и ПДК пыли железа и его оксидов. Из-за связи намаппшегаюети этих частиц с величиной индукции В_е МП магнитные формы (МФ) и стержни (МСт) обладают уникальным свойством уітрав-лясмой прочности, жесткости и податливости. Это позволяет в любой момент разупрочшпъ МФ или влиять на усадку отливок и вывести их на новый уровень качества по внутренним напряжениям, что весьма цешю для отливок, склонных к трещинам и тяжелонагруженных. Однокомно-нентность ферромагнитного формовочного материала (ФФМ) исключает операция її с-Ьорудовалие по ттршотовлегазо смеси и уменьшай! брак по газовым раковинам.

Формообразование намагниченными ФФМ является новой электротехнологией в литейном производстве и четвертым поколением литейных форм и стержней. Недавнее появление и сложность явлений, имеющих место при этом методе формообразования, обусловили недостаточные изученность и, как следствие, распространённость этой наукоемкой, экологачной и ресурсосберегающей технологии. Сейчас она применяется в литье по газифицируемым моделям , где с ее помощью решены проблемы упрочнения формы без деформации малопрочных газифицируемых моделей и улучшения отвода газов при их деструкции. Вместе с этим целесообразно применение этой технологии для изготовления МСт и МФ по постоянным моделям и других изделий из ФФМ. Однако

при этом на их поверхностях, расположенных иод углом 70...90 к вектору шщукции В_е внешнего мапштпого поля МП, часто (при превышении критического значения В_г) появляется специфический дефект в виде флокул (хлопьев) намагниченных частиц, приводящий к браку изделий или отливок (при литье по газифицируемым моделям). Нераскрытость механизма появления этого дефекта является главной научной и технической проблемой, іфеїшхп-вующей более широкому применению маг-питиого формообразования, обладающего рядом несомненных достоинств. Помимо упомянутой главной проблемы имеются и другие нерешенные проблемы и задачи, связанные с ней и между собой: формирования прочности намагниченных ФФМ; их разрушения и определения прочностных характеристик; изучения свойств МФ и МСт, распределения МП в их объёме и на рабочей поверхности, управления вектором индукции В_е внешнего МП; конструирования и расчета шмапшчивающих устройств (НУ) и изделий из ФФМ (известных и новых); изучения свойств ФФМ, особенно магштных. Их решение возможно ири создании общих теоретических основ, учитываюпщх сложные связи между этими проблемами. Поэтому актуальна тема диссертации, посвященная созданию теоретических и практических основ новой перспективной и прогрессивной технологии для расширения её области применения путем разработки процессов и конструкций для изготовления МСт, полых разъемных МФ и МФ с МСт. Её актуальность иодгверждается и тем, что: - отдельные разделы диссертационной работы выполнялись по Российским межвузовским паучио-техпическим программам "Учебная техника" (1993г.), "Ресурсосберегающая технология машиностроения" (1992 -1996г.), "Технопарки России" (1994г.), федеральной программе "Разработка и производство средств протезирования..." (1995г); региональной программе "Алтай" (1993-1997г) и договорам с предприятиями и НИИ; -автору присуждена в 1997 г. Государственная научная стипендия.

Цель работы. Создание основ теории и практики нового физико-технического процесса формообразования намагниченными ФФМ для расширения области его применения путём разработки процессов и конструкций для изготовления МСт, полых разъёмных МФ и МФ с МСт.

Научная новизна заключается в создании теоретических основ формообразования намагниченными ФФМ различных изделий. При этом на осиовании выполненных исследований сформулированы и обоснованы научные положения, совокупность которых можно, на наш взгляд, квалифицировать как новое крупное достижсіше в развитии перспективного направления в магнитном формообразовании, в т.ч. раскрыты механизмы формирования прочности ФФМ при воздействии внешнею МП и образования специфического дефекта (флокулизации) изделий из намагниченных ФФМ; установлены силы, участвующие в этих процессах, их роль (в особенности сил отталкивания и виртуального перехода) и соотношение между ними; предложен метод аналитической оценки прочности намагниченных ФФМ; показано и объяснено влияние на эти про-

цессы величины и формы частиц ФФМ, координационного числа п, коэффициента заполнения K_v, степени заглубления V и других параметров дисперсной среды; магнитной проницаемости р* частиц и ц_д дисперсной среды, их химического состава, микроструктуры; термической и химико-термической обработки ФФМ, уплотнения, наличия неферромагнитных включений и др. Научно обоснованы наличие магнитной связности при угле B/'Scp =0, выбор вида МП для намагничивания ФФМ, применение М1ЮГОПОЛЮСНЫХ МП и ІІУ для изготовления изделий; установлены граничные условия на поверхности изделий из ФФМ, необходимые для математических расчётов, а также условие определения истинной прочности намагниченных ФФМ при растяжении, форма и параметры образца; объяснены размагничивающее действие дисперсной среды и анизотропия всех видов прочности, в т.ч. при растяжении ст_р> и твердости Т в зависимости от направлений вектора В_е МП и приложения нагрузки, связь анизотропии прочности и распределения ферромагнитной фазы.

Осповные защищаемые положения» 1. Совокупность теоретических и экспериментальных результатов исследований, составляющих теоретические основы нового физико-технического процесса формообразования намагниченными ФФМ различных изделий в литейном производстве и протезировании, в т.ч.:

механизм формирования прочности ФФМ при воздействии МП под влиянием сил притяжения и отталкивания, действующих при контакте и' зазоре между частицами, с объяснением анизотропии прочности ФФМ.

условия определения истинной прочности при растяжении образца намагниченного ФФМ Огои B,.^AS,., — 90) и параметры ннлиндро-кониче-ского образца;

механизм образования специфического дефекта (флокулизации) изделий из намагниченных ФФМ со сферической и несферической формой частиц под действием вращающего момента на несферические частицы и силы виртуального перехода на сферические частицы в условиях наличия дефектов структуры в виде немагнитных зазоров;

условия предупреждения флокулизацин изделий и соединения его на-магпнчеїшьіх частей;

принцип расчета МП в изделиях из намагниченных ФФМ.

1. Разработанные на основе созданной теории новые технологические процессы изготовления различных изделий из намагниченных ФФМ (полых разъёмных МФ и магнитньгх негативов, в т.ч. с профильной поверхности разъёма, МСт я МФ с МСт).

2. Конструктивщле схемы двух- и многонолюсных НУ, МФ, магнитных негативов, МСт и МФ с МСт и универсального прибора для определения прочностных параметров намагниченных ФФМ.

3. Методики расчета двухполюсных НУ с U-, П-, С-, О-, I- образным магнитопроводом.

Положения 1,2 содержат, на наш взгляд; трудноразделимые вопросы, относящиеся к специальностям 05.16.04 и 05.03.01, а положения 3, 4 в большей мере соответствуют специальности 05.03.01.

Практическая ценность. Впервые разработаны (на уровне изобретений):- способы изготовления и конструктивные схемы двух- и много-полюсных полых разъёмных МФ, неразъемных и разъемных магнитных негативов, центровых МСт с цилиндрической и криволинейной поверхностью, МФ с МСт и НУ для их изготовления;- способы но предупреждению флокулизации;- прибор для определения прочностных параметров намагниченных ФФМ;- конструктивные схемы токоподвода МФ, линий для изготовления МФ и подготовки оборотного ФФМ. Определены ряд технологических и конструктивных параметров, даны практические рекомендации и разработаны типовые технологические процессы Предложен прибор для экспресс-контроля магнитных свойств. Существенная часть этих технологий, НУ, МФ, магнитные негативы, МСт и МФ с МСт, а также приборы внедрены (в т.ч. 22 изобретения) в Центральном НИИ протезнроваши и протезостроения (пМосква), протезно-ортопедическом предприятии (г.Барнаул), лабораториях АлтГТУ и прошли производственные испытания в цехах ПО по выпуску кузнечно-прессового оборудования (г. Чимкент), ЗАО «Завод алюминиевого литья» (г. Барнаул). С их помощью получены различные отливки из черных и алюминиевых сплавов и гипсовой суспензии, что позволило существенно расширить область применения, пового направлення в магнитном формообразовании. Кроме того, созданы методики аналитического (в т.ч. на ЭВМ), упрощенного и инженерного расчетов двухполюсных НУ с 1Д-,П-,С~,0-,!-образным магиюшроводами. Впервые в СНГ подготовлен и читается студентам с 1991 г. курс "Литье в магнитные формы", для обеспечения которого изданы 4 учебных пособия и монография, более 30 студентов выполнили дипломные проекты и работы по различным вопросам МФ.

Апробация результатов и практической ценности работы. Основные результаты работы были представлены на съездах литейщи-

дио і **' \j . > Jifbtxiv/m^K, xyj~>x^ x .UJiw/^jruvii-ip, x у у 11 .у, uwvwftJjnJDiA xuxy пххкг-

техническнх совещаниях (г.Барнауя, 1994, 1986г), Международных научных и научно-практических конференциях и симпозиумах (г.Москва, 1993, 1995, 1996і- г.Барнаул, 1994г, г.Комсомольск-на-Амуре, 1994г), Всероссийских, Российских, межреспубликанских и республиканских конференциях (г.Омск, 1990г, г.Одесса, 1990г, г.Чебоксары, 1989,1990г, г.Пенза,1991 г.; г.Москва, 1993,1994,1998г, г.Тула, 1997г); межрегиональных и региональных конференциях, симпозиумах и семинарах (г.Челябинск, 1984,1985, 1986,1988,1990,1991 г.; г.Барнаул, 1979, 1990г.; г. Свердловск, 1986г.; г.Рубцовск, 1995г), юбилейных научно-практических конференциях (г.Москва, 1994г, г.Бийск, 1995г, г.Омск, 1997г). Некоі-орьіе пракгаческие результаты демонстрировались на выставках и ярмарках: ежегодной выставке МНТП "РТМ" (г.Москва, 1992-

1996г); Алтайских выставках-ярмарках "Машиностроение-96"

(г.Барнаул,1996г); "Алтай и сопредельные регионы" (г.Рубцовск,1996г); Ресігубликанских выставках и ярмарках: "Технопарк-Сибирь-93" (г.Новосибирск, 1993г); "Научно-технические достижения и интеллектуальная собственность высшей школы" (г.Москва, 1994г.); "Товары народною потребления на Нижегородской ярмарке'' (г.Нижний Новгород, 1995, 1996г.); "Высшая школа России: конверсия и приоритетные технологии" (г.Москва, 19%г); "Техлогарки-инноюции-конверсии-96" (г.Уфа, 1996г.), научных семинарах кафедр литейного производетва МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ (МАМИ), литейного отдела ГИЦ "ЦНИИТМАШ".. кафедры Технология малшюстроения" ШТУ (НЭТИ).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 129 работ, в т.ч. 1 монография,. 4 учебных пособия, 49 авторских свидетельств СССР и патентов РФ и получено 6 решений о выдаче цатенгов РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация объёмом 456с содержит 230 рисунков и 51 таблицу, введение, 6 глав, общие выводы, список литературы из 349 наименований и приложение с документами об опробовании и внедрении результатов работы, в т.ч. 22 изобретений.