Исследование условий затвердевания алюминиевых отливок в формах, изготовляемых методом трехмерной печати, с целью применения RP-технологий при производстве деталей ответственного назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Дрокина, Василина Васильевна

• Дрокина, Василина Васильевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дрокина, Василина Васильевна

Введение.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Технология быстрого прототипирования в литейном производстве.

1.2 Структура и свойства доэвтектических силуминов.

1.2.1 Свойства сплава АЕС8л.

1.3 Влияние литейной формы на процесс затвердевания отливок.

1.3.1 Рекомендуемые толщины стенок разовых литейных форм.34 '

1.3.1.1 Гипсовые формы.

1.3.1.2 Тонкостенные химически затвердевающие формы.

1.3.1.3 Оболочковые химически затвердевающие формы.

1.3.1.4 Оболочковые песчано-смоляные формы.

1.3.1.5 Оболочковые керамические формы.

1.3.2 Тепло физические свойства материала литейной формы.

1.3.3 Меры теплового воздействия.

1.3.4 Влияние условий затвердевания на структуру и свойства отливок их алюминиевых сплавов на примере литья слитков.

1.4 Выводы и постановка задачи исследования-.

2 МЕТОДИКА И ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Характеристика используемых материалов.

2.2 Методика проведения экспериментов в лабораторных условиях.

2.2.1 Плавка сплава АК8л.

2.2.2 Термический анализ алюминиевого сплава.

2.2.3 Определение прочности на разрыв материала форм.

2.2.4 Определение прочности на изгиб материала.

2.2.5 Определение гигроскопичности материала.

2.2.6 Определение газопроницаемости материала.

2.2.7 Определение температуропроводности материала.

2.2.8 Определение теплоемкости материала.

2.2.9 Определение жидкотекучести сплава АК8л.

2.2.10 Определение механических свойств сплава АК8л.

2.2.11 Методика исследования структуры сплава АК8л.

2.3 Обработка результатов экспериментов.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЕЁ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ АЛЮМИНИЕВОЙ ОТЛИВКИ.

3.1 Определение теплофизических свойств материла напечатанных форм.

3.2 Тепловой баланс между отливкой и формой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование условий затвердевания алюминиевых отливок в формах, изготовляемых методом трехмерной печати, с целью применения RP-технологий при производстве деталей ответственного назначения»

В последнее десятилетие литейные производства практически на всех предприятиях машиностроительных и металлургических отраслей России развивались по экстенсивному пути. Главная причина - перестройка и экономический кризис. В настоящее время выход из экономического кризиса является приоритетной задачей государства.

В области литейного производства России выйти из него можно только за счёт интенсивного освоения инновационных технологий на базе прогрессивного оборудования, импортируемых из других промышленно развитых стран. Последнее связано с тем, что в настоящее время производство литейного оборудования в России практически свернуто.

Современные инновационные литейные технологии, как правило, в зарубежном оборудовании. Расходные материалы для эксплуатации таких агрегатов также поставляется из-за рубежа. Составы и природа комплектующих и расходных материалов для этого оборудования часто являются коммерческой тайной фирмы производителя. В связи с эти простой перенос таких технологий не всегда эффективен и возможен. Требуется проведение специальных исследований и разработка методик по их адаптации к конкретным условиям отечественного производства. Кроме того дополнительные исследования' могут послужить замене зарубежных расходных материалов на отечественные аналоги, что приведет к значительному снижению материальных затрат.

Одной из современных технологий, хорошо зарекомендовавшей себя в зарубежном и отечественном литейном производстве, является технология быстрого прототипирования, которая произвела переворот не только в изготовлении, но и в проектировании изделий. Применение ее на предприятиях промышленно развитых стран в самых различных отраслях производства позволяет решать многие, не только технические, но и экономические задачи.

Наиболее ценным для литейного производства является возможность получения данным методом, как мастер модели, так и непосредственно литейных форм.

Однако рекомендации фирм производителей по получению отливок по ЫР-технологии не совершенны и требуют доработок. Поэтому исследования, направленные на расширение области применения и внедрение в литейном производстве

России КР-технологии, являются актуальными и своевременными^

В России технология быстрого прототипирования хорошо себя зарекомендовала при мелкосерийном и серийном производстве отливок для авиационной промышленности. В авиастроении при изготовлении литых заготовок (фюзеляж, детали системы управления и др.) часто используются алюминиевые сплавы (АК9, АК7, АК8л, АМ5 и др.).

В связи с тем, что данная технология является новой и не столь широко применяемой в нашей стране, наблюдается дефицит практических рекомендаций при получении отливок по КР-технологии. Как было сказано ранее, составы материалов для изготовления моделей и форм по этой технологии являются коммерческой тайной. Остаются не известными физические, технологические (газопроницаемость, га-зотворность, гигроскопичность, и др.) и теплофизические свойства материалов, что делает невозможным использование САПР для моделирования процессов заливки и затвердевания отливок. Кроме того, получение алюминиевых отливок с высокими механическими свойствами обусловлено скоростью затвердевания расплава, в связи с этим возникает необходимость изучения условий затвердевания литых заготовок в формах, полученных по технологии быстрого прототипирования.

Поэтому основной задачей представленной работы является исследование процессов затвердевания отливок из алюминиевых сплавов в формах, полученных на установке трехмерной печати и изготовленных по специально разработанному технологическому регламенту, с целью применения КР-технологий для изготовления литых авиационных деталей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунков, 27 таблиц, состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 107 наименований.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Дрокина, Василина Васильевна

выводы

1. Определены теплофизические свойства материала напечатанной литейной формы, которые позволили рассчитать аналитическим методом тепловое поле в отливке и форме. Результаты исследований теплофизических свойств материала на основе смеси ZCast можно включить в базу данных программ ProCAST и Polygon и использовать для моделирования процессов заполнения расплавом формы и затвердевания отливок.

2. Расчет теплового баланса и экспериментальные исследования подтвердили возможность управления процессом затвердевания отливки при уменьшении толщины стенки литейной формы и использовании опорного наполнителя. В частности, изменение толщины стенки формы с 15 мм на 7 мм привело к измельчению размера зерна с 402 мкм до 325 мкм. При этом предел прочности при растяжении образца с использованием песка составил 313 МПа, дроби - 316 МПа.

3. Для форм, изготавливаемых методом трехмерной печати, из материала на основе смеси ZCast определена минимальная толщина стенки - 7 мм. Предложен способ обработки материала формы раствором на основе геля кремниевой кислоты, позволяющий получать в образцах с толщиной стенки 7 мм прочность на разрыв 326 Па, которая соответствует материалу, обработанному по рекомендациям компании Z Corp. в образцах с толщиной стенки 15 мм.

4. Определены литейные и механические свойства сплава АК8л при изготовлении отливок методом литья в напечатанные формы с толщиной стенки, равной 7мм. Жидкотекучесть сплава АК8л составила 847 мм по спиральной пробе. Значение механических свойств, превосходят требования ГОСТ 1583-93: предел прочности при растяжении образца 333 МПа, предел текучести — 288 МПа, относительное удлинение — 2,3%, модуль упругости - 76 ГПа.

5. Адаптирован химический состав сплава АК8л для литья в напечатанные формы из материала на основе смеси ZCast. Рекомендованы допустимые концентрации вводимых в расплав легирующих элементов.

6. Разработана технология конструирования литейных напечатанных форм, которая включает в себя: выбор плоскости разъема, способ крепления элементов литейной формы и упрочнения ее конструкции в целом, систему вентиляции. Применение этой технологии обеспечивает получение качественных литых деталей и снижение затрат на их производство.

7. Определен класс размерной точности отливок, получаемых литьем в напечатанные формы — 6 класс размерной точности по ГОСТ 26645-85.

8. Разработана и опробована технология получения отливок ответственного назначения из сплава АК8л литьем в напечатанные формы с толщиной стенки 7 мм из материала на основе смеси ZCast. Опытная партия 7 наименований отливок в количестве 24 шт. признана годной и передана заказчику ОАО «Ил».

7.1 Заключение

На основании проведенного опытно-промышленного опробования установлено:

1) литьем в формы, напечатанные из материала на основе смеси 2Саз1:, можно изготавливать отливки ответственного назначения из алюминиевых сплавов в полном соответствии требованиям ГОСТ 1583-93 и конструкторской документации на литые авиационные детали (ОСТ 1.4154-72);

2) метод трехмерной печати литейных форм может быть рекомендован для изготовления литых деталей в индивидуальном и мелкосерийном производстве и, особенно при изготовлении «пилотных» отливок на стадии отработки новых изделий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дрокина, Василина Васильевна, 2011 год

1. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Питер, 2004. - 560 с.

2. Кузнецов В.Е. Системы быстрого изготовления прототипов и их расширения//CAD/CAM/CAE. 2003. - №4. - С. 2 - 7.

3. Бибраер P.A., Колмаков А.Е., Столповский В.В. Технология быстрого прототи-пирования в современном литейном производстве точных заготовок//Литейное производство. 2004. - №4. - С. 11-14.

4. ZCorporation (Самый быстрый путь создавать физические цветные модели из трехмерных данных) Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.zcorp.com/ Дата обращения: 28.01.2010.

5. Васильев В.А., Морозов В.В., Максимов Н.М. Теория и технология изготовления отливок методом RPZ/Литейное производство. 2004. — №4. — С. 5 - 8.

6. Жизньв 3D. М.: ZCorporation, 2009. - 8 с.

7. Васильев Ф.В. Автоматизация процесса подготовки моделей для быстрого про-тотипирования//Литейное производство. 2004. - №4. — С. 24 - 25.

8. Сухарев М.Г., Седов А.Н. Ускоренное изготовление опытных партий отли-вок//Литейное производство. — 2004. №4. — С. 28.

9. Gebhardt A. Rapid Prototyping. Werzeugefuer die schnelleProduktentstehund. Ham-burg:Hanser, 2002. 550 c.

10. Патент 5,663,883 (США) 1997.

11. П.Кузнецов В.Е. Системы быстрого изготовления прототипов и их расширения//САЕ>/САМ/САЕ. 2004. - №1. - С. 2 - 8.

12. Гладков В.И., Подсобляев Д.С., Скородумов C.B. Технологии быстрого прототи-пирования в автомобилестроении//Литейное производство. 2004. - №4. — С. 9 — 10.

13. Васенов A.B., Климина Т.В., Манташев Г.И., Николаев Д.Е., Федотова Н.В. Информационная основа внедрения технологии быстрого прототипирова-ния//Литейное производство. 2004. - №4. - С. 15 - 21.

14. Валетов В.А., Кузьмин Ю.П., Орлова A.A., Третьяков С.Д. Технология приборостроения. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. - 336 с.

15. Технологический комплекс концептуального моделирования и изготовления быстрой оснастки. Минск: МСП Технолоджи, 2002. - 22 с.

16. Ошкин Д.В. Новые материалы новые возможности//САГ)та81ег. - 2007. - №4. -С. 106-111.

17. Артемьев А. А. Практическое применение систем быстрого прототипирова-ния//МТТ. 2008. - №5. - С. 46.

18. Ошкин Д.В. Трехмерное прототипирование//САХ)та81ег. 2007. - №2. - С. 103 — 108.

19. Cybercom (сканеры 3D принтеры) Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.cvbercom.ru/JaTa обращения: 28.01.2010.

20. Drokina V.V., Belov V.D. and Zolotorevskii V.S. Manufacture of Aluminum-Alloy Castings by Fast Prototyping//Steel in Translation. 2009, Vol. 39, No. 5, - pp. 394398.

21. Метод литья металлов по технологии ZCast. М.: ZCorporation, 2007. - 6 с.

22. Артемьев А. А. Изготовление концептуальных моделей на системах трехмерной печати//МТТ. 2007. - №6. - С. 63.

23. CSoft — Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.csoft.m/JaTa обращения: 20.01.2010.

24. Артемьев А. А. 3D принтер: Новые технологии быстрого прототипирова-ния//МТТ. -2008. -№3. С. 83.

25. Принцип действия трехмерной печати (Зрительное восприятие, инновации и технологии: составляющие процесса струйной трёхмерной печати). М.: ZCorporation, 2009. - 15 с.

26. Технология 3D печати Z Corporation. М.: Z Corporation, 2008. — 8с.

27. Центр быстрого прототипирования НАМИ Электронный ресурс. - Режим до-ступа:http://www.namip.ru/Дата обращения: 25.01.2010.

28. Александров В.Г. Справочник по авиационным материалам и технологии их применения. М.: Транспорт, 1979. — 263 с.

29. Арзамасов Б.Н., Сидорин И. И., Косолапое Г. Ф. и др. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.

30. Бакастов С.С. Авиационное материаловедение. — М.: Воениздат НКО ССР, 1941. 295 с.

31. Вульф Б.К. Авиационное материаловедение. М.: Машиностроение, 1967. -393 с.

32. ПархутикП.А. Лубенский М.З. Формирование структуры Al-Si-сплавов при разных условиях кристаллизации//Литейное производство. 1971. - №5. - С. 23-24.

33. Галдин Н.М., Чернега Д.Ф., Иванчук Д.Ф. Цветное литье. М.: Машиностроение, 1989.-528 с.

34. Гуляев А.П. Металловедение. -М.: Металлургия, 1986. 544 с.

35. Жевтунов П.П. Литейные сплавы. М.: Машгиз, 1957. - 430 с.

36. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988. -272 с.

37. Скороходов Е.А. Общетехнический справочник. — М.: Машиностроение, 1982. — 415 с.

38. Смирягин А.П. Промышленные цветные металлы и сплавы. — М.: Металлургиз-дат, 1956.-560 с.

39. ХэтчДж.Е. Алюминий. Свойство и физическое металловедение. М.: Металлургия, 1989.-422 с.

40. Куманин И. Б. Литейное производство. — М.: Машиностроение, 1971. — 320 с.

41. Костников Г.А. Основы литейного производства — СПб.: Издательство СПбГПУ, 2002.-524 с.

42. Фридляндер И.Н. Исследование влияния скорости затвердевания на структуру и свойства алюминиевых сплавов//Сб. Затвердевание металлов. 1958. - С. 275298.

43. Гуляев Б.Б. Затвердевание металлов. — М.: Машгиз, 1958. 534 с.

44. Бочвар A.A. Металловедение. — М.: Металлургиздат, 1956 495 с.

45. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем. Т.1. — М.: Физгиз, 1960.-755 с.

46. Барабаш О.М. Структура и свойства'металлов и сплавов. М.: Наукова думка, 1986.-598 с.

47. Колобнев И.Ф. Термическая-обработка алюминиевых сплавов. М.: Металлур-гиздат, 1961. — 414 с.

48. Альтман М.Б. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1972. - 552 с.

49. Белов H.A., Савченко C.B., Хван A.B. Фазовый состав и структура- силуминов. Справочное издание. М.: «МИСиС», 2008. - 283 с.

50. Альтман М.Б. Плавка и литье легких сплавов. М.: Металлургиздат. 1956. — 492 с.

51. Фридляндер И.Н. Металловедение алюминия и его сплавов. М.: Металлургия, 1983.-280 с.

52. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов: Пер. с англ./Под ред. Квасова Ф.И., Строганова Г.Б., Фридляндера И.Н. М.: Металлургия, 1979. - 640 с.

53. HanemanH.,SchraderA.,TermareLegierungen des Aluminiums. Dusseldorf, 1952. -170 s.

54. Aluminium: v. 1: Properties, Physical-Metallurgy and Phase Diagrams. ASM: 1967.

55. Philips HrW.E. — In: Annotated, equilibrium diagrams of some aluminium alloy systems. L., 1959; № 25: pp. 21-86.

56. Золоторевский B.C., Белов H.A. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. M.: «МИСиС», 2005. - 376 с.

57. АльтманМ.Б., Андреев А.Д., Балаховцев Г.А. и др. Плавка и литье алюминиевых' сплавов. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

58. Белов H.A., Савченко C.B., Белов В.Д. Атлас микроструктур промышленных силуминов: Справочник. М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. - 204 с.

59. Берг П.П. Качество литейной формы. М.: Машиностроение, 1971. - 286 с.

60. Гуляев Б.Б. Литейные процессы. М:: Машгиз, 1960. - 416 с.

61. Гуляев Б.Б. Тепловые процессы в отливках и формах. — М.: Изд-во. наука, 1972. — 183 с.

62. Вейник А.И. Охлаждение отливки; Минск: Изд-во наука и техника, 1969. -300 с.

63. Вейник А.И; Приближенный расчет процессов теплопроводности. М., СПб.: Госэнергоиздат, 1959. - 184 с.

64. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки.— М.: Машгиз, 1960. — 435 с:

65. Вейник А.И. Тепловые основы теории литья. — СПб: Машгиз, 1953. 383 с.

66. Вейник А.И. Термодинамика литейной формы. — М.: Машиностроение, 1968: — 332 с.

67. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Т 1. — М.: Машиностроение, 1976.-328 с.

68. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Т 2. М.: Машиностроение, 1979. -335 с.

69. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического у строения, отливок. Кристаллизация в литейной формы. — М.: Машиностроение, 1973. — 288 с. •70: Баландин Г.Ф. Теория формирования отливки. М.: Изд-во МГТУ им. Н:Э. Баумана, 1998. - 360 с.

70. SchwarzG!, Archivfiirdas Eisenhiittenwesen; 3, 4 (1931):

71. Раддл Р.У. Затвердевание отливок. Ml: Машгиз, I960! - 390 с.

72. GhworinovN. I., Die Gisserei, 10, 1948.

73. Хворинов Н: Затвердевание отливок; ПодфедаьщиешГуляева^БЖг,— Mf ::ИЩ 1955. 142 с:

74. LightfootN.M. Н., J. IronSteellnst., Section V, 1929; Section VII, 1932.

75. Белов В.Д., Иоффе М.А., Колокольцев В.М., Хосен Ри, Ри ЭХ., Тимофеев Г.И; Теория литейных процессов. Под редакцией. Хосена Ри. Хабаровск: Изд-во «РОТИП» краевой типографии, 2008. - 580 с.

76. Сосненко М.Н. Современные литейные: формы. М.: Машиностроение, 1967.• 286 с. ■■.•■■■■ . .78: Бараданьянц В.К. Гипсовая оснастка для точного литья. М.: Машгиз, 1963. — 96 с.79: Будников П:П. Гипс. СПб;: Изд-во академии^наук^^ ССР^ 1933: — 266 с.

77. Булычев Г.Г. Смешанные гипсы. М.: Госиздат. Литературы по строительству и архитектуре, 1952. - 133 с.

78. Плотников И.М. и др. Поточное изготовление оболочковых форм. Обмен технологическим опытом. М.: Машгиз, 1957. - 157 с.

79. WestwoodA.R. Newbreakthroughoncastingtitanium// Modem Castings. 1960. -№37.-p. 3.

80. Скворцов A.A. К решению задачи о затвердевании металлов в интрервале температур // научные доклады высшей школы. М: Металлургия. - 1958, № 2, Вып. 11.

81. Аронович В.А. Оболочка как основа конструкции литейной формы// Литейное производство. — 1951. №5.

82. Батышев А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением. М.: Металлургия, 1990. - 144 с.

83. Бочвар А.А., Добаткин В.И. О температурной кривой начала линейной усадки бинарных сплавов //Изв. АН СССР 1945. - № 1- 2.

84. Вайнгарт У. Введение в физику кристаллизации металлов. М.: Мир, 1967. -172 с.

85. ГОСТ 1583-93. Сплавы алюминиевые1 литейные. Технические условия. —Минск: Изд-во стандартов, 2003. 29 с.

86. ГОСТ 23409.7-78. Пески формовочные. Смеси формовочные и стержневые, методы определения прочности при сжатии, растяжении, изгибе и срезе. Минск: Изд-во стандартов, 1995. - 6 с.

87. ГОСТ 23409.10-78. Пески формовочные. Смеси формовочные и стержневые, метод определения гигроскопичности. — Минск: Изд-во стандартов, 1995. 2 с.

88. ГОСТ 23409.6-78. Пески формовочные. Смеси формовочные и стержневые, метод определения газопроницаемости. Минск: Изд-во стандартов, 1995. - 5 с.

89. ГОСТ23250-78. Материалы строительные. Метод определения удельной теплоемкости. М.: Изд-во стандартов, 1979. - 11 с.

90. ZPrinter® 310 plus. Hardware Manual. Part number 09548. Z Corporation, 2002. -S. 80.

91. Медведев Я.И., Валисовский И.В. Технологические испытания формовочных материалов. М.: Машиностроение, 1973. - 222 с.

92. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. -М.: Изд-во МИР, 1980. 610 с.

93. Курдюмов А.В, Михайлов A.M. и др. Лабораторные работы по технологии литейных процессов. М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

94. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Изд-во МИР, 1971. - 192 с.

95. ГОСТ 16438-70. Формы песчаная и металлическая для получения проб жидкоте-кучести металлов. М.: Изд-во стандартов, 1999. — 30 с.

96. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: МИСиС, 1998. — 400 с.

97. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М. Стандартин-форм, 2005.-24 с.

98. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970. -375 с.

99. Маркин А.Д., Маркин М.А. Практический анализ тепловых процессов в энергетике и металлургии. М.: Издательский Дом МИСиС, 2008. - 208 с.

100. Пикунов М.В., Беляев И.В. Кристаллизация и направленное затвердевание отливок. Моногр./Влад.гос. ун-т Владимир, 2002.

101. Вейник А.И. Теплофизика в литейном производстве. Минск: Наука и Техника, 1967.-179 с.

102. Анисович Г.А. Гринкевич Р.Н." Метод определения термофизических свойств формовочных земель. В сб. «Проблемы теплообмена при литье». Минск: БПИ, 1960.-214 с.

103. Вейник А.И., Анисович Г.А., Гринкевич Р.Н. Управление процессом охлаждения фасонных отливок. Минск: ИНТИП, 1963. - 34 с.

104. Михеев М.А. Основы теплопередачи. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. — 396 с.